国内生态链企业分析

       在前面的几节,我们知道只有完整的生态系统才可以推动行业发展。在中国整个LoRa的生态各环境都有大量企业支持,包括LoRa核心硬件的芯片、模组、传感器终端、网关,以及提供平台服务的网络服务商,还有许多外围伙伴,如天线和测试设备供应商等。

一、LoRa核心硬件分析

LoRa的核心硬件包括芯片、模组、终端设备、网关(基站),这些都是一个LoRa项目中的必备组成部分。

1.LoRa芯片厂商

1)SoC芯片厂商
       前面几节已经介绍了目前企业可通过Semtech授权进行LoRa芯片开发或者直接采用Semtech晶圆做SIP级芯片开发。截至2020年初,全球只有意法半导体(ST)和阿里云IoT两家公司拿到了芯片授权,其中阿里云IoT将LoRa芯片委托翱捷科技ASR实现。Semtech公司至今只授权了一款芯片SX1262给上述两家公司,并没有授权网关芯片和其他系列芯片。其中ST公司经过多年技术开发,其LoRa产品于2020年初发布;翱捷科技由于拿到IP授权较晚,于2020年下半年发布其LoRa芯片。
 
      Semtech公司的终端节点芯片只是一个单纯的射频收发芯片,并不具有MCU的主控功能,使用时必须配合MCU主控才可以工作。产品定位主要突出LoRa的特性,客户可以根据应用的不同选择合适的MCU,由于市场上的MCU种类非常齐全,Semtech公司只需要完善几种LoRa射频收发芯片就足以支持绝大多数的LoRa应用。SoC(System  on Chip这里指MCU+LoRa)芯片的定义则不同,需要针对多个场景定义不同的存储配置等,由于物联网的应用是多样性的,其存储配置要求千差万别,SoC的产品定义就复杂很多。
       Semtech公司的优势是LoRa芯片,就利用其特长把LoRa芯片做好。针对小型化一体化的需求,把这个重任交给了知识产权授权的两家公司。针对不同的市场定位,ST公司和ASR公司的芯片都会采用SoC的形式。ST公司的低功耗MCU在全球物联网领域具有统治地位,且一 直致力于物联网SoC领域发展。ASR公司是中国半导体公司中的后起之秀,具有大量的资金支持和几百位优秀的半导体工程师,同时背靠阿里巴巴,针对国内物联网市场设计自身的SoC。ASR坚信他们最懂中国
LoRa市场,可以设计出最符合中国需求的LoRaSoC。
       图7-9所示为ST公司的LoRa芯片STM32WL框架图。这是一个资源丰富、功能强大的SoC,采用ArmCortex-M4为核心,支持最大256KBFlash存储和最大64KB的SRAM;同时支持LoRa、(G)FSK、(G)MSK、BPSK四种调制方式;其安全加密也进行了升级,提供256位AES/PKA。
       ST公司为了差异化定价和考虑成本,根据Flash和RAM大小不同制定了3种型号,如图7-10所示,分别为STM32WLE5JC、STM32WLE5JB、STM32WLE5J8,对应的Flash/RAM大小分别为256KB/64KB,128KB/48KB,64KB/20KB。运行LoRaWAN协议的终端建议选择STM32WLE5JC、STM32WLE5JB,低成本私有协议终端建议选择STM32WLE5J8。
STM32WL框图
图7-9     STM32WL框图
 
       如图7-11(a)所示,ST公司的这颗LoRa的SoC采用5×5的UFBGA封装;如图7-11(b)所示,Semtech公司的SX1262芯片的封装是4mm×4mmQFN封装。ST的芯片在增加如此多功能和配置后,其芯片边长只增加了1mm,ST公司芯片开发能力可见一斑。
       STM32WL这款芯片可以说是一款集成度非常高的芯片。其优点不言而喻,首先整个电路占用PCB的面积减小50%以上。尤其是在智能家居等小型化应用中,原来无法解决的尺寸问题得到解决;其次是芯片管理上,由于采用SoC模式,原有MCU对LoRa芯片的控制部分变为其内部控制管理,其指令精简和管理复杂度的优势也体现出来。同样外围器件也可以减少很多(原有MCU和LoRa芯片的许多器件可以复用)。可以说ST的这款芯片对于中国LoRa的生态发展是具有促进作用的,填补了许多空白。
STM32WL轮廓图
图7-10   STM32WL轮廓图(数据手册截图)
 STM32WL封装
SX1262封装
图7-11      STM32WL与SX1262封装对比图
2)SIP芯片厂商
 
