物联网系统中的低功耗广覆盖物联网无线通讯方案_lora模组

物联网系统中为什么要使用LORA模块

物联网系统中使用LoRa模块的原因主要有以下几点：

LoRa模块的技术优势

远距离通信：LoRa模块通过LoRa技术实现无线通信，LoRa技术具有超链接预算，能显著提高接收机的灵敏度，因此即使在较低的发射功率下也能实现较远的通信距离。这对于物联网系统中广泛分布的设备间通信尤为重要。

低功耗：LoRa模块设计为低功耗，适用于那些需要长时间运行但又不能频繁更换电池的设备。低功耗特性有助于延长设备的续航时间，降低维护成本。

低数据速率：虽然LoRa的传输效率略有牺牲，但其低数据速率特性适用于物联网中大量不需要高传输速率的数据传输场景。这种特性使得LoRa模块在物联网应用中更加经济高效。

LoRa模块在物联网系统中的应用场景

智能城市：在智能城市领域，LoRa模块可用于智能抄表、环境监测、智能停车等场景。通过LoRa网络，城市管理者可以实时获取各类设备的状态信息，从而实现对城市的智能化管理和控制。

农业物联网：在农业领域，LoRa模块可用于土壤湿度监测、作物生长监测等场景。通过远距离、低功耗的通信方式，农民可以方便地获取农田的实时数据，从而进行科学的农业生产管理。

工业物联网：在工业领域，LoRa模块可用于工厂自动化、设备监控等场景。通过LoRa网络，企业可以实现对生产设备的远程监控和管理，提高生产效率和安全性。

通信距离，数量与场景关系

远距离大数量：

密集建筑环境要覆盖多栋，或空旷环境下千米级的情况属于远距离，一个网关下属节点超过200属于大数量，如能耗集抄，智慧农业，调光路灯。这种条件下应尽量采用轮询的方式，码分多址和频分多址的方式来避免相互干扰，这是对信道利用率最高的方式，但实时性不高。

近距离大数量：

可视见或在普通建筑内同一层属于近距离，Semtech 针对室内应用场景也在 sx126x 中新增了扩频因子5和6，具有较高的通信速率，通信速率较高的话，监听避让和 RTS-CTS 机制也较为有效，数量大的情况结合合理的组网策略也可以满足应用要求。

远距离小数量：

一般有些工业场景如油田，电站会有这种场景，数据量不大，但是很分散，这种场景一般不考虑产品美观小巧，选用高增益天线，调整馈线阻抗匹配，高扩频因子低编码率来适应场景。

LoRa模块与其他通信技术的比较

与其他无线通信技术相比，LoRa模块在物联网系统中具有独特的优势。例如，与蓝牙和WiFi相比，LoRa模块具有更远的通信距离和更低的功耗；与ZigBee相比，LoRa模块在传输距离和穿透能力上更具优势。因此，在物联网系统中选择LoRa模块可以更好地满足长距离、低功耗的通信需求。

综上所述，物联网系统中使用LoRa模块是因为其具备远距离通信、低功耗和低数据速率等技术优势，适用于各种物联网应用场景。通过LoRa模块的应用，物联网系统可以更加高效地实现设备间的互联互通和数据传输。

本文会再为大家详解无线通信器件家族中的一员——LORA模块

1、LoRa简介

LoRa是semtech公司开发的一种低功耗局域网无线标准，其名称“LoRa”是远距离无线电（Long Range Radio），它最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，在同样的功耗下比传统的无线通信射频通信距离扩大 3-5 倍。

2、 LoRa 与其它无线技术对比

组网方式	基于 LoRa 网关	基于蜂窝网	基于 Zigbee 网关	基于无线路由器	基于 Mesh 网关
部署方式	节点 + 网关	节点	节点 + 网关	节点 + 路由器	节点
传输距离	远距离 城镇：2-5KM 郊区: up to 15KM	远距离 一般 10KM 以上	短距离 10-100M	短距离| 50M	短距离 10-100M
单网节点容量	约 6 万，实际受网关信道数量，节点发包频率，数据包大小约束，一般有 5000左右节点	约 20 万	理论 6 万，受实际网络限制，一般 200-500个	约 50个	理论 6 万个，一般有 2000 个左右
电池续航	理论约 10 年/AA电池	理论约 10 年/AA电池	理论约 2 年/AA电池	数小时	理论约 2 年/AA电池
成本	模块约 5$	模块约 5-10$	模块约 1-2$	模块约 7-8$	模块约 <1$
传输速度	0.3-50kbps	理论 160k-250kbps,一般小于 100kbps	理论 250kbps,一般小于 100kbps	2.4G: 1-11M 5G: 1-500M	1M-2M
网络延时	依赖于频率，扩频因子，编码率等	6-10s	<1s	<1s	<1s
适合领域	LPWAN 智慧路灯 智慧建筑 智慧农业 …	LPWAN 智慧城市 智能抄表 …	智能家居 小范围传感器 室内覆盖	常用于室内场景	智能家居 智慧楼宇 室内覆盖

