RAK5166 WisLink Шлюз LoRaWAN 8-канальный RU864/EU868/IN865 SX1303 LBT GPS USB M.2 Key B&M

Модуль многоканальной базовой станции RAK5166 для сетей LPWAN собран на обновлённом поколении радиочастотных сигнальных чипов Semtech SX1303. Выбранный производителем в качестве основы, чип SX1303, также как и предшественник SX1302, обрабатывает бóльший объём трафика, работает на пониженном энергопотреблении и имеет меньшее тепловыделение (в отличии от аналогов Semtech SX1301 и Semtech SX1308). Модуль RAK5166 предоставляет возможность быстрой и лёгкой интеграции полноценного аппаратного шлюза LPWAN не только в существующие модели маршрутизаторов, но и в любое другое сетевое оборудование, совместимое с технологией LoRa. RAK5166 спроектирован в современном компактном формате Mini PCIe, благодаря которому модуль может быть установлен в любые встраиваемые системы, оснащённые соответствующим слотом mini-PCIe, и поддерживающие обмен данными по универсальному последовательному интерфейсу USB. В дополнение к главному LPWAN-функционалу, в схему RAK5166 добавлен чип приёмника U-blox ZOE-M8Q GPS, расширяющий возможности модуля функционалом глобального спутникового позиционирования GNSS.

В чипе SX1303 используется механика адаптивного протокола LBT, Listen Before Talk (Transmit) - перед началом сеанса трансляции в безлицензионном диапазоне, параллельно с другими использующими его системами вещания WiFi или LTE, приёмопередатчик осуществляет поиск сетевого устройства и оценивает доступность каналов передачи, динамически подстраивая собственные сеансы связи под эфирную загруженность рабочей частоты. В радиочастотном процессоре SX1303 впервые реализована технология Fine Timestamp, раскрывающая новый подход к внутрисетевой геолокации узлов без применения энергопотребляющих GPS-приёмников. Fine Timestamp представляет алгоритм расчёта расстояния, с точностью до наносекунды (Time Difference of Arrival) основываясь на разнице во времени, возникающей в процессе пересылки пакетов информации между конечными терминалами и промежуточными базовыми станциями.

Сетевой шлюз RAK5166 представляет собой исключительное, всеобъемлющее и экономичное решение, обеспечивающее до 10 программируемых параллельных путей демодуляции, 8 х 8-канальный детектор пакетов LoRa, 8х LoRa SF5-SF12 демодуляторов и 8х LoRa SF5-SF10 демодуляторов. Он способен обнаруживать непрерывную комбинацию пакетов на 8 различных спектрах расширения и 10 каналах, может постоянно демодулировать до 16 пакетов. Модуль хорошо подходит для приложений Интернета вещей (IoT), требующих плотности до 500 узлов на км² в среде с умеренными помехами.

Ключевые особенности

• Дизайн основан на форм-факторе PCI Express M.2 Type 3042 с двойной меткой ключей Key-B и Key-M
• Радиочастотный процессор SX1303 эмулирует 8 х 8 канальных детекторов пакетов LoRa
• 8 демодуляторов спектра SF5 - SF12
• 8 демодуляторов спектра SF5 - SF10
• Высокоскоростной 125/250/500 кГц демодулятор LoRa
• (G) FSK демодулятор
• Форм-фактор M.2 3042 Key B&M с питанием 3.3В
• Совместимость с модулями PCIe WWAN М.2
• Мощность передатчика (Tx) до 27дБм, чувствительность приёмника (Rx) до -139дБм с коэффициентом расширения SF12, ширина канала (Bandwidth) 125кГц
• Совместимость со спецификацией LoRaWAN 1.0.2
• Поддержка глобального безлицензионного диапазона RU864/EU868/IN865
• Технология прослушивания каналов в режиме передачи Listen Befor Talk
• Опция точного датирования пакетов Fine Timestamp
• Встроенный GPS-модуль ZOE-M8Q

Технические характеристики

• Питание: 3.0 ~ 3.6В (типовое 3.3В)
• Напряжение логики: -0.3В ~ 3.6В
• Модель и версия: RAK5166-210 ver.A USB+GPS+LBT (SKU: 515028)
• Энергопотребление
  • Приём сигнала Rx (Tx отключен): 70-101мА
  • Передача сигнала Tx (мощность Tx 27дБм, питание 3.3В): 511-513мА
• Соединительный коннектор: M.2 (Key B + Key M) 
• Интерфейсы: UART, I2C, USB
• Интерфейс антенны: 2 разъёма MHF4 iPEX для антенн LoRa и GPS
• КНСВ антенны, маск: 10:1
• Размеры: 42 х 30 (±0.2мм)
• Рабочая температура: -40°C ~ +85°C
• Вес: 5.8 г.

