本文將介紹如何使用配備 FRAM 的微控制器作為低功耗方式來寫入固件。與傳統(tǒng)的閃存微控制器方法相比，通過與新 LoRa 收發(fā)器配合使用，新組合可形成針對(duì) FOTA 的低功耗解決方案。

LoRa 是什么？

隨著物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的興起，其中一個(gè)目標(biāo)是使用盡可能少的功率對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸。電池供電型傳感器應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員在最大限度地減少電池電量使用的同時(shí)，特別關(guān)注在數(shù)英里內(nèi)無線發(fā)送低速傳感器數(shù)據(jù)。在現(xiàn)有解決方案中，藍(lán)牙和 Zigbee 專為短距離應(yīng)用而設(shè)計(jì)，而蜂窩數(shù)據(jù)的功率相對(duì)較大。LoRa 已經(jīng)發(fā)展成為解決這一問題的常用解決方案。

LoRa 是遠(yuǎn)程 (long range) 英文的縮寫。LoRa 無線網(wǎng)絡(luò)專為非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的低速率、低功耗、遠(yuǎn)程傳輸而開發(fā)。數(shù)據(jù)速率介于 0.3 千位元/秒 (Kb/s) 和 5.5 Kb/s 之間，適合定期傳輸傳感器數(shù)據(jù)。雖然 LoRa 規(guī)范說明了網(wǎng)絡(luò)的調(diào)制和電氣特性，但 LoRaWAN（廣域網(wǎng)）說明了 LoRa 網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議和數(shù)據(jù)格式。

LoRa 信號(hào)發(fā)送類似于 FM 調(diào)頻，也是通過改變頻率來調(diào)制信號(hào)。但是，正確調(diào)制的 FM 信號(hào)可瞬時(shí)改變頻率，而 LoRa 調(diào)制信號(hào)需要一段時(shí)間才能緩慢地提高或降低頻率。這種頻率的逐漸提高或降低稱為啁啾，這種方法稱為啁啾調(diào)制。頻率隨時(shí)間的變化率稱為“啁啾率”。

LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)始終以星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)排列，信號(hào)發(fā)送和訪問協(xié)議的設(shè)計(jì)目的是使用最小功率，并最大限度地減少多個(gè)端點(diǎn)的信號(hào)沖突。每個(gè) LoRaWAN 端點(diǎn)會(huì)將其數(shù)據(jù)發(fā)送到一個(gè)網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)網(wǎng)絡(luò)，如以太網(wǎng)或 Wi-Fi。一般來說，網(wǎng)關(guān)可接收 LoRaWAN 的所有數(shù)據(jù)，并可通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胗?jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)或進(jìn)一步處理。

任何無線通信的范圍都取決于環(huán)境。在市郊和市中心，LoRaWAN 的傳輸距離預(yù)計(jì)在 1 - 3 英里之間。農(nóng)村地區(qū)的傳輸距離可達(dá) 3 - 9 英里，直接視距的數(shù)據(jù)傳輸最高可達(dá) 131 英里。在某個(gè)案例中，氣象氣球中的一個(gè) LoRaWAN 端點(diǎn)僅使用 25 毫瓦 (mW) 的發(fā)射功率，就可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?436 英里外的地面網(wǎng)關(guān)。

每個(gè) LoRa 端點(diǎn)都有以下三種器件：

一個(gè)或多個(gè)用于收集數(shù)據(jù)的傳感器

一個(gè)微控制器

一塊 Semtech LoRa 無線電芯片

傳感器是端點(diǎn)的主要設(shè)備。LoRa 傳感器應(yīng)用可包括溫度和濕度監(jiān)測、水和燃料的液位監(jiān)測，以及空氣和液體壓力。這些類型的傳感器收集的是靜態(tài)數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)不會(huì)隨時(shí)間的推移而快速變化，因此可以僅以 5.5 Kb/s 的速度進(jìn)行無線傳輸，而不會(huì)對(duì)應(yīng)用產(chǎn)生任何影響。

無線電芯片和天線通過 LoRa 網(wǎng)絡(luò)直接通信。Semtech 是一家擁有 LoRa 傳輸方案專利的公司。目前，所有 LoRa 無線電都使用 Semtech 的無線電芯片，或者使用含有此芯片的無線電模塊。

Semtech SX1262IMLTRT LoRa 無線電收發(fā)器專為電池供電型 LoRa 應(yīng)用而設(shè)計(jì)，且符合 LoRaWAN 無線電傳輸標(biāo)準(zhǔn)（圖 1）。發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)，該收發(fā)器僅消耗 4.2 毫安 (mA) 電流，射頻輸出功率為 +22 dBm。SX1261 是功耗更低的收發(fā)器，其射頻輸出功率僅為 +15 dBm。這兩款收發(fā)器均屬于半雙工收發(fā)器，在次 GHz 頻率范圍內(nèi)運(yùn)行，可處理恒定包絡(luò)調(diào)制方案，例如 LoRa 和頻移鍵控 (FSK)。電路板上均配備 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器和線性 LDO 穩(wěn)壓器。

