信息科技正開始向物聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)變，為社會數(shù)字化帶來重大變革。智慧城市，智慧交通以及新能源和可再生能源計劃實施，加速了物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)部署；而智能家居和智能辦公室推動了物聯(lián)網(wǎng)在消費市場的快速發(fā)展。隨著物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應用，無線連接的重要性也日益增加。

無線連接是指采用無線通訊技術(shù)建立設備之間的物理連接，常見的無線通訊技術(shù)有藍牙、Wi-Fi、NFC、ZigBee、Z-Wave、NB-IoT、LoRa、2/3/4/5G、GPS、LTE Cat-M1等等。而在物聯(lián)網(wǎng)應用中，低功耗，高穩(wěn)定，高安全和易連接等性能要求尤為重要。這與ST的產(chǎn)品規(guī)劃相一致。

ST致力于為客戶提供他們需要的安全可靠的無線連接產(chǎn)品和解決方案，以幫助應對他們的機遇和挑戰(zhàn)。無線微控制器是 STM32 產(chǎn)品系列的一部分，其中包括BLE 5.2 和 IEEE 802.15.4 通信協(xié)議以及支持 LoRa? 的片上系統(tǒng)等無線物聯(lián)網(wǎng)連接技術(shù)。我們將通過一系列的STM32W相關(guān)技術(shù)介紹文章，和大家分享ST無線連接相關(guān)解決方案。

前言

STM32WL是市場上首款可以連接LoRa低功耗廣域網(wǎng)的系統(tǒng)級芯片，它繼承了STM32MCU超低功耗特性，支持多種Sub-GHz調(diào)制方案。LoRa作為市場上流行的長距離物聯(lián)網(wǎng)無線連接技術(shù)，它的應用場景一般是以標準LoRaWAN網(wǎng)絡組網(wǎng)或者私有LoRa網(wǎng)絡組網(wǎng)的形式呈現(xiàn)。STM32WL在LoRa網(wǎng)絡應用中大多是扮演終端節(jié)點的角色。比如在LoRaWAN網(wǎng)絡中，運行LoRaWAN協(xié)議的STM32WL終端節(jié)點可以連接專門的LoRaWAN網(wǎng)關(guān)進行通信。

本文將介紹私有LoRa網(wǎng)絡中STM32WL扮演的一個新角色，即私有LoRa網(wǎng)關(guān)。內(nèi)容涉及STM32WL基于LoRa調(diào)制技術(shù)的私有網(wǎng)絡設計原理，介紹STM32WL如何采用時分和頻分的方式搭建私有網(wǎng)絡以實現(xiàn)私有LoRa網(wǎng)關(guān)與LoRa 傳感器節(jié)點的連接以及數(shù)據(jù)傳輸。最后會介紹如何演示STM32CubeMonitor軟件監(jiān)控基于STM32WL實現(xiàn)的私有LoRa網(wǎng)絡。

一、私有LoRa網(wǎng)絡設計原理

市場上LoRa應用常見的網(wǎng)絡架構(gòu)有LoRaWAN網(wǎng)絡和私有網(wǎng)絡。LoRaWAN是LoRa聯(lián)盟全球推廣的統(tǒng)一協(xié)議。私有LoRa網(wǎng)絡則是客戶自己基于LoRa調(diào)制技術(shù)設計。

常見的私有LoRa網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)有以下幾種：

點對點網(wǎng)絡

星狀網(wǎng)絡

Mesh網(wǎng)絡

點對點網(wǎng)絡

點對點（Point to point）通信網(wǎng)絡是一種最簡單的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，在STM32WL的應用中稱為PingPong模式，它是基于LoRa調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)類似一主一從數(shù)據(jù)通信，是半雙工通信的方式?？蛻艨梢允褂命c對點的通信，測試兩塊STM32WL板的通信距里。

星狀網(wǎng)絡

星狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)一般是以眾多節(jié)點，連接到一個網(wǎng)關(guān)的形式呈現(xiàn)，如下圖：

標準的LoRaWAN網(wǎng)絡和大多私有LoRa網(wǎng)絡都采用這種星狀網(wǎng)絡組網(wǎng)。STM32WL 私有LoRa網(wǎng)絡例程也是采用這種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。對比LoRaWAN網(wǎng)絡需要采用專門的多通道LoRa網(wǎng)關(guān)芯片，私有LoRa網(wǎng)絡則可以采用STM32WL 這種低成本，靈活的私有網(wǎng)關(guān)方案進行小型LoRa組網(wǎng)。使用STM32WL這類本身做終端節(jié)點的芯片做私有LoRa網(wǎng)關(guān)，它同時只能采用一個信道進行通信，也即是會采用固定的頻率，擴頻因子（SF）,帶寬（BW）等調(diào)制參數(shù)組合。在這種情況下，為解決私有LoRa網(wǎng)絡需要和眾多節(jié)點進行上下行通信，一般使用以下幾種工作模式。