       SoC的另外一种实现方式,是将MCU和LoRa芯片的裸片封装在同一个芯片外壳内。从外部看就是一颗芯片,这种技术叫作SIP封装技术。SIP封装(SysteminaPackage,系统级封装)是将多种功能芯片,包括处理器、存储器等功能芯片集成在一个封装内,从而实现一个基本完整的功能,与SoC(SystemonaChip,系统级芯片)相对应。它们的不同点在于SIP是多个晶圆采用并排或堆叠的方式封装成的芯片,而SoC则是高度集成的单晶圆芯片产品。
       虽然SIP的方法不如标准SoC的方案集成度高,但是依然可以达到小型化、安全性等目的,且投入远远小于动辄需要几百万美元开发费用的SoC。中国市场的各种订制需求:比如有的客户需要保护自己的协议或算法,封装MCU和加密芯片在SIP中;又如有的客户把整个电路器件都封装在SIP中来实现尺寸的最小化(采用全器件SIP方案的尺寸要小于STM32WL和外围电路板的尺寸),针对这些需求使用SIP芯片是一种高性价比的解决方案。
        ASR公司拿到LoRa授权后,在大力研发设计SoC的同时也在开发SIP。一款芯片设计一般需要18个月,在LoRa高速发展时期,对于ASR公司来讲时间的确有点长。因此,ASR公司在开发SoC的同时为了同步打开市场,开发了多款SIP产品,当自己的SoC完成后可以直接替换。图7-12所示为ASR公司多款SIP产品ASR650X系列。
 ASRLoRa芯片家族图
图7-12      ASRLoRa芯片家族图
 
       其ASR6505芯片内部结构如图7-13所示,采用一款ST的单片机STM8L152裸片和SX1262的裸片封装在同一颗芯片内。这就变成了类似STM32WL的一颗SIP芯片,其内部配置为64KB   Flash、4KBSRAM,2KBE2PROM。
 ASR6506电路框图
图7-13     ASR6506电路框图
       从外观看,并不能区分是一颗SoC还是SIP芯片。从用户的角度来看,不在乎是SoC还是SIP,而主要关心的是其内置、性能以及价格。
 
       来自中国台湾省的群登公司同样采用SIP的方式,提供了多款无须外围器件的LoRa芯片,如图7-14所示。一个LoRa模组所需要的所有外围器件都在芯片中,除了MCU和LoRa射频收发芯片外,还包含两颗晶振,以及射频开关和阻容器件等。这颗S76G芯片内部集成了GNSS卫星定位芯片。从外部看这就是一颗带有定位功能的LoRa芯片了。
       群登公司有多款LoRaSIP产品,如根据不同工作频率范围(中国、欧美),或是否带有定位功能分类。如图7-15所示,其中S76S是这款SIP产品与市场上常用的SX1276芯片开发的LoRa模组功能完全相同,且尺寸非常小。当然SIP的成本是要远高于PCB成本的,其灵活度对比SoC虽然高,但是对比传统的LoRa模组开发成本高几十倍。

2.模组厂商

        先做一个LoRa模组定义,其内部不带有解决方案的终端硬件最小系统称之为LoRa模组。在LoRa中国市场的生态中,最活跃且数量最多的是模组厂商,甚至可以在淘宝上买到多家模组厂商的产品。图7-16为淘宝上的LoRa卖家和产品。由于国内早期有大量的模组厂商(GPRS模组、小无线模组供应商),当其发现LoRa模组有需求后就蜂拥而至。他们的产品也都是大同小异,尤其是数传模组,只有一颗
       LoRa芯片和一些外围器件,竞争非常激烈。LoRaWAN模组的门槛虽然略高,但同样竞争激烈。
群登S76G电路框图
图7-14    群登S76G电路框图
 群登LoRa芯片家族图
图7-15    群登LoRa芯片家族图
 淘宝LoRa卖家和产品
图7-16    淘宝LoRa卖家和产品
 
在传统的LoRa模组生态中,各家公司的发展策略多有不同。
  • 有的公司一心一意把模组做好,卖向海外市场,比如深圳华普微。
  • 有的公司把产品系列丰富,支持国内多种客户,比如杭州利尔达。
  • 有的通过模组的销售带来项目的开发,比如深圳唯传。
  • 当然也有的想尽一切办法在能用的前提下降低成本。
图7-17为利尔达公司的模组支持的成功案例,几乎涉及了LoRa的所有应用方案。
 利尔达LoRa模组及案例
图7-17    利尔达LoRa模组及案例
 
