STM32 - LoRa通讯

LoRa概述：

  1. LoRa是低功耗广域网技术。
  2. LoRa 是 Long Range Communication的简称，狭义上的 LoRa 指的是一种物理层的信号调制方式。
  3. 从系统角度看，LoRa 也指由终端节点、网关、网络服务器、应用服务器所组成的一种网络系统架构，LoRa 定义了不同设备在系统中的分工与作用，规定了数据在系统中流动与汇聚的方式。
  4. 从应用角度看，LoRa 为物联网应用提供了一种低成本、低功耗、远距离的数据传输服务，LoRa 在使用10mW射频输出功率的情况下，可以提供超过15km传输距离。

LoRa的特点：

  1. **远距离：**在乡村地区能以长达30英里的距离为间隔连接设备，可穿透建筑物密集的市区或进深较长的室内环境。

  2. **低功耗：**仅需极少能源，电池使用寿命长达10年，将电池更换成本降到最低。

  3. **安全：**采用端到端 AES128 加密、双向认证等技术，实现完整性保护和保密性。

  4. **标准化：**具有 LoRaWAN 网络的设备互操作性和全球可用性，可在任何地方快速部署物联网应用。

  5. **地理定位：**无需 GPS 即可实现跟踪应用，具有其他技术难以企及的低功率效益。

  6. **移动性：**移动中也能保证通过设备顺畅通信，摆脱功率消耗的限制。

  7. **高性能：**每个基站可处理逾百万条消息，完全满足公共网络运营商为大型市场提供服务的需求。

  8. **低成本：**减少了基础设施的投资、电池更换支出和最终运营费用

LoRa应用：

  1. 相比于 Wi-Fi、蓝牙、ZigBee 等传统无线局域网，LoRa 可以实现更远距离的通信，有效扩展了网络的覆盖范围； 而相比于移动蜂窝网络，LoRa 具有更低的硬件部署成本和更长的节点使用寿命，单个 LoRa 节点可以在电池供电的情况下连续工作数年。

  2. LoRa 具有低数据率、远距离和低功耗的性质，因此非常适合与室外的传感器及其它物联网设备进行通信或数据交互。

LoRa组网架构：

  1. LoRa 架构由节点、网关及服务器所组成。

  2. LoRa 节点（LoRa设备）与网关之间采用单跳直接连接，这一阶段的物理层使用线性扩频调制（也称为 CSS，一种无线信号调制方法，它通过改变信号的频率来扩展信号的带宽），MAC层通常使用 LoRaWAN 协议。

  3. 网关收到数据包后，对数据包信号进行解码，并将解码结果通过蜂窝（4G/5G）或有线网络传输给网络服务器，这一阶段使用传统的 TCP/IP 进行传输，同时网络服务器与网关之间的交互仍然遵守 LoRaWAN 协议， 网络服务器汇总多个网关的数据，过滤重复的数据包，执行安全检查，并根据内容将数据发送至不同的应用服务器，供用户读取和使用，这一阶段也使用 TCP/IP 和 SSL 进行传输和加密。

  4. LoRa节点：通常代表的是部署在现场的终端设备，如传感器、控制器等。

    LoRa1

LoRa通讯的关键参数：

  • 载波频率：
    • LoRa的工作频率。范围在410MHz-493MHz。典型值433MHz，470MHz，490MHz。
  • 发射功率：
    • 发射功率越大，信号能传输的距离就越远，单位是dBm。
    • dBm 是分贝毫瓦（decibel-milliwatts）的缩写，是一个基于对数的单位，用于表示功率相对于1毫瓦（mW）的级别。
  • 空中速率：
    • LoRa 的“空中速率”（也称为“空中数据速率”或“无线数据速率”）指的是 LoRa 系统在无线空中接口上实现的数据传输速率。
    • 这个速率是指在 LoRa 通信中，数据以多快的速度通过空中从一个设备传输到另一个设备。
    • 空中速率受多种因素影响，包括扩频因子（Spreading Factor, SF）、带宽（Bandwidth）、编码率（Coding Rate）等。
  • 扩频因子（SF）：
    • LoRa 通信技术中的一个关键参数，它影响着 LoRa 信号的传输范围、数据速率和能耗。
    • LoRa 技术通常提供从 SF7到SF12 的扩频因子选择。
    • SF7 提供最高的数据传输速率和最短的传输距离。
    • SF12 则提供最远的传输距离，但数据传输速率最低。
  • 带宽（BW）：
    • 带宽是指可用于 LoRa 传输的频率范围。
    • 带宽越宽，可传输的数据量越大，因此空中速率会提高。
  • 编码率（CR）：
    • 编码率是指数据冗余度的级别。
    • 增加编码率可以提高传输的可靠性，但会稍微降低空中速率。
  • 同步字（Sync Word）：
    • LoRa 通信中的同步字（Sync Word）是用来区分和识别特定 LoRa 网络的一种机制。
    • 它是一个预定义的字节序列，用于帮助 LoRa 接收器区分目标网络的信号和其他LoRa信号或背景噪声。
    • 在 LoRa 通信中，同步字对于确保数据包的正确识别和网络的隔离非常重要。
    • 同步字的值通常可以自定义，允许用户根据需求设置不同的值以创建独立的 LoRa 网络。
    • 所有在同一个 LoRa 网络中的设备应该使用相同的同步字。
  • 数据包前导码：
    • LoRa 数据包中的前导码（Preamble）是 LoRa 通信协议中非常重要的一个组成部分。
    • 前导码位于数据包的开始部分，是一系列预定义的模式，用于帮助接收器准确地同步到发送方的信号。
    • 前导码的长度可以根据通信需求进行配置，长的前导码可以提高接收器同步的准确性，特别是在信号弱或环境噪声大的情况下。然而，过长的前导码可能会增加整个数据包的传输时间，从而影响通信的效率。

参考链接：