应用领域：通信广电

方案类型：原型方案

主控芯片：STM32L0

方案概述

方案简介

模块采用ST的STM32L0单片机和LoRa射频芯片；自带LoRaWAN 1.0协议栈，可以自动跳频及速率功率自适应调节；超低功耗和超远距离；支持TTL串口透明传输，串口的参数可以配置；小尺寸，SMD封装。配合LoRaWan基站，支持48路LoRa接收和1路LoRa发送，全双工通信，节点自动申请加入，星型网络，节点容量可达50000以上，可以内嵌于三表、安防、智慧农业等产品，实现低功耗、远距离、高可靠无线通信。

STM32L0

The ultra-low-power STM32L053x6/8 microcontrollers incorporate the connectivity power of the universal serial bus (USB 2.0 crystal-less) with the high-performance ARM® Cortex®-M0+ 32-bit RISC core operating at a 32 MHz frequency, a memory protection unit (MPU), high-speed embedded memories (up to 64 Kbytes of Flash program memory, 2 Kbytes of data EEPROM and 8 Kbytes of RAM) plus an extensive range of enhanced I/Os and peripherals.

The STM32L053x6/8 devices provide high power efficiency for a wide range of performance. It is achieved with a large choice of internal and external clock sources, an internal voltage adaptation and several low-power modes.

The STM32L053x6/8 devices offer several analog features, one 12-bit ADC with hardware oversampling, one DAC, two ultra-low-power comparators, several timers, one low-power timer (LPTIM), three general-purpose 16-bit timers and one basic timer, one RTC and one SysTick which can be used as timebases. They also feature two watchdogs, one watchdog with independent clock and window capability and one window watchdog based on bus clock.

Moreover, the STM32L053x6/8 devices embed standard and advanced communication interfaces: up to two I2C, two SPIs, one I2S, two USARTs, a low-power UART (LPUART), and a crystal-less USB. The devices offer up to 24 capacitive sensing channels to simply add touch sensing functionality to any application.

The STM32L053x6/8 also include a real-time clock and a set of backup registers that remain powered in Standby mode.

Finally, their integrated LCD controller has a built-in LCD voltage generator that allows to drive up to 8 multiplexed LCDs with contrast independent of the supply voltage.

The ultra-low-power STM32L053x6/8 devices operate from a 1.8 to 3.6 V power supply (down to 1.65 V at power down) with BOR and from a 1.65 to 3.6 V power supply without BOR option. They are available in the -40 to +125 °C temperature range. A comprehensive set of power-saving modes allows the design of low-power applications.

Key Features

Ultra-low-power platform

1.65 V to 3.6 V power supply

-40 to 125 °C temperature range

0.27 μA Standby mode (2 wakeup pins)

0.4 μA Stop mode (16 wakeup lines)

0.8 μA Stop mode + RTC + 8 KB RAM retention

88 μA/MHz in Run mode

3.5 μs wakeup time (from RAM)

5 μs wakeup time (from Flash memory)

Core: ARM® 32-bit Cortex®-M0+ with MPU

From 32 kHz up to 32 MHz max.

0.95 DMIPS/MHz

Reset and supply management

Ultra-safe, low-power BOR (brownout reset) with 5 selectable thresholds

Ultra-low-power POR/PDR

Programmable voltage detector (PVD)

Clock sources

1 to 25 MHz crystal oscillator

32 kHz oscillator for RTC with calibration

High speed internal 16 MHz factory-trimmed RC (+/- 1%)

Internal low-power 37 kHz RC

Internal multispeed low-power 65 kHz to 4.2 MHz RC

PLL for CPU clock

Pre-programmed bootloader

USART, SPI supported

Development support

Serial wire debug supported

Up to 51 fast I/Os (45 I/Os 5V tolerant)

Memories

Up to 64 KB Flash memory with ECC

8KB RAM

2 KB of data EEPROM with ECC

20-byte backup register

Sector protection against R/W operation

LCD driver for up to 8×28segments

Support contrast adjustment

Support blinking mode

Step-up converted on board

Rich Analog peripherals

12-bit ADC 1.14 Msps up to 16 channels (down to 1.65 V)

