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如何采用系统级方法进行物联网设计

责任编辑:cres 作者:Pedro Pachuca |来源:企业网D1Net  2020-11-11 10:49:13 原创文章 企业网D1Net

为了使物联网(IoT)获得成功,实施至关重要,但是交付解决方案(例如位置感应设备)通常需要采用整体的方法。
 
高质量模拟和混合信号半导体产品供应商Semtech公司的LoRa Edge地理位置解决方案利用直接解调和云计算等先进技术,不仅提高了效率,而且降低成本,并加强易用性,从而很好地展示了这种整体设计方法。
 
基于传统技术的位置感测设备面临的一个常见问题是,其解决方案通常需要在电路板级集成多个射频(RF)前端,因为除非集成商知道标签将只在严格控制的环境中使用,否则它们必须能够从多个源获取位置信息。
 
虽然全球导航卫星系统(GNSS)服务在室外运行良好,但室内定位通常需要能够接收Wi-Fi信号进行定位。还需要另一个RF接口来支持低功耗射频通信,以满足物联网应用。
 
Semtech公司的解决方案使用软件定义的无线电技术,将这三个单独的RF前端集成为一个单元。来自三个天线的信号通过低噪声放大器传输到单个模数转换器(ADC),该转换器直接馈入数字解调器。这使得处理从1GHz以下频段的LoRa通信到北斗和GPS卫星群传输的信号等各种信号成为可能。
 
使用软件定义的无线电,可以将信号驻留在输入信号的特定部分中,而不必浪费资源,这些元素可以根据情况调整功能,并最大限度地延长了电池寿命。
 
定位信号处理的一个例子是地理位置标记需求的核心,它可以在室内和室外使用。当标签被要求获取其位置时,它必须确定哪种定位技术是最好的。如果标签在室外,它应该能够很容易地检测到GNSS信号。LoRa Edge通过低功耗扫描模式使用这一原理,当外部控制器试图获取位置时,可以激活这一模式。
 
在LoRa Edge地理位置解决方案中,固件将处理GNSS频带上预期的信号长达0.65秒。仅当接收器检测到信噪比大于-134dB的GNSS信号时,接收机才会尝试进一步处理。如果成功,则接收器固件会将其处理方式更改为具有更高灵敏度的算法,以尝试找到多达8颗信号强度超过-141dB的卫星。
 
如果卫星数量足够,接收器将获得足够的数据,以支持在1.65秒内进行精确定位。一旦捕获到信号,接收器就可以停止处理以节省电力,这与传统的GNSS接收器不同,后者可以继续接收信号。
 
这种定位解决方案不会尝试本地处理接收到的卫星数据,而是将数据元素组合成一条消息,然后将其传输到云端服务器以进行处理,从而减轻了将接收到的卫星消息转换为准确的定位信号所需的大量处理工作。
 
如果GNSS不可用,LoRa Edge地理定位芯片组可以切换到2.4GHz天线的解码信号。与GNSS实施一样,RF引擎不会尝试完全解码和处理数据。它只关注远程云计算服务利用Wi-Fi协议的结构来确定准确定位所需的那些元素。
 
RF引擎无需完全依赖被动扫描就可以将任何数据传输到附近的Wi-Fi路由器。在WiFi扫描模式下,接收器捕获符合2.4GHz频段上使用的802.11b、g或n型协议的信号。接收器固件可以通过监听Wi-Fi路由器,并在传输任何有用数据之前使用的前导码来挑选合适的数据包。一旦接收到包数据的第一个字节,固件就会解调信号并捕获字节,直到它拥有完整的接入点MAC地址。在这一点上,不需要监听来自WiFi接入的更多数据。它将简单地存储地址和相关的信号强度值,然后关闭射频前端以节省电力。
 
通常情况下,为了能够从Wi-Fi获得准确的定位,主机将需要捕获附近几个接入点的MAC地址。因此,主机控制器可以连续多次激活被动扫描模式,直到有足够的能力为止。为了避免浪费Wi-Fi接入区域的电力, RF引擎可以实施超时模式,如果没有有效的数据包发送出去,则自动禁用接收器,直到主机控制器决定重试为止。
 
一旦主机具有MAC地址列表和信号强度指示,主机就可以将其与GNSS数据一样,将数据传递到云平台以转换为地理位置。利用云计算技术,不仅可以进行优化,而且还可以从接收到的RF信号中提取尽可能多的信息,从而将电池寿命从数月延长至两到三年。
 
RF引擎的软件定义性质允许进一步优化成本。访问云计算服务以传输位置请求和其他物联网数据无需使用其他RF设备。当接收器完成对GNSS数据的获取后,主机控制器可以将RF引擎切换为无线电模式,以访问其提供的LoRa WAN访问功能。发送打包数据后,RF引擎可以切换到准备响应的接收模式,或者切换到低功耗的待机模式进行等待,直到排定的时间从远程服务器接收指令或响应。
 
安全功能
 
LoRa Edge地理位置解决方案的配置方式意味着对数据包发送位置的选择完全是集成商或服务运营商的选择。LoRa Edge充分利用了LoRa WAN协议的安全功能。内置的安全性是LoRa WAN的关键组件,它为应用程序数据实现了端到端加密。这是在网络级加密层之上的,该层用于防止未经授权的节点获得访问权限。
 
调试过程涉及到对加入服务器的请求,该服务器执行身份验证例程,并使用基于AES的标准协议检查设备的凭据。在身份验证过程之后,连接服务器和设备合作创建可用于保护网络消息的会话密钥。然后,其设备可以使用类似的过程向用户自己的服务器进行身份验证。这样,就不需要应用程序和网络运营商共享密钥。
 
网络和应用程序服务之间的区别对于云计算定位服务和其他应用程序用例一样重要。 LoRa Cloud和LoRa Edge地理位置解决方案的设计可通过确保任何定位请求均来自客户自己的应用程序服务器,而不是让设备本身在网络级别发出请求来实现这一目的。这样,集成商可以为自己确定最佳的应用程序架构。如果应将地理位置报告回给标签,则可以由用户自己的系统在应用程序层进行处理。但是在许多情况下,数据不必存储在设备本身中:可以将其保存在云中并仅在必要时进行分发。
 
同时,LoRa Edge地理位置解决方案的设计为用户提供了一种方便的机制,用于存储网络和应用程序访问所需的加密密钥。使用密钥数据对安全存储器区域进行编程,该密钥数据用于在启动时加入LoRa WAN网络,并支持存储自定义密钥供用户应用程序使用的功能。作为安全存储器,不能从设备中读取密钥。片上逻辑执行访问LoRa WAN功能所需的所有安全和加密操作。
 
总之,由于精心选择了从RF接口到云计算的架构和实施,LoRa Edge地理位置解决方案演示了如何使用系统级方法来实现物联网设备的能效承诺,并为更简单的设计提供技术支持。
 
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