STM32WL

信息科技正开始向物联网转变,为社会数字化带来重大变革。智慧城市,智慧交通以及新能源和可再生能源计划实施,加速了物联网的工业部署;而智能家居和智能办公室推动了物联网在消费市场的快速发展。随着物联网的广泛应用,无线连接的重要性也日益增加。

无线连接是指采用无线通讯技术建立设备之间的物理连接,常见的无线通讯技术有蓝牙、Wi-Fi、NFC、ZigBee、Z-Wave、NB-IoT、LoRa、2/3/4/5G、GPS、LTE Cat-M1等等。而在物联网应用中,低功耗,高稳定,高安全和易连接等性能要求尤为重要。这与ST的产品规划相一致。

ST致力于为客户提供他们需要的安全可靠的无线连接产品和解决方案,以帮助应对他们的机遇和挑战。无线微控制器是 STM32 产品系列的一部分,其中包括BLE 5.2 和 IEEE 802.15.4 通信协议以及支持 LoRa® 的片上系统等无线物联网连接技术。我们将通过一系列的STM32W相关技术介绍文章,和大家分享ST无线连接相关解决方案。

前言

STM32WL是市场上首款可以连接LoRa低功耗广域网的系统级芯片,它继承了STM32MCU超低功耗特性,支持多种Sub-GHz调制方案。LoRa作为市场上流行的长距离物联网无线连接技术,它的应用场景一般是以标准LoRaWAN网络组网或者私有LoRa网络组网的形式呈现。STM32WL在LoRa网络应用中大多是扮演终端节点的角色。比如在LoRaWAN网络中,运行LoRaWAN协议的STM32WL终端节点可以连接专门的LoRaWAN网关进行通信。

本文将介绍私有LoRa网络中STM32WL扮演的一个新角色,即私有LoRa网关。内容涉及STM32WL基于LoRa调制技术的私有网络设计原理,介绍STM32WL如何采用时分和频分的方式搭建私有网络以实现私有LoRa网关与LoRa 传感器节点的连接以及数据传输。最后会介绍如何演示STM32CubeMonitor软件监控基于STM32WL实现的私有LoRa网络。

一、私有LoRa网络设计原理

市场上LoRa应用常见的网络架构有LoRaWAN网络和私有网络。LoRaWAN是LoRa联盟全球推广的统一协议。私有LoRa网络则是客户自己基于LoRa调制技术设计。

常见的私有LoRa网络结构有以下几种:

  • 点对点网络

  • 星状网络

  • Mesh网络

点对点网络

点对点(Point to point)通信网络是一种最简单的网络结构,在STM32WL的应用中称为PingPong模式,它是基于LoRa调制技术实现类似一主一从数据通信,是半双工通信的方式。客户可以使用点对点的通信,测试两块STM32WL板的通信距里。

“STM32WL私有LoRa网络设计原理以及演示介绍"

星状网络

星状网络结构一般是以众多节点,连接到一个网关的形式呈现,如下图:

“STM32WL私有LoRa网络设计原理以及演示介绍"

标准的LoRaWAN网络和大多私有LoRa网络都采用这种星状网络组网。STM32WL 私有LoRa网络例程也是采用这种网络结构。对比LoRaWAN网络需要采用专门的多通道LoRa网关芯片,私有LoRa网络则可以采用STM32WL 这种低成本,灵活的私有网关方案进行小型LoRa组网。使用STM32WL这类本身做终端节点的芯片做私有LoRa网关,它同时只能采用一个信道进行通信,也即是会采用固定的频率,扩频因子(SF),带宽(BW)等调制参数组合。在这种情况下,为解决私有LoRa网络需要和众多节点进行上下行通信,一般使用以下几种工作模式。

  • 普通模式

  • 定时问询模式

  • 信道升级模式

  • 同步/异步下行主动模式

普通模式

在普通工作模式下,网关和节点都采用相同的芯片(比如STM32WL),工作时都使用相同的频率,扩频因子(SF),带宽(BW)参数。网关会一直打开接收通道,等待节点的上传数据。

“STM32WL私有LoRa网络设计原理以及演示介绍"

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定时问询模式

定时问询模式,所有节点和网关跟普通模式类似,都采用相同的频率,扩频因子(SF),带宽(BW)参数。但它在网络建立时,网关会给每个节点分配一个序号以及当前的系统标准时间(确保节点时间和网关相同)。定时问询模式下,网关根据其时间表,在对应的时间与每一个节点进行通信。

“STM32WL私有LoRa网络设计原理以及演示介绍"