3、 LoRa 的优势和劣势

优势：

通讯距离远，+22dBm 功率放大器和超过-148dBm 的高灵敏度使得 LoRa 可以在复杂的环境中通信。

150–960MHz 的频率范围加上 5到 12 的扩频因子可以相互组合成互不干扰的多信道通信。

低功耗，小于 120mA 的发射电流和小于 10mA 的接收电流可以保证同样电池下待机更久。

劣势：

在高扩频因子下发射速率慢，例如扩频因子 11 带宽 250k 发射 100 字节大约需要 1 秒。

在高扩频因子下由于发射速率慢，所以发射时间长，耗能更多；占用信道时间长，增加冲突的可能性。

LoRa 帧结构

LoRa 帧分为两种，分别为固定长度和可变长度。区别在于固定长度的帧则不存在 Header 域。

4、LoRa 常用公式

符号速率 (发送信号为恒包络信号，每赫兹每秒发送一个码片)

Rs = BW / (2^SF) Rs：符号速率； BW：带宽；SF：扩频因子

传输时间

ToA = ( (2^SF) / BW ) * Nsymbol SF：扩频因子；BW：带宽；ToA：空中传输时间，单位为毫秒；Nsymbol：符号数

不同的调制参数，符号数计算的方式也不同。

5、LoRa 带宽

增加信号带宽可以使用更高的数据速率，因此会减少传输时间，代价是降低了接收灵敏度。LoRa 调制解调器工作在中心频率的一个可编程的带宽中。

LoRa 带宽支持以下设置：

6、LoRa 收发数据缓冲区 (双向 FIFO)

LoRa 内部的收发缓冲区大小为 256 字节，如果设备工作在半双工模式下，则可以收发独占 256 字节；如果工作在全双工模式，则收发共享 256 字节(一般做法是各自占 128 字节)。

7、SPI 时序图 (LoRa 端为 Slave, SPI_Mode=0x00)

8、注意事项

8.1活动信道检测 (CAD)

CAD 模式下接收机周期性检测信道中的前导码，如果发现前导码则唤醒进入接收模式，CAD 的周期应短于前导码发射时长，发送者前导码发送的越短接收机越要频繁的检测，要想降低检测频率则需要发送很长的前导码，需要根据应用场景权衡。

8.2组网

LoRa 一般为星型网络连接，为了增加网络容量和改善通信质量，一般会吧一个网关下属的节点分配为多个频率或多个扩频因子，sx126x 和 sx127x 同一时间只能监测一个信道，有网关专用芯片 sx1301，可以同时监控 8 个频率下的 6 个扩频因子，相当于同时监控 48 个信道，但是价格昂贵。在智能家居场景下网关可以采用两个 sx126x 来替代，通过将数据帧根据上下行，根据功能和重要程度区分为多个信道，结合 RTS (request to send) -CTS (Clear to send) 机制可以避免拥塞，具体策略可以根据需求再详细定。

网关信道

网关信道选择配置文件，基准频率是471.4MHz，下面8个分别是频率的偏移量，可以知道网关能同时监听8个不同的信道。

网关负载

一般情况下，LoRa物联网络采用的是LoRaWAN协议，从而其组网方式一般采用的是协议中的星形拓扑网络，星形拓扑网络示意图如图所示。

星形拓扑结构

从上图中可以看出，该组网方式属于单跳网络，传感器终端与网关直接通信，再由网关将数据透传至服务器。在这个网络架构中，LoRa网关是一个透明传输的中继，连接终端设备和后端中央服务器。终端设备采用单跳与一个或多个网关通信，所有的节点与网关之间均是双向通信。

星型拓扑结构的优点是:网络结构简单,组网容易,方便管理与控制,网络延迟短,传输误码率低.。星型拓扑结构的主要缺点是：由于采用中央节点集中控制，因而资源共享能力差，而且一旦中央节点出现问题,将导致整个网络瘫痪。然而，在地质灾害监测应用领域，或是监测范围覆盖广泛，或是安装环境复杂危险、或是两者兼具，因此一旦出现网络瘫痪，常常需要耗费大量的人力物力进行设备的维护，这就在相当程度上增加了监测成本、也降低了监测效果的持续性与稳定性。