普通模式

定時問詢模式

信道升級模式

同步/異步下行主動模式

普通模式

在普通工作模式下，網(wǎng)關(guān)和節(jié)點都采用相同的芯片（比如STM32WL），工作時都使用相同的頻率，擴頻因子（SF）,帶寬（BW）參數(shù)。網(wǎng)關(guān)會一直打開接收通道，等待節(jié)點的上傳數(shù)據(jù)。

定時問詢模式

定時問詢模式，所有節(jié)點和網(wǎng)關(guān)跟普通模式類似，都采用相同的頻率，擴頻因子（SF）,帶寬（BW）參數(shù)。但它在網(wǎng)絡建立時，網(wǎng)關(guān)會給每個節(jié)點分配一個序號以及當前的系統(tǒng)標準時間（確保節(jié)點時間和網(wǎng)關(guān)相同）。定時問詢模式下，網(wǎng)關(guān)根據(jù)其時間表，在對應的時間與每一個節(jié)點進行通信。

信道升級模式

為了解決信道容量和易受干擾問題，可以采用增加網(wǎng)關(guān)信道的方法，這就是信道升級模式。這種模式下可以使用多個LoRa節(jié)點，比如多個STM32WL組成一個網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)里的每個STM32WL工作在不同的頻點。

同步/異步下行主動模式

同步/異步下行主動模式是為了解決網(wǎng)關(guān)下行控制的實時性問題。

同步下行主動模式利用定時詢問模式中的下行控制特點，要求每個節(jié)點隔一段周期時間打開接收窗口，且所有節(jié)點的接收窗口時間相同。比如每隔1s喚醒，周期性打開接收窗口。當網(wǎng)關(guān)需要發(fā)送下行控制命令時，只要在節(jié)點時間窗口內(nèi)下發(fā)指令，節(jié)點就能收到。

異步下行主動模式，通過超長的異步下行前導碼喚醒所有網(wǎng)絡中的節(jié)點，節(jié)點喚醒后，打開接收窗口，網(wǎng)關(guān)發(fā)送下行控制命令給節(jié)點。

下圖為異步下行主動模式通信示意圖

同步/異步下行主動模式，因為所有節(jié)點都需要周期喚醒，對比定時問詢模式的喚醒方式，功耗會有增加，但相應的提高了網(wǎng)關(guān)下行控制的實時性。

Mesh網(wǎng)絡

Mesh網(wǎng)絡即“無線網(wǎng)格網(wǎng)絡”，是多跳（multi-hop）網(wǎng)絡,具有多跳互聯(lián)和網(wǎng)狀拓撲特性。常見的Mesh網(wǎng)絡有BLE Mesh以及Zigbee Mesh網(wǎng)絡。在一些同時需求遠距離，高速率的LoRa的應用中也會使用到Mesh技術(shù)。

二、STM32WL私有LoRa網(wǎng)絡例程

STM32Cube_FW_WL軟件開發(fā)包提供的私有LoRa網(wǎng)絡例程叫“LocalNetwork”，里面包含了STM32WL網(wǎng)關(guān)“LocalNetwork_Concentrator”和節(jié)點“LocalNetwork_Sensor”兩個工程。開發(fā)包可以直接從ST官網(wǎng)STM32CubeWL下載。這個私有LoRa網(wǎng)絡是基于一個STM32WL的網(wǎng)關(guān)，以及高達14個STM32WL節(jié)點組成。下面會分別對其工作原理和演示做介紹。