圖 1：Semtech 的 SX1262IMLTRT 和 SX1261 是針對(duì) LoRa 應(yīng)用的自足式半雙工無線電，電路板上均配備 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器和線性 LDO 穩(wěn)壓器。（圖片來源：Semtech）

為 LoRaWAN 端點(diǎn)選擇微控制器

LoRaWAN 端點(diǎn)中的微控制器可以讀取并處理傳感器數(shù)據(jù)，并且與 SX1262 相連，以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。該微控制器必須有足夠內(nèi)存，以滿足 SX1262 驅(qū)動(dòng)程序、傳感器驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序代碼的需要。表 1 顯示的是對(duì)使用 Semtech SX1262 無線電芯片的 LoRaWAN 端點(diǎn)中微控制器的要求。

表 1：表中顯示的微控制器最低要求是針對(duì)簡單 LoRaWAN 端點(diǎn)而言的，此類端點(diǎn)需要以最少的處理量來收集和傳輸傳感器數(shù)據(jù)。對(duì)于較復(fù)雜的端點(diǎn)，建議要求提供了更強(qiáng)大的系統(tǒng)。（表格來源：Semtech）

根據(jù)此表格，使用一個(gè) 8 位微控制器，即可滿足基本的獨(dú)立 LoRaWAN 端點(diǎn)的最低要求。這可能是一個(gè)簡單的低功耗 LoRaWAN 端點(diǎn)，只需要偶爾將原始傳感器數(shù)據(jù)傳回網(wǎng)關(guān)。

不過，如果端點(diǎn)要處理大量流量，或者必須對(duì)傳感器數(shù)據(jù)執(zhí)行某些處理，則應(yīng)遵循表 1 中的建議要求。當(dāng)然，隨著 LoRaWAN 端點(diǎn)中存儲(chǔ)器容量和處理功率的增加，端點(diǎn)的功耗也會(huì)隨之增加，從而需要具有更多容量的電池，這與 LoRaWAN 針對(duì)低功耗物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)的設(shè)計(jì)意圖相矛盾。

設(shè)計(jì) LoRaWAN 端點(diǎn)時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注以下事實(shí)非常重要：端點(diǎn)是個(gè)低功耗系統(tǒng)，不允許發(fā)生特征蠕變，否則會(huì)使系統(tǒng)復(fù)雜化，并最終導(dǎo)致消耗的功率超出必要的水平。在為 LoRaWAN 端點(diǎn)選擇微控制器時(shí)應(yīng)時(shí)刻注意，盡量降低時(shí)鐘速度和存儲(chǔ)器大小，因?yàn)檫@些因素也會(huì)影響功耗。

更新 LoRaWAN 端點(diǎn)中的微控制器固件

2018 年 10 月，LoRa 聯(lián)盟就如何對(duì)所有 LoRa 網(wǎng)絡(luò)的 LoRa 端點(diǎn)進(jìn)行固件空中升級(jí) (FUOTA) 的標(biāo)準(zhǔn)作出了規(guī)定。新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)范圍的時(shí)鐘同步，大幅減少了丟失數(shù)據(jù)包的數(shù)量，并且規(guī)定了多播傳輸標(biāo)準(zhǔn)，這種通信方式是在將相同的固件更新傳輸?shù)蕉鄠€(gè)端點(diǎn)時(shí)必須使用的方式。由于時(shí)鐘同步和多播傳輸都需要精確時(shí)基，因此所有 LoRa 端點(diǎn)的微控制器都必須配有一個(gè)精確到 1 毫秒的 RTC。

雖然更新 LoRaWAN 端點(diǎn)中的固件是一項(xiàng)重要功能，但也帶來了新問題。在現(xiàn)場更新固件意味著，需要對(duì)微控制器的程序存儲(chǔ)器（通常是非易失性閃存）進(jìn)行重新編程。對(duì)閃存進(jìn)行編程需要向存儲(chǔ)單元施加 10 伏或更高的電壓，因此，需要有更大的穩(wěn)壓器及相關(guān)電路才能實(shí)現(xiàn)閃存編程。由于某些聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的固件每年可能只需要更新幾次，因此這算是一項(xiàng)投資，會(huì)增加成本并低效地使用了額外的電路板空間。

有一種辦法可以替代帶有閃存的微控制器，就是使用配有鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (FRAM) 的微控制器。FRAM 存儲(chǔ)器只需要 1.5 伏電壓，即可對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行編程?？梢詽M足 LoRaWAN 節(jié)點(diǎn)建議要求的很好示例是：Texas Instruments 基于 FRAM 的 16 位 MSP430FR6047 微控制器。該控制器配有 256 KB 的 FRAM 程序存儲(chǔ)器以及一個(gè)帶日歷和警報(bào)功能的 RTC，并帶一個(gè)支持 AES-128 和 AES-256 的加密塊。MSP430FR6047 支持多達(dá)四個(gè) SPI 端口，并具有足夠的外部中斷輸入，以支持 Semtech SX1262 所需的四個(gè)輸入，從而使得兩個(gè)器件的連接非常容易。此外，IEEE 64 位擴(kuò)展唯一標(biāo)識(shí)符 (EUI) 生成可以在固件中輕松實(shí)現(xiàn)（圖 2）。

