LoRa是Semtech公司的一种扩频调制技术，与常见的FSK调制方式相比，LoRa的扩频调制大大提高了系统的灵敏度，能够在同样的发射功率下传输得更远。近几年随着物联网行业的发展，LoRa越来越受到行业的关注，LoRaWan是以LoRa通信为基础，实现远距离通信网络设计的一套通讯协议和系统架构。

本次评测的是学蠡科技推出的LoRaWan工业级评估开发套件。该套件符合标准的LoRaWan协议，可用于快速学习LoRaWan的技术框架，使用流程，以及直接进行二次开发。

LoRaWan工业级评估开发套件

开箱全家福

该套件采用核心板+底板+模块的设计，可以看到网关套件使用了树莓派3计算模块作为核心板，网关的LoRa射频部分做成了一个单独的模块，模块使用标准SODIMM和mini-PCIE插座，方便进行二次开发和方案验证。

套件主要资源：

硬件分析

网关主板

网关评估板的底板上从左到右依次是电源接口，POE以太网接口，USB，HDMI，4G天线（需要4G模块，选配），LoRa天线，GPS天线接口，在另一边还有一条40PIN的2.54插针，基本覆盖了工业现场需要用到的接口，三个USB接口和40PIN扩展IO也为评估套件留下了可扩展的空间。

底板接口

网关主板使用的树莓派CM3计算模块（Raspberry Compute Module 3），该计算模块包含一颗ARM处理器和RAM，闪存芯片，通过标准SODIMM 200Pin引脚引出USB，SPI，IIC,HDMI和GPIO等接口，处理使用的是博通公司（Broadcom Corporation）的64位4核心1.2G主频ARMCortex-A53处理器，该模块简化了工程师开发应用产品的流程，无需关注处理器复杂的接口设计，内存高速信号的布线，只需要将精力集中在自己的系统上设计需要的接口和应用软件，这将大大缩短硬件的开发周期，降低设计难度和风险。

RaspberryCM3模块

树莓派使用的系统为基于Debian发行版的linux，支持大量开源软件，我们熟悉的ubuntu系统也是基于Debian发行版的linux。安装大部分的开源软件我们都可以像在ubuntu下一样使用apt-get命令来安装，例如我们想在网关上安装mysql数据库，需要做的只是输入命令sudo apt-get install mysql-server，剩下的工作就是等待安装完成。

CM3模块有两个版本，一种是标准版，另一种是Lite版，两种的区别是标准板上带4G eMMC Flash,无需额外的存储器，而lite版不带存储器，需要外接tf卡存储系统固件，学蠡科技的LoRaWan网关评估套件上带的是标准版CM3模块，但在模块插槽边上可见一个没有焊接的TF卡插座，如有需要也是能使用lite版模块的。

网关评估板上的网关部分独立做成了模块，使用标准的MINI-PCIE接口，模块上包含了一片SX1301基带芯片和两片SX1255射频前端芯片。射频发射路径可见一颗声表带通滤波器和一颗功率放大芯片，发射信号从芯片出来后首先经过滤波器滤除工作带宽以外的信号，再送到功率放大器放大后发射出去，该结构可以降低射频部分的带外发射，降低对附近频段设备的干扰。接收路径有一颗低噪声放大器和两颗声表滤波器，分布在低噪声放大器的前面和后面，接收到的信号首先经过滤波器滤除无关频段的信号，再经过低噪声放大器将接收到的信号进行一次放大，放大后的信号再经过一次滤波器，最后有用的信号到达射频前端芯片进行采样，多次处理提高了接收端的信噪比使之在存在一定干扰的环境下也能有优秀的接收能力。

网关模块

SX1301是LoRaWan评估套件的重点，其拥有高达-142.5dBm的灵敏度，自适应速率，49个虚拟通道，10个并行解调路径，10个并行解调路径是重点，这10个通道可以独立设置频率，有8个解调器是固定125KHz带宽，一个通道支持125 Khz、250 Khz和500Khz。一个通道使用FSK收发信号，这样的设计让网关能够同时接收8个节点的数据，同时使用一个高速通道和附近的网关通信，这是为众多无线节点提供接入服务器的基础。

评估板电源可由电源接口或POE提供，这也是该套件的一大亮点。在实际生产环境中，物联网网关都是放在铁塔或屋顶等高处，而这些地方往往都很难取到220V电源，如果将低压直流通过长线牵到高处，一来势必增加引入系统的干扰，降低系统稳定性，二来额外增加的电源线需要避雷措施，从而增加了安装的复杂度和稳定性。POE供电能从标准的POE交换机上通过网线取到48V电源，而目前市面上的商用POE交换机普遍具有防雷措施，从而减小了安装布线的难度。