12-bit 1 channel DAC with output buffers (down to 1.8 V)

2x ultra-low-power comparators (window mode and wake up capability, down to 1.65 V)

Up to 24 capacitive sensing channels supporting touchkey, linear and rotary touch sensors

7-channel DMA controller, supporting ADC, SPI, I2C, USART, DAC, Timers

8x peripheral communication interfaces

1x USB 2.0 crystal-less, battery charging detection and LPM

2x USART (ISO 7816, IrDA), 1x UART (low power)

Up to 4x SPI 16 Mbits/s

2x I2C (SMBus/PMBus)

9x timers: 1x 16-bit with up to 4 channels, 2x 16-bit with up to 2 channels, 1x 16-bit ultra-low-power timer, 1x SysTick, 1x RTC, 1x 16-bit basic for DAC, and 2x watchdogs (independent/window)

CRC calculation unit, 96-bit unique ID

True RNG and firewall protection

All packages are ECOPACK®2

CIRCUIT DIAGRAM

LoRaWAN介绍

LoRaWAN是什么

按照LoRa联盟官方白皮书《what is LoRaWAN》的介绍，LoRaWAN是为LoRa远距离通信网络设计的一套通讯协议和系统架构。

LoRaWAN defines the communication protocol and system architecture for the network while the LoRa physical layer enables the long-range communication link.

另外官方提供了这张略偏技术的协议层次图，各位看官大体感受下。

LoRaWAN在协议和网络架构的设计上，充分考虑了节点功耗，网络容量，QoS，安全性和网络应用多样性等几个因素。经过接下来的这些内容，将会对开头这段介绍有更深刻的体会。

2 背后的利益集团 -- LoRa联盟

和LoRa相爱相杀的 NB-IoT 出自于全球标准化组织 3GPP ，由大名鼎鼎的ETSI(欧洲电信标准化委员会)、日本ARIB(无线行业企业协会)和TTC(电信技术委员会)、CCSA(中国通信标准化协会)、韩国TTA(电信技术协会)和北美ATIS(世界无线通讯解决方案联盟)等等组成。

相比于 3GPP 的根正苗红，LoRaWAN 背后的LoRa联盟则势力弱了一些。从协议的封面可以看到作者是来自于3个董事会成员公司: N. Sornin (Semtech), M. Luis (Semtech), T. Eirich (IBM), T. Kramp (IBM), O.Hersent (Actility)。

我们知道每一项技术的推广，都伴随着利益的推动。虽然组织和联盟都是非盈利性组织，但是旗下的企业成员都不是一心来做公益的。从企业角度来讲，花5W去投入做的事情，注定是抱着撬动至少50W美金的预期去做的。

LoRa联盟于2015年上半年由思科(Cisco)、IBM和升特(Semtech)等多家厂商共同发起创立，截止目前(2017.04)有400+的成员，董事会成员中也有不少大企业，大家共同为瓜分未来低功耗广域网的蛋糕而抱团努力着。这是我做的一个表格，收集了现阶段愿意交纳5W美金会费的19个董事会成员，你可以看到这些企业的愿ye景xin。

3 LoRaWAN的网络部署情况

在绑定了几个一级电信运营商后，网络部署情况就比较可观了。按照官方目前(2017.04)的声明，网络部署情况是这样：

34个公开声明部署的网络，至少150个在进行的城市试点部署

你们发现没，鸡脖子那边有一点白，可能是主体主义思想的光辉太耀眼了。

4 LoRaWAN 网络架构

在前面部分了解了LoRaWAN很火之后，我们具体从技术角度做些了解。如下是LoRa联盟官方白皮书中的网络架构图。

可以看到一个LoRaWAN网络架构中包含了终端、基站、NS(网络服务器)、应用服务器这四个部分。基站和终端之间采用星型网络拓扑，由于LoRa的长距离特性，它们之间得以使用单跳传输。在终端部分官方列了6个典型应用，有个细节，你会发现终端节点可以同时发给多个基站。基站则对NS和终端之间的LoRaWAN协议数据做转发处理，将LoRaWAN数据分别承载在了LoRa射频传输和Tcp/IP上。