       利尔达公司根据LoRa的最终需求反向定义模组,从而可以支持更多的客户。当积累到了一定阶段后,其模组的种类会增多,从而覆盖绝大多数的LoRa应用,相当于变成了一个“百货商店”。LoRa客户的需求多种多样,只要有LoRa需求,都可以去“百货商店”逛一逛。

3.终端厂商和网关厂商

       终端厂商和网关厂商的产品差异化相对模组厂商大幅提高,其同质化竞争也没有那么激烈。这些厂商中有一些过去就是从事物联网终端的,只是通信方式现在改换成了LoRa;有的曾经做集成项目的公司,根据自己的需求而定制LoRa产品;不过大多数都是新成立的看好LoRa发展的创业公司。
       针对开发者最友好的LoRa开发者终端或网关公司有Seeed和RAK。图7-18为Seeed公司的树莓派开发套件。
        图7-19所示为擅长电力领域的LoRa公司杭州罗万的产品。LoRa公司根据电网管理应用,开发了大量的LoRa网关和终端设备,其网络覆盖了多个地区。
Seeed公司的树莓派开发套件
图7-18     Seeed公司的树莓派开发套件
 杭州罗万LoRa产品
图7-19   杭州罗万LoRa产品
 
       图7-20所示为具有12大类上百种LoRa终端设备的北京博大光通公司的产品目录。该公司针对智慧城市应用开发大量的LoRa终端设备和网关。在遇到智慧城市项目时,可以从容应对各种需求。其实该公司也是在过去多年的LoRa项目和产品开发中不断积累,才有了今天这样品种繁多的产品,同时积累了大量的应用和解决方案经验。
 博大光通公司产品
图7-20    博大光通公司产品目录
 
        总的来说,LoRa的这些硬件公司都在一步一个脚印地提升和扩展自己的技术和产品,支持更多的客户和应用,从而推动LoRa生态的高速发展。

二、应用方案及平台提供商

1.大型平台公司

       国内有多家知名企业,希望能够通过LoRa的机会进入LPWAN市场,甚至有成为运营商的构想。例如,腾讯、阿里巴巴、新华三、中国铁塔、中国广电等企业都做了大量的尝试,其中最主要的要数阿里云和腾讯云的LoRa推广。

1)腾讯云

       2018年,腾讯宣布在最高层面加入了LoRa联盟,并将支持LoRaWAN生态系统的进一步发展。2019年,腾讯联合唯传科技成立合资公司腾传,该合资公司主要是配合腾讯的物联网业务需求,为腾讯提供产品研发服务,协助腾讯完成签约项目的产品交付及项目供应。通过该合资公司,目前市面上已有贴着腾讯Logo的产品,包括终端、基站、模组、接入平台等。
       腾讯LoRa网络目前已连续覆盖深圳核心城区,局部区域已实现室内深度覆盖。后续将逐步扩大到其他城市或区域。深圳南山、龙岗两区覆盖完成,覆盖规划指标为上行SF10,95%覆盖率,并且已经开放终 端和网关接入。
腾讯是国内最早的LoRa城域网络运营商之一:
  • 覆盖深圳南山、龙岗两区,共计571.5km2;
  • 建设网关近千个;
  • 稳定运行超一年;
  • 已规模化商用。
      腾讯云不仅架设运营商网络,还推出了IoT接入网络管理平台(LoRaNS),如图7-21所示,其NS平台支持超过亿级的节点接入,且稳定可靠,达到99.99%可用性。

2)阿里云

       阿里巴巴从2018年就开始在LoRa领域投入重兵,推出了包括达尔文计划、天空物联网等LoRa项目。2018年,LoRa正在开启1.0时代。2019年,阿里云提出将进入“LoRa2.0时代”,继续加大在LoRa芯片、知识产权、支撑平台上的投入,同时未来还将全力打造百亿级 LoRa连接,尽快实现LoRa的全面普及。图7-22所示为阿里巴巴云栖大会时的LoRa飞艇。
       目前,阿里关于LoRa的布局主要有以下三个方面。
(1)阿里获得Semtech的LoRa芯片的知识产权授权,在此基础上联合翱捷科技开发LoRa芯片。
腾讯LoRa核心网框架
图7-21      腾讯LoRa核心网框架
 
  Alibaba天空物联网飞艇
图7-22    Alibaba天空物联网飞艇
 Alibaba的LinkWAN服务平台
图7-23    Alibaba的LinkWAN服务平台
 