电源输入端和网络接口处配置了气体放电管和压敏电阻，气体放电管在通信设备防雷保护中有着广泛的应用，能够保护设备在遭受雷击的时候通过气体放电管泄放掉瞬间产生的高压和大电流；压敏电阻是一种非线性器件，当压敏电阻两端的电压超过标称值的时候，压敏电阻的电阻值会迅速降低，当电路受到超过额定电压的冲击时，压敏电阻能够通过降低自身电阻提供电流通路的方式来保护后面的电路。

POE与一次降压供电部分

电源输入处使用了一片德州仪器DCDC降压芯片TPS54360，根据datasheet描述，该芯片最大输入电压为60V，而POE标称电压是48V，可以猜测POE供电模块输出就是48V，然后通过TPS54360降压到5V。套件配套的开关电源是12V，在电源输入端口后和POE模块附近可见大电流二极管，可防止同时插入POE交换机和外接电源后电流倒灌烧坏设备。

第一级DCDC降压后，为核心板供电的是一片电源管理芯片PAM2306KE，该芯片最高转换效率可达96%。

电源管理芯片

USB接口与以太网是通过树莓派的USB接口，使用一片LAN9514（散热片下）扩展出来的，LAN9514是一片高度集成化的HUB芯片，仅需要少量的外部器件便可工作，在树莓派的linux中已经集成了该芯片的驱动，因此可以很简单的就扩展出USB接口和以太网接口。该HUB芯片能提供四个USB 2.0。口和一个10/100M自适应以太网接口。

在以太网接口后有两粒气体放电管和两粒压敏电阻，为在恶劣的工业现场环境工作的后级电路提供完善的电气保护。

USB接口和以太网接口

MAX485是目前工业现场使用最多的总线系统，工业上常用的如MODBUS，Profibus等协议的物理层都是485总线，485总线贯穿了工业现场的控制和数据采集，是目前工业现场出场率最高的总线，而这款开发套件作为定位于工业级的产品，除了要有工业级的接口保护措施，还需要有工业现场需要的接口功能。

在该套件中提供RS485接口的是MAX485接口芯片，MAX485是美信公司推出的一款定位于工业现场的RS485接口芯片，其最大接口速率为2.5Mbps，作为工业级的芯片，MAX485能提供15千伏静电防护能力，避免生产线上诸如布匹，塑料膜之类的产品或者人体触摸产生的静电放电对设备造成的损坏。MAX485同时具有高达80V的故障电压耐受能力，在该套件接口电路上，额外还使用了三颗大电流TVS瞬态二极管，为瞬间的高电压脉冲提供释放路径。

RS485接口

网关评估板最右边的三个SMA接口分别是4G天线，LoRa网关天线，GPS天线，4G模块为可选件，可以在没有有线网络和Wifi的地方为网关提供接入网络的能力；GPS天线连接到了板上的GPS模块，套件底板上有一枚ublox GPS模块，为网关提供精确的时钟基准。在LoRaWan的ClassB类型节点中，节点是有发送时间窗和接收时间窗的，在时间窗以外设备都处于低功耗状态以延长电池寿命，如果要向一个ClassB节点发送信息，网关需要精确知道这个设备会什么时候醒来，这个精确的时钟参考就来自于GPS的PPS信号，GPS的PPS信号来源于GPS卫星上的高精度时钟，因此时间精度非常高。

SMA天线接口

GPS模块

网关评估板上还有一个40PIN扩展接口，其电源和部分引脚兼容了树莓派二代和三代接口，引脚标号如图。

40Pin扩展接口

带底板节点评估模块

套件中附带了三块节点模组，一块模块已经焊接在测试底板上，另外两块是邮票封装模组。模组上使用的是意法半导体公司的STM32L系列低功耗处理器与SX1278LoRa射频芯片，标称待机电流可低至1.8uA。
套件中另外两块邮票封装的LPMD003具有非常小的尺寸，长宽仅为2.8cm*1.5cm，板上MCU的引脚通过邮票孔引出，非常适合系统集成与二次开发。

LPMD003模组尺寸

硬件模组合照

软件和资源

成熟稳定的模组能够加快硬件研发的进度，如果再有一套完善详尽的参考例程，那就能极大地加快应用软件的研发进度，这套工业级评估开发套件除了说明书，使用手册外，也提供了网关部分和节点部分的完整程序。

上电与参数测试

12V外接电源供电启动毫无悬念，本次直接使用支持POE功能的交换机来为评估板供电，HDMI接口插上显示器，POE以太网连接上以后，评估板就开始从交换机取电，树莓派的启动界面就出现了。
在这里需要大家注意，射频设备上电前一定要先连接好天线，否则容易损坏射频前端电路，套件中配套有网关的玻璃钢天线和节点的弹簧天线，这里为了方便接下来的测试，笔者是直接将网关天线接口连接在测试仪器上的。