因为星形组网里网关是最重要的一环，如果网关超负荷，那么整个网络系统将瘫痪，所以要重点关注网关的负载量，也就是单网关能容纳的节点数量。

论值

假设单个网关每天最多可以接收a个数据包，每个节点的应用发包频率是每小时b个数据包的话，那么，单个网关最多可以容纳的节点的数目的理论值的计算式如下：

S=a/(24*b)。

比如，单个LoRaWAN网关如果搭载一个SX1301芯片的话，其每天最多可以接收150万个数据包，如果应用发包频率是每小时1包的话，那么理论上该LoRaWAN网关可以接入的节点的数目 S = 1500000/(24*1) = 62500个。

实际值

单个网关可以容纳的节点的数目的实际值比理论值的计算要复杂的多。对于确定的某个网关来说，其每天最多可以接收的数据包也是确定的，难就难在每个节点到底每天发多少个包。

在同一个应用场景下，我们每天需要该节点发送的总的数据长度是确定的，但是，确定长度的数据到底要以怎样的封包长度、发送速率来发送，就不确定了。封包长度如果不同，势必需要发送的包的数量也就不同。

比如，在不同的信号强度下，所用到的扩频因子SF也不同，那么，能发送的数据的长度也就不同，每次能发送的数据的长度不同就会导致需要分成的包的数量也不相同，从而导致即使使用同样的网关、同样的节点，但在节点的不同业务模式下，也会出现单个网关容纳节点的最大数目并不相同的情况。

对于有8个信道的网关来说，在没有LBT(发包前监听信道)的前提下，具体的计算公式为：

信道容量（即节点数量）S=8T/2et0

其中，8代表8个信道，T代表发送间隔，跟封包长度、速率有关系，1/2e 是基本Aloha算法最大吞吐量，e是常数，等于2.718，t0代表单包的ToA（Time on Air）。

在10字节负载的前提下，速率与ToA的关系如下表所示。

举一个例子，假如使用SX1301芯片，在没有LBT(发包前监听信道)的情况下，并且平均每个包空中飞行时间t0=100ms（因此t0=0.1s），平均每个包一分钟发一次（因此T=60s），那么可以容纳多少这样的平均节点呢？S=8*60/(2*2.718*0.1)=883 ，因此，可以容纳883个节点。

而且，采用不同算法，也会导致最大吞吐量的变化，从而引起理论容量的变化。

比如，如果前提条件修改成每个节点都带有LBT功能，采用时隙Aloha算法而不是之前的基本Aloha算法来评估，则由于算法不同，导致最大吞吐量不同，此时最大吞吐量是1/e，因此信道容量（即节点数量）S=8T/et0 ，从而 ，则理论容量增加一倍，即883*2=1766个节点。

LoRa模块信道

由以上网关设置可以知道，与网关通讯需要和网关处于同一频段，本节点通过配置可使用全频段，但为了与网关匹配，将几点信道设置为CN470中国频段的信道1（470.5MHz）。需要将模块设置为跳频模式，即终端联网模式，然后再配置接收及发送频率符合网关的信道范围，如图，将LoRa模块信道配置为470.5MHz。

首先使用中国地区频段CN470：

其次固定通讯频率为信道1：

节点入网

设备为了与服务器通讯并加入LoRaWAN网络，需要将设备独一无二的注册信息填入服务器，用于服务器对节点进行判认，使被允许的设备入网，这个过程就叫节点入网或者说时设备激活。通常有两种激活设备的方式。一种是OTAA (Over-The-Air Activation) 激活方式也叫空中激活方式，是在部署设备或者重置设备时使用的激活方式。另一种是ABP入网方式 (Activation By Personalization)也叫作独立激活方式，这种入网方式的特点是设备的初始化和激活是一并完成的。

在激活之后，终端设备会将DevAddr（节点地址），AppEUI（应用程序ID），NwkSKey (网络安全密码)，AppSKey (应用安全密码)存储在自己的运行空间内。

9、Lora模块介绍

LoRa模块为基于LPWAN的远距离无线通信模块，支持LORAWAN标准协议，串口数据透传双向通讯，主要应用在智能抄表、智慧路灯、智慧农业、智能停车、智能安防等领域。LoRa技术具有远距离、低功耗、多节点、低成本的特性基于LoRaWAN的网络能够提供安全的数据传输距离远的双向通信，并且用最少的网络基础设施覆盖城市区域，LoRa技术在智慧农业、智慧建筑、智慧物流等多种应用场景中都将得到广泛应用。

9.1 LoRa所拥有频段

915 MHz：在美国，有功率限制，没有占空比限制；

868 MHz：在欧洲；

433 MHz：在亚洲。中国目前LoRa组网频段:470-510MHz。

9.2模块分类

以华普为Lora模块为例，Lora模块分为：Lora SPI模块，Lora 透传模块，Lorawan模块

9.3模块选型

我们可以从以下五种方面对LoRa模块进行考量。

9.4终端LoRa应用方案

LoRa数据传输是无线核辐射监测系统的第二个环节，选定合适的探测设备后，将探测设备与终端连接，将前端探测设备测量的数据传输至终端中，当需要更新数据时，网关发送Beacon信号，Lora模块和终端继而被唤醒，有一段Ping slot接收窗口接收到来自服务器的信息，接收到信息后，节点被唤醒，继而发送数据至网关和服务器