STM32WL私有LoRa網(wǎng)絡例程的工作原理

在STM32WL私有LoRa網(wǎng)絡中，STM32WL網(wǎng)關(guān)（Concentrator）上電后處于待機狀態(tài)，直到收到來自于PC端通過串口傳輸過來的AT指令，設置工作頻率并開始Beacon廣播。這里的工作頻率可以通過AT指令配置為歐盟、美國、中國等區(qū)域的工作頻率。而節(jié)點（Sensor）,復位后會一直處于掃描模式（Scan）。它會以支持的所有的頻段來掃描網(wǎng)關(guān)的Beacon廣播， 直到找到一個有效的Beacon。當它找到了有效的Beacon，會繼續(xù)偵聽后續(xù)的同步(Sync)數(shù)據(jù)包，以了解網(wǎng)關(guān)工作的哪些時隙是空閑的。節(jié)點會選擇其中一個空閑的時隙來響應網(wǎng)關(guān)的控制信息，并通過這個時隙傳輸后續(xù)節(jié)點采集的傳感器數(shù)據(jù)。從上面我們可以看到網(wǎng)關(guān)一直在廣播兩種數(shù)據(jù)包，一種數(shù)據(jù)包叫Beacon ，它里面包含前導碼（Preamble），子區(qū)域編號(subregion number)，頻率種子（frequency seed）。另一種數(shù)據(jù)包叫同步（Sync），它包含標準的前導碼（Preamble）以及一些用來管理私有網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)。

STM32WL私有LoRa網(wǎng)絡例程通信用到了類似定時問詢模式的“時分”，和信道升級模式的“頻分”（只是它在一個STM32WL上配合時分來實現(xiàn)）。下面我們來看STM32WL私有LoRa網(wǎng)絡例程的演示部分。

STM32WL私有LoRa網(wǎng)絡例程演示

演示環(huán)境搭建

軟件

1.從ST官網(wǎng)下載STM32Cube_FW_WL_V1.1.0軟件開發(fā)包鏈接：STM32CubeWL

2. 其它軟件工具：

編譯器：IAR 8.50.9，

串口工具：Tera Term ,

燒錄工具：STM32CubeProgrammer

監(jiān)控工具：STM32CubeMonitor

硬件

4塊NUCLEO-WL55JC 開發(fā)板
鏈接： NUCLEO-WL55JC

4 根Micro USB線

軟件燒錄

四塊STM32WL NUCLEO-WL55JC板，選其中一塊作為LoRa私有網(wǎng)關(guān)，燒寫從ST官網(wǎng)下載STM32Cube_FW_WL_V1.1.0軟件開發(fā)包里的LocalNetwork_Concentrator 工程軟件。其余3塊燒寫LocalNetwork Sensor工程軟件作為節(jié)點。這里可以直接使用IAR編譯器燒錄也可以通過STM32CubeProgrammer燒寫.bin文件。

使用STM32CubeMonitor監(jiān)控私有網(wǎng)絡

1．4塊STM32WL NUCLEO-WL55JC板工作示意圖和實物連接圖如下：

2．如上圖示，當4塊STM32WL NUCLEO-WL55JC板上電后，其中一塊私有網(wǎng)關(guān)(Concentrator)會周期性發(fā)出Beacon 和同步信號。而其余三個節(jié)點(Sensor)會啟動掃描Scan，捕捉合適的Beacon信號進行連接，連接成功后，根據(jù)分配的時隙進行數(shù)據(jù)通信，上傳傳感器數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)(Concentrator)。

3．當4塊STM32WL NUCLEO-WL55JC板上電后，將網(wǎng)關(guān)(Concentrator)的板子通過ST Link電腦，可以使用STM32CubeMonitor工具，通過AT指令對網(wǎng)關(guān)進行控制管理。如下圖，就是在以圖形界面的方式顯示三個節(jié)點(Sensor)上傳的傳感器數(shù)據(jù)。

三、總結(jié)

本文介紹了私有LoRa網(wǎng)絡設計原理，內(nèi)容包括LoRa網(wǎng)絡的常見拓撲結(jié)構(gòu)：點對點網(wǎng)絡，星狀網(wǎng)絡和Mesh網(wǎng)絡。其中重點介紹了常用的星狀網(wǎng)絡拓撲的四種工作模式：普通模式，定時問詢模式，信道升級模式，同步/異步下行主動模式。而ST提供的STM32WL私有LoRa網(wǎng)絡例程中，其在時隙和跳頻上的應用則類似定時問詢模式和信道升級模式中運行的機制。接著我們介紹了ST提供的STM32WL私有LoRa網(wǎng)絡例程實現(xiàn)的原理，以及如何演示STM32CubeMonitor軟件監(jiān)控STM32WL私有LoRa網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信。

本文目的在于幫助大家了解私有LoRa網(wǎng)絡工作原理，并知道如何使用STM32WL來實現(xiàn)小型私有LoRa網(wǎng)絡的設計。

來源：意法半導體中國

審核編輯：湯梓紅