树莓派LoRaWAN通信扩展板结构设计

　　做工业物联网终端结构设计的工程师，多半都碰过树莓派扩展外设的适配问题，这款适配树莓派的LoRaWAN通信扩展板，就是针对低功耗广域物联网场景做的硬件载体，在做结构适配的时候，首先要卡准树莓派标准40Pin排针的安装位，四个固定铜柱的孔位完全对齐树莓派本体的安装孔，公差控制在0.1mm以内，避免插装后排针错位、接触不良的问题。

　　从实际应用场景来看，这类扩展板主要用在户外环境监测、工业设备数据远程采集、智慧农业墒情传输这类场景，不需要依赖本地WiFi或者蜂窝网络，靠LoRaWAN协议就能实现几公里范围内的低速率数据回传，功耗比普通4G模块低一个数量级，适合电池供电的长期部署点位。设计的时候首先考虑的是板载元件的布局避让，板上的LoRa射频芯片、存储模块、USB调试接口都做了高度管控，最高元件的高度不超过排针插装后的叠加高度，叠装在树莓派上之后不会出现突出干涉，也能适配市面上常规的树莓派防护外壳，不需要额外改壳就能直接装进去。

　　射频部分的设计是这类板子的重点，天线预留的馈点位置做了净空处理，周围3mm范围内不布置高频元件，避免信号被金属元件遮挡衰减，板边的USB接口做了沉边设计，插装调试线的时候不会和树莓派本身的接口抢空间，插拔的时候不需要拆掉扩展板就能直接接调试线。安装边界上，板子整体轮廓比树莓派本体单边缩进2mm，叠装之后不会超出树莓派的外轮廓，堆叠后的整体厚度控制在18mm以内，对应用户做嵌入式集成的时候，不需要额外预留多余的安装空间。

　　电路部分的布局做了分区处理，射频电路和数字电路之间做了地隔离，避免数字信号干扰射频收发的灵敏度，排针的引脚定义完全兼容树莓派的硬件I2C、SPI接口，不需要额外飞线就能直接驱动板载模块，四个安装孔都做了金属化沉孔处理，锁铜柱的时候不会出现PCB基材被压裂的问题，孔位周围做了阻焊开窗，保证固定柱和板子地网连通，既起到固定作用，也能辅助屏蔽电磁干扰。

　　实际选型适配的时候，要注意这款扩展板的排针是朝下焊接的，和树莓派对接的时候是直接叠插在树莓派上方，板上预留的复位按键、状态指示灯都布置在板边位置，叠装之后从外侧就能直接看到指示灯状态、按到复位按键，不需要拆开堆叠结构就能做基础调试。对于做物联网终端集成的工程师来说，这个结构模型可以直接导入到整机装配里，核对安装干涉、接口位置，不用自己重新测绘板卡尺寸，能省掉不少逆向测绘的时间，尤其是做户外防护壳设计的时候，可以直接根据板卡的接口位置开对应的调试口、天线出线口，避免开模之后出现接口对不上的问题。

　　另外板上的mini PCIe插槽位置做了加强筋设计对应的焊盘固定，插装通信模组的时候不会因为插拔力度过大导致焊盘脱落，插槽周围的元件高度都控制在插槽高度以下，插装不同规格的LoRa模组的时候不会出现元件顶壳的问题。电源部分的电路布置在板卡靠近排针电源引脚的位置，缩短电源走线长度，减少线损带来的电压跌落，适配树莓派3.3V供电的时候不需要额外外接电源，直接通过排针取电就能驱动整个板卡工作，降低现场布线的复杂度。