“STM32WL私有LoRa网络设计原理以及演示介绍"

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信道升级模式

为了解决信道容量和易受干扰问题,可以采用增加网关信道的方法,这就是信道升级模式。这种模式下可以使用多个LoRa节点,比如多个STM32WL组成一个网关。网关里的每个STM32WL工作在不同的频点。

“STM32WL私有LoRa网络设计原理以及演示介绍"

“STM32WL私有LoRa网络设计原理以及演示介绍"

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同步/异步下行主动模式

同步/异步下行主动模式是为了解决网关下行控制的实时性问题。

同步下行主动模式利用定时询问模式中的下行控制特点,要求每个节点隔一段周期时间打开接收窗口,且所有节点的接收窗口时间相同。比如每隔1s唤醒,周期性打开接收窗口。当网关需要发送下行控制命令时,只要在节点时间窗口内下发指令,节点就能收到。

异步下行主动模式,通过超长的异步下行前导码唤醒所有网络中的节点,节点唤醒后,打开接收窗口,网关发送下行控制命令给节点。

下图为异步下行主动模式通信示意图

“STM32WL私有LoRa网络设计原理以及演示介绍"

“STM32WL私有LoRa网络设计原理以及演示介绍"

同步/异步下行主动模式,因为所有节点都需要周期唤醒,对比定时问询模式的唤醒方式,功耗会有增加,但相应的提高了网关下行控制的实时性。

Mesh网络

Mesh网络即“无线网格网络”,是多跳(multi-hop)网络,具有多跳互联和网状拓扑特性。常见的Mesh网络有BLE Mesh以及Zigbee Mesh网络。在一些同时需求远距离,高速率的LoRa的应用中也会使用到Mesh技术。

“STM32WL私有LoRa网络设计原理以及演示介绍"

二、STM32WL私有LoRa网络例程

STM32Cube_FW_WL软件开发包提供的私有LoRa网络例程叫“LocalNetwork”,里面包含了STM32WL网关“LocalNetwork_Concentrator”和节点“LocalNetwork_Sensor”两个工程。开发包可以直接从ST官网STM32CubeWL下载。这个私有LoRa网络是基于一个STM32WL的网关,以及高达14个STM32WL节点组成。下面会分别对其工作原理和演示做介绍。

“STM32WL私有LoRa网络设计原理以及演示介绍"

STM32WL私有LoRa网络例程的工作原理

在STM32WL私有LoRa网络中,STM32WL网关(Concentrator)上电后处于待机状态,直到收到来自于PC端通过串口传输过来的AT指令,设置工作频率并开始Beacon广播。这里的工作频率可以通过AT指令配置为欧盟、美国、中国等区域的工作频率。而节点(Sensor),复位后会一直处于扫描模式(Scan)。它会以支持的所有的频段来扫描网关的Beacon广播, 直到找到一个有效的Beacon。当它找到了有效的Beacon,会继续侦听后续的同步(Sync)数据包,以了解网关工作的哪些时隙是空闲的。节点会选择其中一个空闲的时隙来响应网关的控制信息,并通过这个时隙传输后续节点采集的传感器数据。从上面我们可以看到网关一直在广播两种数据包,一种数据包叫Beacon ,它里面包含前导码(Preamble),子区域编号(subregion number),频率种子(frequency seed)。另一种数据包叫同步(Sync),它包含标准的前导码(Preamble)以及一些用来管理私有网络的数据。

“STM32WL私有LoRa网络设计原理以及演示介绍"

STM32WL私有LoRa网络例程通信用到了类似定时问询模式的“时分”,和信道升级模式的“频分”(只是它在一个STM32WL上配合时分来实现)。下面我们来看STM32WL私有LoRa网络例程的演示部分。

STM32WL私有LoRa网络例程演示

演示环境搭建

软件

1.从ST官网下载STM32Cube_FW_WL_V1.1.0软件开发包链接:STM32CubeWL

2. 其它软件工具:

编译器:IAR 8.50.9,

串口工具:Tera Term ,

烧录工具:STM32CubeProgrammer

监控工具:STM32CubeMonitor

硬件

4块NUCLEO-WL55JC 开发板
链接: NUCLEO-WL55JC

4 根Micro USB线

软件烧录

四块STM32WL NUCLEO-WL55JC板,选其中一块作为LoRa私有网关,烧写从ST官网下载STM32Cube_FW_WL_V1.1.0软件开发包里的LocalNetwork_Concentrator 工程软件。其余3块烧写LocalNetwork Sensor工程软件作为节点。这里可以直接使用IAR编译器烧录也可以通过STM32CubeProgrammer烧写.bin文件。