圖 2：MSP430FR6047 配有 256 KB FRAM、8 KB SRAM 以及適合基于傳感器應(yīng)用的各種外設(shè)。（圖片來源：Texas Instruments）

MSP430FR6047 專為電池供電型智能電表設(shè)計(jì)，具有集成的超聲波檢測外設(shè)，可提供高精度的水流量檢測和液位檢測。這些高級(jí)功能可輕松適應(yīng)許多不同的傳感器應(yīng)用。

雖然 MSP430FR6047 只有 8 KB RAM 而不是建議的 16 KB，但如果不需要復(fù)雜的傳感器融合處理，這在 LoRaWAN 傳感器端點(diǎn)中也許算不上問題。此外，MSP430FR6047 具有高集成度特點(diǎn)，可在提高性能的同時(shí)可節(jié)省存儲(chǔ)器和電路板空間。針對(duì)超聲波檢測應(yīng)用的模擬前端包括了一個(gè)可編程脈沖發(fā)生器、一個(gè) 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 以及一個(gè)可編程增益放大器，所有這些器件在從模擬傳感器收集數(shù)據(jù)時(shí)都非常有用。

MSP430FR6047 配有一個(gè) 32 位硬件乘法器以及一個(gè)低功耗加速器 (LEA) 信號(hào)處理內(nèi)核，能夠獨(dú)立于 MSP430 內(nèi)核執(zhí)行 256 點(diǎn) FFT 計(jì)算。LEA 可加速低功耗應(yīng)用的信號(hào)處理，從而延長電池壽命。

MSP430FR6047 具有極低功耗，即使在 8 位和 16 位微控制器（已經(jīng)是低功耗器件）的環(huán)境中也是如此。在運(yùn)行 MSP430 16 位內(nèi)核和外設(shè)的情況下，該微控制器的電流消耗只有 120 微安每兆赫 (μA/MHz)。在 RTC 運(yùn)行的待機(jī)模式下僅消耗 450 納安 (nA) 電流。此微控制器還具有僅耗電 30 nA 的關(guān)斷模式，但關(guān)斷模式需要關(guān)閉實(shí)時(shí)時(shí)鐘 (RTC)，因此不建議對(duì) LoRaWAN 端點(diǎn)使用關(guān)斷模式。

使用 FRAM 進(jìn)行 FUOTA 設(shè)計(jì)

對(duì)于 MSP430FR6047 固件開發(fā)，可以使用 EVM430-FR6047 評(píng)估板。該評(píng)估板采用 USB 供電，含有評(píng)估應(yīng)用中 MSP430 所需的所有硬件，并且配有用于 BoosterPack? 模塊的連接器，可為此電路板添加其他功能。該電路板上還有用于連接傳感器的其他引腳。

圖 3：Texas Instruments 用于 MSP430FR6047 的 EVM430-FR6047 評(píng)估板配有 LCD 顯示屏，且可訪問 MSP430FR6047 上的所有引腳。（圖片來源：Texas Instruments）

為評(píng)估和開發(fā) SX1262，Semtech 提供了 SX1262MB2CAS LoRa MBED 盾板（圖 4）。

圖 4：用于 SX1262 的 Semtech MBED 盾板是一塊包含 SX1262 射頻收發(fā)器的簡單評(píng)估板。（圖片來源：Semtech）

MSP430 BoosterPack 連接器提供了將 MSP430 連接到 Semtech SX1262 MBED 盾板所需的所有必要信號(hào)。BoosterPack 連接器具有四個(gè)必要的 SPI 引腳，以及三個(gè)額外的 GPIO 引腳，這些引腳既可配置為 MSP430 的輪詢輸入，也可配置為外部中斷。如果還需要一個(gè)外部中斷，則可將 BoosterPack 連接器上的四個(gè)引腳連接到其中一個(gè) MSP430 UART。這些 UART 引腳可配置為 GPIO 或 MBED 盾板的外部中斷。雖然 BoosterPack 和 MBED 盾板物理引腳不兼容，但它們可以很容易進(jìn)行跳線連接，從而實(shí)現(xiàn) MSP430 和 SX1262 之間的必要連接。

此外，Texas Instruments 還提供 Code Composer Studio?，這是一種支持 MSP430 代碼編寫和調(diào)試的 IDE。

總結(jié)

LoRa 已經(jīng)成為傳輸物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)的流行標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)擴(kuò)展納入 FUOTA，為長電池壽命帶來了新挑戰(zhàn)。通過選擇基于 FRAM（而不是基于閃存）的微控制器，設(shè)計(jì)人員可以大幅降低將這些設(shè)備存儲(chǔ)器的更新寫入所需的功率。

此外，如上所示，選擇微控制器變得愈發(fā)重要，不但要為應(yīng)用提供足夠的處理能力，還要盡量減少電池消耗。