一文讀懂LPWA技術應用和組網(wǎng)器件選擇

物聯(lián)網(wǎng)作為一個新的網(wǎng)絡場景讓“舊”的網(wǎng)絡通信技術很不適應，不管是傳統(tǒng)的近距離無線接入技術和移動蜂窩網(wǎng)技術，都暴露出明顯的不足，研發(fā)一種新的網(wǎng)絡技術迫在眉睫。LPWA(Low Power Wide Area，低功耗廣域)技術就是在這樣的大背景下誕生的。

LPWA市場增長趨勢

LPWA能夠在物聯(lián)網(wǎng)時代被廣泛接受有其自身優(yōu)勢。第一，LPWA技術能夠實現(xiàn)高數(shù)據(jù)量接入，以NB-IoT舉例，其網(wǎng)絡接入容量是當前無線網(wǎng)絡技術的近百倍;第二，LPWA技術能夠實現(xiàn)超低功耗，物聯(lián)網(wǎng)設備應用場景復雜，很多地方不可能做到電源頻繁更替，在電池技術難以突破的情況下，低功耗的特性彌足珍貴;第三，LPWA技術能夠實現(xiàn)深度覆蓋，我們都知道廣域物聯(lián)網(wǎng)的眾多接入技術都提升了功率譜密度，增強了網(wǎng)絡的覆蓋深度，NB-IoT比LTE提升了20dB增益，覆蓋能力也加強了近百倍;第四，LPWA技術能夠實現(xiàn)低成本，國際運營商推崇的eMTC模組成本小于10美元，基于蜂窩網(wǎng)絡的NB-IoT成本更是在5美元以下。據(jù)了解，當前一個2G物聯(lián)網(wǎng)通信模組的成本是20元人民幣左右，設備商對此表示，當LPWA技術普及之后，NB-IoT可率先達到和超越這個水平，低成本是部署物聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)選擇LPWA技術的重要原因。

物聯(lián)網(wǎng)大致包含三個應用場景：低時延、高可靠性業(yè)務，中等需求類業(yè)務以及LPWA業(yè)務。我們剛剛梳理了LPWA技術的優(yōu)勢，可以得出LPWA業(yè)務的主要特征包括低功耗、低成本、低吞吐率、要求廣覆蓋且所涉終端數(shù)量巨大。因此，LPWA技術最適合兩種類型的物聯(lián)網(wǎng)應用場景，一類是位置固定的、密度相對集中的場景，雖然現(xiàn)在蜂窩網(wǎng)絡已應用于這些領域，但信號穿透問題一直是其短板;另一類是長距離的，需要電池供電的應用，蜂窩網(wǎng)絡也在這些方面有所涉及，但由于高功耗問題無法解決都無功而返。

2017年12月，IHS Markit發(fā)布了《低功耗廣域中期市場更新報告 - 2017》，預測到2021年，全球公共低功率廣域(LPWA)連接預計將達到10億以上 。由于在物聯(lián)網(wǎng)設備中需要低功耗無線網(wǎng)絡技術，從2014年到2021年的復合年增長率(CAGR)將達206%。幾乎所有的芯片廠商、設備商、電信運營商和企業(yè)等都將 LPWA技術看作是公司物聯(lián)網(wǎng)的重要戰(zhàn)略布局。

基于我們討論的LPWA應用場景的特點，LPWA技術主要面向的市場包括：智能抄表、智能停車、資產(chǎn)追蹤、智慧醫(yī)療和倉儲管理等應用領域。

我們以智慧醫(yī)療舉例。當下，醫(yī)生、器械和患者在大多時間需要處于同一空間下才能做診斷，在沒有聯(lián)網(wǎng)的情況下，大多時間只能讓患者先跑腿到醫(yī)院，醫(yī)生才能根據(jù)病人的描述和各種體液、器官等檢測報告來診斷病情。而通過設備和LPWA網(wǎng)絡的結合，可以很好地解決看病耗時費力的現(xiàn)狀。設備廠商可以將數(shù)字聽診器、血糖儀、血壓計等設備集成在一起，患者在家里佩戴儀器診斷上傳，然后LPWA網(wǎng)絡可以將診斷信息傳送到數(shù)據(jù)中心和醫(yī)生客戶端，對患者進行實時診斷。

智慧醫(yī)療

雖然和WiFi、藍牙等通信技術的應用場景不同，但LPWA應用仍然屬于物聯(lián)網(wǎng)領域，應用系統(tǒng)無外乎是感知層、網(wǎng)絡層和應用層三部分組成。

物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)

首先是感知層，傳感器是物聯(lián)網(wǎng)感知層重要的組成部件。據(jù)市場研究機構IDC 預測，到2020 年，數(shù)以百億計的傳感器將時刻采集生活和生產(chǎn)中的壓力、光照、溫度、脈搏等信息，為我們的世界構建一張龐大的、交叉的感知網(wǎng)絡。

