基于LR1120與騰訊云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)地理定位(一)：系統(tǒng)架構(gòu)與硬件準(zhǔn)備

引言

在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用中，低功耗、長(zhǎng)距離的資產(chǎn)追蹤與定位是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。傳統(tǒng)的全球定位系統(tǒng)（GPS）模塊雖然能夠提供精確的坐標(biāo)，但其較高的功耗往往成為電池供電型設(shè)備的致命短板，限制了其在物流追蹤、智慧農(nóng)業(yè)、資產(chǎn)管理等場(chǎng)景中的長(zhǎng)期應(yīng)用。為解決該問(wèn)題，LoRa Edge技術(shù)架構(gòu)被提出。它通過(guò)將定位計(jì)算的負(fù)載從終端設(shè)備轉(zhuǎn)移至云端處理，顯著降低了終端的硬件復(fù)雜度和功耗，為物聯(lián)網(wǎng)地理定位提供了一個(gè)兼顧成本、功耗與定位性能的解決方案。

該架構(gòu)的核心理念在于“端側(cè)掃描，云端解算”（Scan-on-Chip, Solve-in-Cloud）。它將定位過(guò)程中最為耗電的計(jì)算任務(wù)從終端設(shè)備剝離，轉(zhuǎn)移至云端處理。終端設(shè)備，例如搭載Semtech LR1120芯片的模塊，僅負(fù)責(zé)捕獲原始的定位“線索”，如GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）信號(hào)的導(dǎo)航電文和周?chē)鶺i-Fi接入點(diǎn)（AP）的MAC地址等信息。這些輕量級(jí)的數(shù)據(jù)通過(guò)遠(yuǎn)距離、低功耗的LoRaWAN®網(wǎng)絡(luò)傳輸至云平臺(tái)。云平臺(tái)憑借其強(qiáng)大的計(jì)算能力，結(jié)合專業(yè)的定位解算服務(wù)，最終計(jì)算出設(shè)備精確的地理位置。這種職責(zé)的轉(zhuǎn)移極大地降低了終端設(shè)備的功耗，使得依賴小型電池運(yùn)行數(shù)年的資產(chǎn)追蹤器成為可能，為大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)部署掃清了關(guān)鍵障礙。

本文旨在為工程師和解決方案開(kāi)發(fā)者提供一份全面、深入且可操作的技術(shù)指南。我們將以NiceRF公司的LoRa1120模塊（基于Semtech LR1120芯片）為硬件核心，結(jié)合意法半導(dǎo)體的STM32L476RG Nucleo開(kāi)發(fā)板作為主控單元，通過(guò)LG1301-PF LoRaWAN網(wǎng)關(guān)，一步步詳解如何將其完整接入騰訊云物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)端到端的低功耗地理定位解決方案。文章將遵循從硬件組裝、開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建、固件編譯與燒錄，到云平臺(tái)配置、數(shù)據(jù)驗(yàn)證和應(yīng)用展示的全過(guò)程，確保讀者不僅能夠成功復(fù)現(xiàn)項(xiàng)目，更能深刻理解其背后的技術(shù)原理與架構(gòu)優(yōu)勢(shì)。

系統(tǒng)架構(gòu)與硬件準(zhǔn)備

在著手軟件開(kāi)發(fā)之前，精確地搭建硬件系統(tǒng)并理解各組件的角色是項(xiàng)目成功的基礎(chǔ)。本章節(jié)將詳細(xì)闡述構(gòu)成此地理定位解決方案的各個(gè)核心組件，并提供明確的硬件連接指南，以避免在后續(xù)調(diào)試中因物理連接錯(cuò)誤而產(chǎn)生不必要的問(wèn)題。

核心組件概述

本解決方案的系統(tǒng)架構(gòu)由四個(gè)關(guān)鍵部分組成：終端節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、云平臺(tái)以及它們之間的交互關(guān)系。

（系統(tǒng)架構(gòu)圖，展示了LR1120如何從Wi-Fi和GNSS收集數(shù)據(jù)，并通過(guò)LoRaWAN網(wǎng)關(guān)將其傳輸?shù)津v訊云平臺(tái)進(jìn)行應(yīng)用集成）

• 終端節(jié)點(diǎn) (End Node):這是部署在現(xiàn)場(chǎng)的物理設(shè)備，負(fù)責(zé)采集定位數(shù)據(jù)并將其發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)。
  • NiceRF LoRa1120 模塊:作為系統(tǒng)的感知核心，該模塊基于Semtech LR1120芯片構(gòu)建。其關(guān)鍵特性包括：
    • 多頻段射頻通信:支持Sub-GHz（如433/470/868/915 MHz）、2.4 GHz ISM頻段以及用于衛(wèi)星通信的S頻段，提供了極大的通信靈活性。
    • 低功耗掃描器:集成了GNSS（支持GPS/北斗）掃描功能和無(wú)源Wi-Fi MAC地址掃描功能。它不進(jìn)行本地位置解算，僅捕獲原始數(shù)據(jù)，這是實(shí)現(xiàn)超低功耗的關(guān)鍵。
    • 協(xié)議兼容性:物理層設(shè)計(jì)符合LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)，確保了與標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的互操作性。

