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为什么要在新设计中使用LPWAN模块?

时间:2020-09-11 作者:John Koo 阅读:
LPWAN最适合不需要人为干预且需要较长电池寿命的远程应用。根据应用的不同,一些设备在不更换电池的情况下可以运行长达10年。LPWAN应用范围也不断扩大,包括智能停车、资产跟踪、动物健康监测和客服自动化等。
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低功耗广域网(LPWAN)技术近年来得到极大发展。如今,最具竞争力的两种LPWAN技术分别是LoRaWAN和LTE。LoRaWAN规范背后的组织是LoRa联盟,其成员数量近年不断增加。AT&T和Verizon等LTE运营商也已制定了完整的LTE设备认证计划。LPWAN最适合不需要人为干预且需要较长电池寿命的远程应用。根据应用的不同,一些设备在不更换电池的情况下可以运行长达10年。LPWAN应用范围也不断扩大,包括智能停车、资产跟踪、动物健康监测和客服自动化等。

LPWAN应用

在繁忙的街道中寻找停车位既耗时又令人沮丧。智能停车位配备了地下传感器,这些传感器连接到应用程序,使用户能够精准定位可用停车位,避免了漫无目的地寻找车位。这些传感器连接到LPWAN网络,无需人工干预维护,可以运行多年。

采用LTE网络进行的实时资产跟踪既便利又节省成本。例如,配备了LTE设备的货物可将实时位置数据传送给运输公司和客户。特别是对价值较高资产(如医疗物资等)的下落进行跟踪确实可以让人安心。

通过检测运动模式来监测农场动物的健康是另一个受欢迎的LoRaWAN应用。健康的动物比患病的动物更活跃;当动物生病时,它会躺下休息或不会四处走动。通过获取实时报告,农场主可以快速解决问题。

最后,LPWAN还可用于改善客户服务。例如,一家需要丙烷材料的制造商的位置可能远离丙烷供应商,但配备了LPWAN设备之后,供应商可以实时跟踪丙烷水平;当储存位下降到预定阈值时,设备会自动发送信号给供应商以进行补充,而不会打扰客户。而且实时数据也可防止丙烷耗尽的情况发生。

LPWAN需要新的设计

LoRaWAN使用无需授权的频谱,因此用户无需支付频谱许可费用。而LTE用户需要向提供服务的LTE经营者或运营商按月支付许可费用。

在设计网络时,开发人员通常需要执行一些步骤,这些步骤可以在内部执行,也可以由第三方执行,具体取决于项目要求和公司开发人员的经验水平。具体如下:

˙定义产品规格和原型(通常在内部进行)

˙根据产品规格进行初始产品性能测试(通常在内部进行)

˙获得所需的认证(通常在内部和外部进行)

˙最终测试和产品发布(通常在内部进行)

获得必要的认证很重要

LPWAN产品的开发涉及两个方面。一方面涉及产品性能,例如设备运行速度和/或所需的功率;另一方面涉及LTE运营商所能提供的外部网络互操作性。很多国家的运营商都要求设备认证以确保LPWAN设备能够按照运营商的网络规范运行。至少,它要求设备不能引入有害的电谐波,因为这种谐波会对网络造成电磁干扰。此外,运营商还希望确保设备的射频(RF)正常工作。因此,认证至关重要。根据法规,未经认证,支持授权频谱的LPWAN设备不允许出售到特定区域。LoRaWAN(非授权频谱)背后的组织LoRa联盟也要求对LPWAN设备进行认证,以确保互操作性。

目前有两个级别的认证要求。

在政府级别,有FCC(北美)和CE(欧洲)认证。然后是各种网络运营商和联盟所要求的无线电信通用认证,其中包括:

˙美国无线通信和互联网协会(CTIA)(北美)的PTCRB认证,但非会员的Verizon除外

˙全球认证论坛,即GCF(欧洲和亚洲)认证

北美CTIA于1997年启动了PTCRB认证。PTCRB使用国际移动设备识别码(IMEI)用于跟踪移动设备、物联网、M2M设备和模块以进行认证。PTCRB涵盖了AT&T、T-Mobile和加拿大网络等运营商的认证要求,另外还确保设备的射频正常工作,且SIM卡接口设计正确。

Verizon拥有自己的认证流程,它不属于PTCRB。因此,需要Verizon认证的设备要通过单独的Verizon ODI(开发开发项目)认证流程。

GCF成立于1999年,提供包括物联网设备在内的移动和蜂窝设备的认证。其目的是使用3GPP技术主要确保欧洲和亚洲地区的全球互操作性。3GPP技术包括了GERAN(GSM)、UTRAN(UMTS)和E-UTRAN(LTE)。

采用LPWAN模块进行设计

影响认证总成本的因素有很多,设备的复杂性、开发人员的经验以及认证前的准备工作都很重要。以下的成本估计(美元)仅供参考:

˙侧重于RF设计的FCC或同等机构测试,用于确保其辐射不会影响其它设备(2,000至6,000美元)

˙PTCRB认证(20,000至50,000美元,具体取决于设备类型)

˙Verizon ODI认证(最高150,000美元)

˙GCF认证(20,000至50,000美元,具体取决于设备类型)

如果第一次未通过测试,将会产生额外的费用。认证过程非常昂贵,因为设计一个新的网络需要经历一个学习周期。除非开发人员已进行了早期认证,否则很难预测将花费多少时间。

但是,对模块供应商而言,情况就不同了。模块通过认证后,将可以反复出售。因此,其投资回报率要比某家公司单独研发要高得多。对于开发人员而言,使用预先认证的模块也可以节省大量的时间和精力。选择预先认证的模块可以避免从头开始进行认证过程。终端设备仍然需要认证,但这个过程要简单得多。

LPWAN模块被应用于传感器和各种终端设备中,有时也用于网关设备。(图片来源:Nimbelink)

责编:Amy Guan

本文为《电子工程专辑》2020年9月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅  

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