全球知名半導體制造商ROHM擁有豐富的傳感器產(chǎn)品：

·地磁傳感器

3軸磁傳感器，它采用了磁阻抗(MI)元件來檢測磁場，以及一個小型封裝的控制IC。與傳統(tǒng)方法相比，MI傳感器具有明顯較低的電流消耗和噪音，不僅適用于標準ecompass應用，還適用于要求更高精度的設備。

·霍爾系列傳感器

ROHM的磁性開關用霍爾IC系列/滾輪鍵，軌跡球用霍爾IC最適用于檢測開關及滑動動作。

·照度傳感器

ROHM照度傳感器IC具備近似于人類視覺的光學特性，它通過顯示器背光燈的自動調(diào)光功能，實現(xiàn)了整機的低功耗，提升了可視性。

·顏色傳感器

檢測光的色彩成分(RGB)，將其轉換為數(shù)字數(shù)據(jù)的ROHM顏色傳感器IC。具有高靈敏度，大檢測范圍，優(yōu)異的紅外光去除特性，因此可輕松，高精度地獲取環(huán)境光線的照度和色溫。最適用于根據(jù)環(huán)境光的照度，色溫調(diào)整電視，手機，平板電腦等液晶背光的應用。

·氣壓傳感器

ROHM的氣壓傳感器是壓電電阻式氣壓傳感器。在IC內(nèi)部進行溫度補償處理，可輕松獲取高精度的氣壓信息。最適于檢測智能手機和平板電腦等室內(nèi)導航系統(tǒng)的高度，以及檢測運動量監(jiān)測器，可穿戴式設備等的高低差。

上述ROHM傳感器產(chǎn)品均帶有ROHM傳感器評估套件與Arduino Uno和mbed兼容。除此，在脈搏、溫度、人體感應和紅外等應用領域，你也可以在ROHM找到適合你的解決方案。

由于LPWA應用場景豐富多變，傳感器作為核心應用部件不能過于死板和單一，需要具備靈活的可擴展性。ROHM開發(fā)出通過Arduino及mbed 等開放平臺可輕松測量加速度、氣壓、地磁、脈搏等8種信息的傳感器擴展板——“SensorShield-EVK-003”。

ROHM “SensorShield-EVK-003”

“SensorShield-EVK-003”是支持開放平臺并已獲得高度好評的ROHM傳感器評估套件新產(chǎn)品。該產(chǎn)品將ROHM量產(chǎn)的8種傳感器產(chǎn)品分別安裝在PCB板上并與開放平臺連接用擴展板集成為套件，僅需與在全球應用廣泛的Arduino Uno等連接并嵌入軟件即可輕松構建傳感器環(huán)境。利用傳感器產(chǎn)品的評估簡單、導入容易的優(yōu)勢，可大幅縮減IoT設備等的開發(fā)工時，并可助力市場的進一步拓展。

https://www.rohm.com.cn/news-detail?news-title=2018-06-07_news_shield3&defaultGroupId=false

當然，在LPWA應用場景中，光有傳感器還不能完美地解決問題，還需要讓傳感器符合低功耗的特性，讓系統(tǒng)能夠更長時間的工作。ROHM推出的電容式控制開關可以很完美地解決這個困擾，該電容式控制IC系列作為內(nèi)置傳感器數(shù)據(jù)處理功能及應用功能的專用IC，大幅降低了主機CPU的負擔。

其次是網(wǎng)絡層，信號單元在網(wǎng)絡搭建中不可缺少。ROHM特定小功率無線模塊(Wi-SUN模塊)受到了市場的廣泛認可，其使用的920HMz頻段不容易引起與以往無線之間的電波干擾，功耗低，且可實現(xiàn)長距離數(shù)據(jù)通信的電波頻段。與ZigBee、Bluetooth使用的2.4GHz相比，電波的迂回特性優(yōu)異，即使在存在墻壁或障礙物的場所，也能確保穩(wěn)定的通信。并且，已在美國、中國、韓國和澳大利亞等國使用，歐洲也在考慮使用。正成為全球通用的頻段，預計今后市場前景越發(fā)廣闊。

最后是應用層面，需要用戶按照自己的應用場景和需求做定制性的開發(fā)，將網(wǎng)絡層、感知層和具體的應用場景結合起來。

此外，不管是感知層，還是網(wǎng)絡層，亦或者是應用終端，LPWA應用對于電池的使用時長要求是極高的，高效能的電源管理產(chǎn)品非常重要。ROHM的電源管理IC包括線性調(diào)節(jié)器、開關調(diào)節(jié)器、電源管理開關IC、系統(tǒng)電源等多個品種，當前官方售賣的就有84種之多。其中，AC/DC控制用IC實現(xiàn)了高效化和小型化，還備有減少輕負載時的功耗，內(nèi)置POWER MOS的小型產(chǎn)品，且內(nèi)置豐富的保護電路和低噪音功能。DC/DC轉換器具有效率高、外置元器件少、輸出開關內(nèi)置、功能多、貼裝方便等特點?？梢哉f，具備寬廣電壓范圍的ROHMAC/DC轉換器是LPWA領域的優(yōu)質選擇。