代码收藏家 STM32 高级 物联网通讯之LoRa通讯
目录
LoRa通讯基础知识
常见的3种通讯协议
远距离高速率的传输协议
近距离高速率传输技术
近距离低功耗传输技术
低功耗广域网
采用授权频段技术
非授权频段
LoRa简介
LoRa的特点
远距离
低功耗
安全
标准化
地理定位
移动性
高性能
低成本
LoRa应用
LoRa组网架构
LoRa通讯的几个关键参数
载波频率
发射功率
空中速率
扩频因子（SF）
带宽（BW）
编码率（CR）
同步字（Sync Word）
数据包前导码
LoRa通讯基础知识
常见的3种通讯协议
远距离高速率的传输协议
典型协议包括蜂窝网络通信技术，如3G、4G、5G相关技术等，这是我们目前移动通信使用的典型技术。
近距离高速率传输技术
Wi-Fi、传统蓝牙等，这些技术传输距离在几十到几百米级别，主要用在家庭环境和日常应用中，使用非常广泛。
近距离低功耗传输技术
传统物联网中ZigBee、RFID（电子标签—射频身份识别—公交卡）、低功耗蓝牙。
上面三类技术大都要求较高的信噪比，对障碍的穿透性较小，无法在复杂环境中实现远距离低功耗传输。
低功耗广域网
LPWAN（Low Power Wide Area Network）指的是低功耗广域网，其特点在于极低功耗、长距离，以及海量连接，适用于物联网万物互联的场景。
LPWAN不只是一种技术，而是代表了一族有着各种形式的低功耗广域网技术，如下图所示。其中LoRa使用的是一种扩频技术，NB-IoT使用的是窄带技术，这是两种有代表性的低功耗广域网技术。
低功耗广域网发展成为了适合大规模物联网应用场景的连接技术。LPWAN兼具短距离无线网络低功耗和蜂窝网络超大覆盖范围的优点，覆盖范围广、通信能耗低。因此对于分布在大范围区域内的低功耗物联网设备来说，LPWAN是最佳的连接选择。
在LPWAN网络中，这些物联网设备可以随意部署或移动，因此LPWAN可以满足智能城市中的诸多应用，如智能化计量、家庭自动化、可穿戴电子、物流、环境监测等。这些应用需要交换数据量少，交换的频率也不高。
LPWAN应用场景包括但不限于智能交通、工厂、农业、采矿等领域。由于LPWAN具有传统的蜂窝网络和传统无线技术所不具备的特点（例如相比于蜂窝网络来说功耗更低，相比于传统无线网覆盖更广），同时由于其独特的设计，使得LPWAN通常能在更低的信噪比(各种干扰信号)下工作，因此能够适合在复杂环境中的联网。
现有的LPWAN技术，按工作频段不同，主要可以分为授权频段（License Band）和非授权频段（Unlicense Band）两类。
采用授权频段技术
3GPP（3rd Generation Partnership Project）主导的NB-IoT（Narrow Band IoT），其采用现有蜂窝网络的基础硬件，通过升级来实现，主要投入为电信营运商及相关设备厂商。
非授权频段
大部分不属于电信领域的ICT厂商，主要的代表技术LoRa、SigFox等。它们都采用了ISM频段（Industrial Scientific Medical Band），这是一种各国开放给工业、科学及医学机构使用的频段。它们无须许可证及费用，只需要遵守一定的发射功率（一般低于1W），不要对其他频段造成干扰即可。
LoRa简介
LoRa官网：Semtech LoRa 技术概览 | Semtech
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，是 Semtech（先科）公司定义的一种基于Chirp扩频技术的物理层调制方式，可达到-148 dBm的接收灵敏度，以偏小的数据速率（0.3-50kbps）换取更高的通讯距离（市内3km，郊区15km）和低功耗（电池供电在特定条件下可以工作长达10年）。
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。
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，从而支持大量广域低功耗物联网应用。
LoRa的特点
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。
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。
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。
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。
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。
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。
高性能（相对而言的）
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。
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
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。 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他物联网设备进行通信或数据交互。
考虑到LoRa在覆盖距离、部署成本等方面的巨大优势，近年来LoRa在全球范围内进行了大量的应用部署，在智能仪表（如智能水表、智能电表）、智慧城市、智能交通数据采集、野生动物监控等众多物联网场景中都可以看到LoRa的应用。
例如LoRa通信模块与传统的水质传感器进行连接，从而使用户可以数十公里外远程监控饮用水在输送过程中的水质变化情况。而在荷兰的KPN项目中，工程人员通过广泛部署LoRa网关，实现LoRa网络全覆盖，为智慧运输、智能农业、智慧路灯等具体应用提供了通信支持。
LoRa组网架构
现在常用的LoRa架构由节点、网关及服务器所组成，各部分的关系如图所示。LoRa节点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（Chirp Spreading Spectrum， 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。
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。
LoRa通讯的几个关键参数
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。我们的模块最大发射功率可以到22dbm。
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）
是LoRa（Long Range）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。
作者：雁过留声花欲落