Комплектация

• 1x Модуль базовой станции RAK5166-210 WisLink LPWAN RU864/EU868/IN865
• 1x iPEX GPS антенна
• 1x iPEX LoRa антенна

Внешний вид платы LPWAN-концентратора RAK5166

Компактность базовой станции RAK5166 LPWAN предусматривает возможность интеграции модуля даже в такие системы, для которых характеристики веса и величина размеров являются основными. Дизайн RAK5166 разработан с учётом форм-фактора PCI Express M.2 Type 3042, поэтому он легко может быть частью продуктов и совместим со стандартами, позволяющих использование карт толщиной не менее 3.7 мм. Плата имеет два коннектора MHF4 I\iPEX для внешней антенны LoRa и GNSS, и типовой 75-контактный торцевой разъём M.2 с двумя метками Key-B и Key-M.

Блок-схема устройства

RAK5166 укомплектован одним чипом SX1303 и двумя SX1250. Главный чип работает с радиочастотным сигналом и одновременно является ядром устройства. Другими двумя чипами реализованы модемы LoRa и функционал обработки данных. Встроенная дополнительная схема преобразования сигналов обеспечивает совместимость со стандартом PCI Express M.2. Доступны два коннектора UFL для интеграции внешних антенн.

Источник питания

Концентратор RAK5166 должен запитываться от источника постоянного тока через контакты 3.3Vaux. Напряжение должно быть стабильным, поскольку потребляемый ток может значительно меняться во время работы, в зависимости от профиля энергопотребления микросхемы SX1303.

Интерфейс USB

В торцевом коннекторе модуля RAK5166 разведены 2 линии универсального последовательного интерфейса USB (USB_D+ и USB_D-), который предоставляет доступ к конфигурационным регистрам SX1303 через ЦПУ STM32L412KBU6. Определён только режим "ведомого" (Slave).

Интерфейсы UART и I2C

В базовую станцию RAK5166 LPWAN включена микросхема ZOE-M8Q GPS с последовательными интерфейсами UART и I2C, предоставляющими прямой доступ к GPS-модулю, и также выведены на торцевой коннектор PCIe M.2.

GPS_PPS

Шлюз RAK5166 использует вход сигнала GPS_PPS для функций временнóй отметки принятых пакетов и Fine Timestamp. Сигнал PPS не только связан внутренне с чипом SX1303, но и выведен на торцевой коннектор PCIe M.2.

Сброс устройства, RESET

Вход активного низкоуровневого сигнала Reset на карте RAK5166 применяется для сброса основного ЦПУ STM32L412KBU6. Согласно определению из спецификации SX1303, сброс радиочастотных операций SX1303 контролируется основным ЦПУ.

Антенный РЧ интерфейс

На модуле установлено два РЧ-интерфейса в виде коннекторов MHF4 iPEX с характеристикой импеданса 50 Ом. Первый РЧ-порт поддерживает эфирную передачу (Tx) и приём (Rx) сигнала LoRa, второй служит антенным интерфейсом для GPS.

Размещение и назначение контактов торцевого коннектора RAK5166 WisLink

Уровень чувствительности

Физические размеры, мм

Электрическая принципиальная схема торцевого коннектора RAK5166 USB

Модуль концентратора RAK5166 M2 спроектирован RAKwireless для SX1303. Интерфейс USB выведен на торцевой коннектор M.2, он может быть использован главным процессором приложения. Модуль работает от источника постоянного напряжения с характеристиками не менее 3.3В / 1А. На изображении ниже представлена минимальная часть схемы RAK5166.

Техническая документация

1. Спецификация SX1303 Semtech частотный процессор шлюза LoRa (англ., PDF)

Полезные ссылки

1. Улучшенная реализация отслеживания активов с функцией Fine Timestamp LoRa SX1303 (статья, портал разработчиков LoRa)