启动界面

在物联网关的应用场景中一般是不需要显示器的，显示器的目的是在调试过程中能看到启动信息，确认系统启动完成后，在路由器的客户端列表中找到评估板的IP地址，就可以用终端软件登录了。按照手册给出的步骤和用户名密码，成功登录linux系统，并查看两个已经安装好的LoRaWan相关服务，确认服务正常。

ssh登录评估板

在上面的操作中完成了登录和服务状态检查后，可以使用浏览器访问http://192.168.1.100:8080访问管理页面，用户名admin，密码admin，这里192.168.1.100是笔者这里的IP，如看到如下界面，说明网关工作正常

网关管理页面

接下来连接节点并测试入网通信，将套件中带底板的节点模块通过USB线连接电脑，装好串口驱动后，在设备管理器中就会多出一个串口，记下串口号，打开附送的资料中的串口调试工具，按下板上的复位键后，可以看到节点的基本信息，这些配置信息的含义将在下次介绍LoRaWan开发过程的时候详细讲解。

节点启动信息

在刚才网关的管理页面中左边菜单选择nodes，进入节点管理页面，在右边上方找到create按钮，创建一个节点，节点的信息按上面启动时打印出来的信息填写，提交。

创建节点

节点添加完成后，就可以在刚才打开的串口调试助手上，通过AT命令发送数据了，数据发送到网关并受到回复后，会看到如下显示

并且web管理页面Received Frames菜单中能看到收到的帧记录。到这里节点和网关的数据就算是跑通了。

射频电路测试

射频电路是硬件设计中的一个难点，本次硬件测试重点要测试的也就是射频参数，笔者曾在淘宝上购买过不少SX1278的模块，射频性能参差不齐，有的甚至直接照搬官方参考电路的参数，有的最后出来的功率与芯片标称差了好几倍，有的射频杂散发射明显过高。
首先测试节点模块的发射情况，频谱测试使用Rohde & Schwarz的无线通信综合测试仪的频谱测试功能，使用同轴电缆将模块SMA天线端与仪器测试输入端连接，通过AT命令发送数据，得到发射频谱。

频谱显示为峰值保持模式，显示中心频率470Mhz，带宽100Mhz，乍看之下频谱还可以。但是增加显示频谱宽度，显示从10Mhz-2.7G的频率，问题出现。在一二三次谐波位置出现较大的杂散发射，笔者猜测出现谐波的原因是因为匹配电路没有做好，因为资料中并没有提供射频部分的原理图，不便进一步分析。

同时通过上面的测试，可以看到模块的发射功率是14.6dbm(28.8 mW)左右，而模块规格书上标注的是最大发射功率18dbm(63.1 mW)。因为频谱分析仪无法精确测量信号功率，我们换用射频功率计。射频功率计使用Rohde & Schwarz公司的NRVD功率计，功率探头使用带宽30Mhz-6Ghz的峰值功率计探头。

功率探头测量值14.91dBm，换算成毫瓦是31.0 mW，与手册标注的最大值18dBm（63.1 mW）有一定的距离，不过这可能是软件配置，SX1278芯片是可以配置发射功率的，但是笔者并没有在AT指令中找到可以设置发射功率的配置命令，因此功率不足不敢下定论，但是谐波发射肯定是存在的。

作为参考，放上笔者手中射频指标较好的LoRa节点模块的发射频谱和功率测试图如下所示：

网关使用同样的方式测试，但是为了让网关发送数据，我们需要使用节点发送数据包，然后测量网关的响应数据包的发射功率，为了避免节点模块的发射对测量的干扰，我们为节点的SMA天线接口接上假负载，因为LoRa有非常高的灵敏度，在一定距离内，即使接了假负载的节点发送的数据包也能被网关收到。

网关发射频谱

在前面的硬件分析中提到过，网关的射频前端有三粒声表滤波器，因此在频谱中确实可以看到，网关的发射频谱在10-2.7GHz范围内都非常干净，连一次谐波都看不到。然而观察功率，似乎网关的发射功率也有点偏低，在频谱上显示的是只有大概11.8dbm（15.1 mW）。
在网关的web管理界面中，可以配置网关的发射功率，我们先将网关的发射功率配置到手册上标注的最大发射功率25dBm，然后用功率计测试。

测试结果12.65dBm，换算成毫瓦大概18.4 mW。

为了验证结果，我们尝试在web管理界面中设置不同的发射功率，看是否生效。

首先设置发射功率0dBm（1mW），频谱图和功率计测试如下：

设置发射功率10dbm，频谱图和功率计测试如下：

设置发射功率20dBm，频谱图和功率计测试如下：

设置到25dBm以及更大，网关的最大发射功率就保持在12.65dBm附近不会再上升了。

小结

网关发射功率与标称值的差距让人有些意外，笔者猜测网关的发射功率可能是因为网关频率不在声表滤波器频带中心，经过滤波器后衰减较大。因此次测试时间有限，没有去分析工程源代码设置射频参数的地方，更详细的测试分析和开发演示请期待后续文章。

由于仪表差异性，本文中测试数据仅供参考。