     (2)阿里云开发LinkWAN核心网管理平台。该平台是对整个LoRa的网关和节点设备进行有效管理的核心网平台。如图7-23所示为Alibaba的LinkWAN服务。该平台具有如下特点:
  • 海量接入:可以应对亿级终端接入和百万终端并发的场景。
  • 按需组网:入网只需三步非常简单,用户可以根据需求自组网。
  • 凭证分发:入网用户可以二次销售认证产品。
  • 平台API:可以直接对接客户运营平台。
  • 多种新功能:D2D协议、空中升级、OTA网关。
     (3)阿里云针对已有的LoRa网关设备和节点设备进行认证,符合阿里云认证标准的网关设备和节点设备可以接入LinkWAN核心网管理平台。图7-24所示为阿里的合作伙伴认证方案。
Alibaba的LinkWAN合作平台
图7-24      Alibaba的LinkWAN合作平台
 
       通过该认证的产品相当于进入Alibaba的生态中,所有需要该技术和产品的客户都可以从Alibaba的平台上找到你的产品。这个策略跟Alibaba做智能硬件的策略完全相同,由Alibaba指定标准和认证,大量厂商根据Alibaba的要求和目标开发产品,最后在阿里的渠道进行售卖。

2.应用解决方案公司

       在LoRa生态中有大量的应用解决方案公司,其在应用的一线,最了解客户的需求,而且也非常了解LoRa技术的优势,可以结合LoRa技术和其他技术协同解决客户问题。其产品包括核心网NS、网关、模组、终端及整套解决方案。这样的企业经常是一个一个攻克难关,并把行业经验分享到LoRa生态中,让大家少走弯路。此类型的公司基本上都可以提供全面的LoRa产品及服务,并可根据客户的需求提供整套方案或者方案中某部分产品/服务。
 
       具有这些特点的企业有不少,如深圳唯传科技、武汉慧联无限、北京门思科技、中兴克拉、杭州罗万、深圳瑞兴恒方、深圳安美通等。
        这些应用解决方案公司一般都有自己的模组,根据客户的需求,将自己的模组导入原有设备,并协助客户架设网络和应用对接,还要完成网络运维的工作。这些LoRa核心的应用解决方案公司扮演着从硬件开发商到网络平台、应用平台提供商的角色,有时候还需要扮演运营商,完成网络架设和运维工作。
图7-25所示为一个LoRa项目的核心内容。
  • 首先具备LoRa模组、终端和网关,并且有自己的LoRa的网络管理平台和应用平台,还需要具有对软硬件的深入理解,可以根据需求完成软硬件的改造。
  • 具有根据需求的模组导入功能,理解客户应用,将自身LoRa模组与客户传感器和设备连接。
  • 协助客户完成网络架设施工,并调试网络覆盖和系统稳定。
  • 对接客户应用及软件数据,完成网络维护。
LoRa项目的核心内容
图7-25      LoRa项目的核心内容
 
        图7-26所示为慧联无限公司完成的一些项目和案例。从图中可以看到,几乎主流的LoRa应用该公司都完成过,包括智能抄表、公共安全、环境监测、农业物联网和工业自动化控制等。
       可以说,每一个LoRa应用解决方案公司都是一个多面手的公司,都在无数的项目中历练和成长。正是它们的坚持和能力,解决了客户的问题,创造了LoRa的价值,它们是LoRa生态链中的中流砥柱。

三、LoRa生态外围伙伴

        在LoRa生态中有一类公司,它们并不从事LoRa的产品开发和应用,但是它们对LoRa的发展起到了很大的帮助,比如电池及电容公司、天线公司、测试设备公司等,在它们的一同努力下,LoRa的应用才可以满足市场的需求。
 
 慧联无限公司项目和案例
图7-26     

1.电池及电容公司

        电池的选型和稳定性决定了一个LoRa终端的使用情况,尤其现在LoRa的应用中需要数年稳定工作。比如,在烟感的应用中需要3年的寿命,而在水表的应用中则需要8~10年的电池寿命,它们对电池的要求非常高。常见的电池及其特性见表7-2。
表7-2    常见的电池及其特性
 
 常见的电池及其特性
       实际应用中,经常选择锂亚中倍率容量型和锂硫酰氯+超级电容的方案。LoRa长效电池基本都是采用电池配合电容的方案,要保证长效,就需要电池漏电电流小。漏电电流的大小决定工作放电的最大值,如果选择小放电电流电池方案,其放电电流无法提供足够的LoRa发射电流,这时就提出将能量先储存在超级电容中的解决方案。由于LoRa发射信号为间歇式的,电池有足够的时间缓慢给电容充电。一次数据发送后,电池再重新给电容充电,这样的方式可以提高电池寿命并有效地解决客户需求。
       图7-27所示为电池和超级电容复合电源解决方案。该方案同时具备了超级电容高脉冲大功率输出的特点和锂亚硫酰氯电池高可靠长寿命的特点。当需要大电流脉冲输出时,直接由超级电容供电;当不工作时,则锂亚硫酰氯电池以小电流给超级电容充电,使得锂亚硫酰氯电池的容量在微小电流下得以完全释放,获得电池容量的最大利用率。该方案的缺点是无法连续长时间发射LoRa信号,读者在应用中需要注意。
 复合电源示意图
图7-27   复合电源示意图
 