（LR1120芯片內(nèi)部框圖，展示射頻路徑和關(guān)鍵組件）

• STM32L476RG Nucleo-64 開(kāi)發(fā)板:扮演主控制器（MCU）的角色。它通過(guò)SPI（串行外設(shè)接口）與LR1120模塊通信，負(fù)責(zé)運(yùn)行主要的應(yīng)用程序邏輯。在本案例中，它將運(yùn)行Semtech提供的LoRa Basics™ Modem（LBM）協(xié)議棧，該協(xié)議棧封裝了LoRaWAN通信和定位數(shù)據(jù)采集的復(fù)雜性。

• 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施 (Network Infrastructure):
  • LG1301-PF LoRaWAN 網(wǎng)關(guān):作為終端節(jié)點(diǎn)與云平臺(tái)之間的橋梁。它接收來(lái)自LR1120節(jié)點(diǎn)的LoRa射頻數(shù)據(jù)包，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的IP網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)或Wi-Fi）將其轉(zhuǎn)發(fā)到云端的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)本身不解析數(shù)據(jù)內(nèi)容，僅作為數(shù)據(jù)包的“搬運(yùn)工”。

• 云平臺(tái) (Cloud Platform):
  • 騰訊云物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái) (Tencent Cloud IoT Explorer):在本架構(gòu)中承擔(dān)了多重角色，是整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”。
    • LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器 (LNS):負(fù)責(zé)管理整個(gè)LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)，包括網(wǎng)關(guān)連接、終端節(jié)點(diǎn)的空中激活（OTAA）、數(shù)據(jù)速率的自適應(yīng)調(diào)整（ADR）以及上下行數(shù)據(jù)包的路由。
    • LoRaWAN 應(yīng)用服務(wù)器 (AS):接收由LNS轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的應(yīng)用數(shù)據(jù)，并進(jìn)行解密和解碼。
    • LoRa Edge™ 地理定位解算服務(wù):這是實(shí)現(xiàn)本方案的核心增值服務(wù)。當(dāng)平臺(tái)接收到來(lái)自LR1120節(jié)點(diǎn)的GNSS和Wi-Fi掃描數(shù)據(jù)后，會(huì)自動(dòng)調(diào)用該服務(wù)，將其解算為標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)。

硬件組裝與連接

正確的物理連接是確保MCU與LR1120模塊正常通信的前提。在進(jìn)行連接前，可以參考模塊的引腳定義和典型應(yīng)用電路，以獲得更清晰的理解。

（NiceRF LoRa1120模塊的引腳編號(hào)定義）

（LoRa1120模塊與主控MCU的典型應(yīng)用電路圖）

請(qǐng)嚴(yán)格按照下表進(jìn)行接線。錯(cuò)誤的連接可能導(dǎo)致通信失敗甚至損壞硬件。

表 1: LR1120模塊與STM32L476RG Nucleo-64開(kāi)發(fā)板硬件連接引腳映射

（STM32L476RG Nucleo-64開(kāi)發(fā)板引腳布局圖，用于參考硬件連接）

完成以上連接后，使用Mini-B USB線將STM32L476RG Nucleo開(kāi)發(fā)板連接至計(jì)算機(jī)。此時(shí)，開(kāi)發(fā)板上的ST-LINK調(diào)試器會(huì)創(chuàng)建一個(gè)虛擬串口和一??個(gè)名為NODE_L476RG的USB大容量存儲(chǔ)設(shè)備，這將在后續(xù)的固件燒錄步驟中用到。同時(shí)，將470MHz天線和GPS天線分別連接到LR1120模塊對(duì)應(yīng)的端口上。

基于LR1120與騰訊云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)地理定位系列

基于LR1120與騰訊云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)地理定位(一)：系統(tǒng)架構(gòu)與硬件準(zhǔn)備

基于LR1120與騰訊云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)地理定位(二)：開(kāi)發(fā)環(huán)境與源代碼設(shè)置

基于LR1120與騰訊云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)地理定位(三)：終端節(jié)點(diǎn)固件與應(yīng)用程序部署

基于LR1120與騰訊云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)地理定位(四)：騰訊云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)配置

基于LR1120與騰訊云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)地理定位(五)：端到端數(shù)據(jù)驗(yàn)證與應(yīng)用