“STM32WL私有LoRa网络设计原理以及演示介绍"

使用STM32CubeMonitor监控私有网络

1.4块STM32WL NUCLEO-WL55JC板工作示意图和实物连接图如下:

“STM32WL私有LoRa网络设计原理以及演示介绍"

2.如上图示,当4块STM32WL NUCLEO-WL55JC板上电后,其中一块私有网关(Concentrator)会周期性发出Beacon 和同步信号。而其余三个节点(Sensor)会启动扫描Scan,捕捉合适的Beacon信号进行连接,连接成功后,根据分配的时隙进行数据通信,上传传感器数据到网关(Concentrator)。

3.当4块STM32WL NUCLEO-WL55JC板上电后,将网关(Concentrator)的板子通过ST Link电脑,可以使用STM32CubeMonitor工具,通过AT指令对网关进行控制管理。如下图,就是在以图形界面的方式显示三个节点(Sensor)上传的传感器数据。

“STM32WL私有LoRa网络设计原理以及演示介绍"

“STM32WL私有LoRa网络设计原理以及演示介绍"

三、总结

本文介绍了私有LoRa网络设计原理,内容包括LoRa网络的常见拓扑结构:点对点网络,星状网络和Mesh网络。其中重点介绍了常用的星状网络拓扑的四种工作模式:普通模式,定时问询模式,信道升级模式,同步/异步下行主动模式。而ST提供的STM32WL私有LoRa网络例程中,其在时隙和跳频上的应用则类似定时问询模式和信道升级模式中运行的机制。接着我们介绍了ST提供的STM32WL私有LoRa网络例程实现的原理,以及如何演示STM32CubeMonitor软件监控STM32WL私有LoRa网络的数据通信。

本文目的在于帮助大家了解私有LoRa网络工作原理,并知道如何使用STM32WL来实现小型私有LoRa网络的设计。

来源:意法半导体中国
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很多人都认为,智慧农业由互联网头部公司主导,比如阿里、京东、百度等公司,因为他们具有一流的互联网技术。然而,智慧农业真正的实践者是一线农业企业、家庭农场、农产品产区,他们在农业生产与管理中积极嫁接智慧农业的先进应用,从而帮助自身提高竞争力。

生产效率、产品品质和成本一直是智慧农业落地的三大痛点。那么,如何帮助智慧农业成功落地?

基于STM32WL 的新型割胶机器人带来颠覆性革命

配备 STM32WL 的新型割胶工业机器人正在给中国和东南亚的种植园带来一场革命。该项目由宁波中创瀚维科技有限公司(Ningbo CIHEVEA Technology CO. Ltd,以下简称 CIHEVEA) 牵头,使用 LoRa® 无线技术优化割胶操作。例如,机器人会考虑天气,选择在最佳时间割胶,并改善工作条件。由于目前人们仍在与全球疫情作斗争,智能割胶系统可以弥补工人数量的减少并改善工作条件。第一次部署后,一些橡胶园的产量增加了两倍,这证明项目取得了初步的成功。CIHEVEA 在其海南橡胶园内的20多万棵橡胶树上安装了这个创新的自动割胶机器人,提高了割胶生产率和橡胶产量。目前,CIHEVEA 正计划将试点橡胶园的数量从三个增加到十个。该公司还计划将机器人出口到印度尼西亚、泰国和马来西亚等地。

“STM32WL打造割胶黑科技,让智慧农业真正落地"

借助STM32WLE5的低功耗LoRa网络通信功能,这个智能橡胶园平台系统正在创建一个新的橡胶园生态系统,我们将告别传统的高密度、重污染、低效率的生产方式,迎来绿色环保、高效、数字化的新时代。

如何解决丢包和耗电难题?

割胶机器人主要由两部分组成:切入树的可动臂和通信模块。当 CIHEVEA 刚开始进行这个项目时,他们采用了专有的 FSK 调制方式。但是附近电力线带来的重大干扰导致大量数据包丢失。而且FSK 调制不适用于包含数千台设备的网状网络。此外,割胶机器人的应用还面临低功耗的挑战,实地应用场景需要实现单个电池持续供电一年,同时还需面对高湿度和热带风暴的威胁。