       低功耗LoRa终端设备最常使用的超级电容为AVX公司提供的SCCR12B105PRB,其特性为供电电压2.7V,储能电容大小为1F。长期支持LoRa生态企业的电池及电容公司有AVX(安施)、睿奕股份、松下电池等多家公司,供应商们利用自己的专业性为LoRa设备改进工艺提供高效的供电解决方案。
 

2.天线公司

LoRa的性能需要靠天线来体现,天线企业为LoRa应用提供多种低成本的天线方案。在LoRa应用中天线最主要的参数是阻抗匹配和天线增益。中国LoRa工作在470MHz频段,四分之一波长约为16cm,而 许多LoRa终端设备对于尺寸要求很高,在小尺寸很难实现良好的阻抗匹配和天线增益。同时为了降低成本一般在节点设备上采用便宜的弹簧天线最为常见。但是由于LoRa终端传感器的种类非常多,在成本控制和天线结构的双重压力下,需要天线设计厂家根据外壳和结构设计结构简单、成本低且效率高的LoRa天线。图7-28所示为几种常用的LoRa天线。
 常用LoRa天线
图7-28     常用LoRa天线
 
       大型网关一般使用玻璃钢天线,小型网关一般使用胶棒天线。终端设备一般使用弹簧天线。
       LoRa的天线供应商过去都是从事天线设计的传统公司,它们给各种无线数传模组或曾经的山寨机定制和量产天线,对于天线设计有丰富的经验。LoRa天线对比这些过去的天线相对最大的缺点是天线的频率低,天线尺寸要求较难达成,其优点是LoRa终端设备的天线预留空间尺寸相对手机等大很多,有足够的设计空间。
小型化的LoRa终端设备最好使用经过设计的LoRa天线,否则会出现设备安装后性能比预期差5~10dB的现象。总的来说LoRa天线的供应商虽然很多,但是依然是非常重要的一环。

3.测试设备公司

       LoRa产品开发和量产都需要仪器测试,LoRa测试必备的仪器是频谱仪和信号发生器。频谱仪和信号发生器是射频开发必备设备,属于通用设备,价格也比较高。生态中有大量的小公司,希望可以用更低的成本完成LoRa设备的测试,最好是可以进一步实现量产测试。LoRa专用测试设备公司为LoRa开发者提供了一套快捷且有效的研发及量产测试设备。市场上常见的LoRa专用测试设备有两家,分别是固纬电子和是德科技。
这些专用设备在开发时可以测试终端模组的发射信号以及协议分析,还可以测试终端模组的接收性能及灵敏度。同时还可以针对批量生产进行快速测试,现阶段大多数LoRa产品供应商都采用自身模组收发的方式实现量产测试,缺乏专业性。
       图7-29所示为固纬电子的测试设备。从图7-29中可以看到,该设备整合了频谱仪的TX测试功能和信号发生器的RX测试功能,且具有批量测试插槽,可以多个模组一同快速测试。
固纬电子的LoRa测试设备
 
图7-29    固纬电子的LoRa测试设备
 
        是德科技是国际知名的测试设备厂商,其主要提供传统的测试设备,如网络分析仪、频谱仪信号发生器等。在没有专用LoRa测试设备前所有的LoRa测试都是使用频谱仪加信号发生器,分别测试TX和 RX。但这样的方法是需要大量的人工操作,对于不是很熟悉LoRa的开发者很不友好。当开发者使用集成式的LoRa测试设备后,设备可以执行自动测试,开发者直接看到测试结果和测试报告,便于快速找到问题点。

小结

        LoRa生态完整,发展有序,在LoRa联盟领导下,在众多生态伙伴参与中蓬勃发展。芯片公司不断推出更有竞争力的新品,硬件厂商也在根据需求,开发新的LoRa产品,平台公司从各个领域向LoRa输送新鲜血液,加上外围生态支持,发展前途不可限量。
        对于LoRa今后的发展,笔者一直向Wi-Fi技术看齐,LoRa就是局域网的“长Wi-Fi”。开放发展的生态结合具有物联网DNA的LoRa技术定会创出更宏大的未来。

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