下面结合下行业生态再来看下这个网络架构，大家可以有更深的认知。图来自ST的LoRa白皮书《IoT connectivity made easier STM32 MCUs & LoRa》。

5 协议概述

5.1 终端节点的分类

在开头的介绍中我们就看到有协议中有规定 Class A/B/C 三类终端设备，这三类设备基本覆盖了物联网所有的应用场景。

为了方便大家，我又做了个表。

5.2 终端节点的上下行传输

下面来点时序图，让大家有更深的感受。

这是Class A 上下行的时序图，目前接收窗口RX1一般是在上行后1秒开始，接收窗口RX2是在上行后2秒开始。

Class C 和 A 基本是相同的，只是在 Class A 休眠的期间，它都打开了接收窗口RX2。

Class B 的时隙则复杂一些，它有一个同步时隙beacon，还有一个固定周期的接收窗口ping时隙。如这个示例中，beacon周期为128秒，ping周期为32秒。

5.3 终端节点的加网

搞明白了基础概念之后，就可以了解节点如何工作了。在正式收发数据之前，终端都必须先加网。

有两种加网方式：Over-the-Air Activation(空中激活方式 OTAA)，Activation by Personalization(独立激活方式 ABP)。

商用的LoRaWAN网络一般都是走OTAA激活流程，这样安全性才得以保证。此种方式需要准备 DevEUI，AppEUI，AppKey 这三个参数。

DevEUI 是一个类似IEEE EUI64的全球唯一ID，标识唯一的终端设备。相当于是设备的MAC地址。

AppEUI 是一个类似IEEE EUI64的全球唯一ID，标识唯一的应用提供者。比如各家的垃圾桶监测应用、烟雾报警器应用等等，都具有自己的唯一ID。

AppKey 是由应用程序拥有者分配给终端。

终端在发起加网join流程后，发出加网命令，NS(网络服务器)确认无误后会给终端做加网回复，分配网络地址 DevAddr(32位ID)，双方利用加网回复中的相关信息以及AppKey，产生会话密钥NwkSKey和AppSKey，用来对数据进行加密和校验。

如果是采用第二种加网方式，即ABP激活，则比较简单粗暴，直接配置 DevAddr，NwkSKey，AppSKey 这三个LoRaWAN最终通讯的参数，不再需要join流程。在这种情况下，这个设备是可以直接发应用数据的。

5.4 数据收发

加网之后，应用数据就被加密处理了。

从介绍中可以看到，LoRaWAN设计之初的一大考虑就是要支持应用多样性。除了利用 AppEUI 来划分应用外，在传输时也可以利用 FPort 应用端口来对数据分别处理。FPort 的取值范围是(1~223)，有应用层来指定。

5.5 ADR 机制

我们知道LoRa调制中有扩频因子的概念，不同的扩频因子会有不同的传输距离和传输速率，且对数据传输互不影响。

为了扩大LoRaWAN网络容量，在协议上了设计一个LoRa速率自适应(Adaptive data rate - ADR)机制，不同传输距离的设备会根据传输状况，尽可能使用最快的数据速率。这样也使得整体的数据传输更有效率。

5.6 MAC命令

针对网络管理需要，在协议上设计了一系列的MAC命令，来修改网络相关参数。比如接收窗口的延时，设备速率等等。在实际应用过程中，一般很少涉及，暂时不管。

6 地区参数

LoRa联盟官方在协议之外，还发布了一个配套补充文档《LoRaWAN 地区参数》，这份文档描述了全球不同地区的LoRaWAN具体参数。为了避免新区域的加入而导致文档的变动，因此将地区参数章节从协议规范中剥离出来。

这份文档主要讲了LoRaWAN在全球各地区的具体物理层参数，不单单是频段有区别，细化到信道划分，甚至是数据速率，发射功率，最大数据长度等等都有区别。

为了方便大家了解总体情况，我又做了个表。

其实这个表也可以看出一个好玩的事情，为什么韩国的参数和亚洲各国其实差不太多，却单独拎出来。如果你有记得前文中的董事会成员记录，就应该知道韩国SK电信在LoRa联盟中的地位。这么高的地位搞点小特殊，你说过分么。