STM32中国技术支持中心帮助 CIHEVEA 找到创新解决方案,即经过各种概念验证的 STM32WL,将FSK调制更换为 LoRa 调制,最终实现了近乎完美的通信效果,几乎没有丢包现象。CIHEVEA 正在创建一个更强大的网状网络来连接所有系统。工程师之所以选择 STM32WL,还因为这款微控制器集成了多种通信协议,极大减少了板载组件数量并降低了整体功耗。此外,STM32WL 还帮助构建了一个具有安全可靠的系统,CIHEVEA 运维时可实现远程升级设计时提供了帮助。

在 CIHEVEA 割胶机器人中,意法半导体 LoRa SoC 充当高效低功耗通信枢纽和控制中心。该机器人还有两个精密电机和一系列监测温度、气压、湿度等天气状况的环境传感器。被固定在树上的STM32WLE5通过一个专用的LoRa 应用网络服务器,把传感器的数据传输到网状网关。该服务器可以在现场监测、测试、调试、协调机器人。一旦满足所有预设条件,SoC 就会启动割胶电机,执行自动割胶作业(割胶作业通常是在清晨执行)。

“STM32WL打造割胶黑科技,让智慧农业真正落地"

利用经济划算的 STM32WLE5 和 LoRa 网络,CIHEVEA 的独创解决方案将橡胶产量提高了 2-3 倍,同时大幅度降低了割胶作业对树木造成的损伤,延长胶树产期。除了可提高产量和延长资产寿命外,割胶机器人还解决了长期存在的劳动力问题,以往人工割胶是一个难度很大、危险很高的作业。

STM32WLE5 是一款超低功耗多调制无线 SoC 微控制器,集成48MHz Arm®Cortex®-M4 内核和远程 sub-GHz 射频收发器,并配有一系列经过市场检验的外设。STM32WLE5 不仅性能出色,而且封装(UFBGA)小巧,只有 5mm x 5mm 大小,兼具高成本效益和稳健性,可满足农业应用的性能要求。STM32WLEx 微控制器也是一个开放的平台,支持 LoRa®、(G)FSK、(G)MSK 和 BPSK 调制技术。

赋能现在,铸就未来

优化割胶作业

一般来说,割胶机器会在凌晨 2 点到 5 点之间作业,此时树液流动性最好。以往,整个过程需要数百名工人,而且这项工作对工人体力有很大挑战。此外,许多环境因素也会对割胶过程产生不利影响。例如,雨水会破坏树液。因此,在降雨期间割胶或收集树液是不利的。工人也会感到身体疲倦,产量也无法保证。

在现有系统到位的情况下,来自云端的消息可以告诉机器人推迟割某棵树,确保看护人无需将时间浪费在无效的收集上。 因此, CIHEVEA下一步是使用更多传感器、改进迭代软件,以进一步优化树液收集。 通过这个案例,我们对智慧农业的落地有了更深层次的理解,实现智慧农业不必非常复杂或承担高额成本,解决生产作业中的实际问题是技术落地的真实路径。ST 还与 CIHEVEA 合作,使机器人更智能、更耐用,同时降低成本,使全球更多橡胶产业能够使用这项技术。

推动可持续发展

许多公司只关注自身运营对环境的影响。而意法半导体的目标是更进一步,帮助其他人为可持续性发展做出贡献。这就是为什么我们的团队与 CIHEVEA 进行密切合作,而不是像往常一样把这类工作(例如 PCB RF 布局和组件优化)交给合作伙伴来完成。因此,割胶机器人这个案例充分体现了ST的可持续发展承诺。

事实上,如果没有小巧而精确的电源适配器、易于使用的电机控制系统、强大的传感器和一体化微控制器,就不可能实现割胶机器人这个解决方案,而 ST 能够提供所有这些类别的产品。STM32WL5和LoRa 网络是实现这个目标的理想选择。此外,我们独有的丰富的连接芯片、传感器产品和解决方案,以及大量电源管理和电机控制解决方案,也非常适合智能农场领域的各种应用,包括跟踪、灌溉系统、拖拉机、牲畜定位和健康监测。

我们深刻地认识到,可持续发展意味着与合作伙伴合作,解决对环境产生负面影响的问题。因此,意法半导体的目标是让自身的运营更具可持续性,并与业务伙伴在其应用领域进行有意义的创新,让技术为世界带来更多价值。

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本篇笔记解释了为什么客户的STM32WL Sigfox设备没办法通过Chip certificate 按AN5480描述的方法获取Sigfox 证书。

详阅请点击下载《STM32WL Sigfox设备如何获得Sigfox证书问题》

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本文档介绍如何使用STM32CubeMX创建LoRa节点的应用。

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本文档介绍了STM32 Cube 库提供的例程。

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