设备唤醒

当服务器需要更新数据时，向网关发送信号，网关再向LoRa模块发送唤醒信号，继而通过MCU唤醒终端设备。具体终端通讯连接图和空中唤醒流程图如图。

唤醒流程图

数据发送

LoRa数据传输是无线核辐射监测系统的第二个环节，选定合适的探测设备后，将探测设备与终端连接，将前端探测设备测量的数据传输至终端中，当需要更新数据时，网关发送Beacon信号，Lora模块和终端继而被唤醒，有一段Ping slot接收窗口接收到来自服务器的信息，接收到信息后，节点被唤醒，继而发送数据至网关和服务器。

终端硬件组网

10、缩写

缩写 全称 含义

ACR Adjacent Channel Rejection 邻道拟制

β Modulation Index 调制指数

BER Bit Error Rate 误码率

BR Bit Rate 比特率

BT Bandwidth-Time bit period product -

BW BandWidth 带宽

CAD Channel Activitiy Detection 信道活动检测

CPOL Clock Polarity 时钟极性

CPHA Clock Phase 时钟相位

CR Coding Rate 编码率

CW Continuous Wave 连续波

POR Power On Reset 上电复位

DIO Digital Input / Output 数字 IO

DSB Double Side Band 双边带

FEC Forward Error Correction 前向纠错

FSK Frequency Shift Keying 频移键控

GFSK Gaussian Frequency Shift Keying 高斯频移键控

GMSK Gaussian Minimum Shift Keying 高斯最小移位键控

IF Intermediate Frequencies 中频

DC-DC Direct Current to Direct Current converter 直流-直流电压转换

LDO Low-Dropout 低压差线稳压器

LDRO Low Data Rate Optimization 低数据速率优化

LFSR Linear-Feedback Shift Register 线性移位寄存器

LNA Low-Noise Amplifier 低噪放

LO Local Oscillator 本地震荡器

NRZ Non-Return-to-Zero 不归零编码

OCP Over Current Protection 过流保护

PA Power Amplifier 功放

PER Packet Error Rate 包错误率

RFO Radio Frequency Output 射频输出

SF Spreading Factor 扩频因子

SNR Signal to Noise Ratio 信噪比

TCXO Temperature-Compensated Crystal Oscillator 温度补偿晶体振荡器

XOSC Crystal Oscillator 晶体振荡器

RSSI Received Signal Strength Indicator 接收信号强度指示器

ADR Adaptive Data Rate 自适应数据速率

AFA Adaptive Frequency Agility -

LBT Listen Before Talk 对讲前监听

SSL Secure Socket Layer 安全套接字层

供应商A：华普微

https://www.hoperf.cn/

1、产品能力

（1）选型手册

https://www.hoperf.cn/Home/Product/moreProduct/from_id/237.html

（2）主推型号1：RFM68LC

对应的产品详情介绍

RFM68LC 是一款基于 Semtech LLCC68 收发器芯片开发的超低功耗、高性能、适用于各种 150MHz 至 960MHz 长距离无线应用的 LoRa 收发模块。RFM68LC 的高度集成化，可以简化系统设计中所需的外围 器件，高达+22dBm 的发射功率以及-129dBm 的接收灵敏度可以极大地优化无线应用的链路性能。RFM68LC 在-129dBm 接收灵敏度的工作条 件下，电流损耗仅为 8.8mA，如果工作在超低功耗接收模式下，还可 以进一步降低电流损耗。RFM68LC 还支持 Duty-Cycle 运行模式，信道侦听，高精度 RSSI，上电复位等功能，使得客户的应用设计更加 灵活，更容易实现产品的差异化。

LoRa收发模块RFM68LC应用范围

自动抄表、家居安防及楼宇自动化、ISM 波段数据通讯、工业监控及控制、安防系统、遥控应用、智能仪表、供应链与物流、智能农业、智慧城市、零售业、资产跟踪、智慧路灯、智能停车、环境监测、健康监测

硬件参考设计

研发设计注意使用事项

1、LORA板载天线与主板铺铜间距需要保持3mm以上，π型电路走线线宽需要保持一致

2、a为保证天线性能，调试射频电路，做50欧姆阻抗匹配，测试天线辐射功率。详见：AE23080260测试方案 LORA PCB天线测试方案库沉淀项目

3、LORA模块接口电平为3.3V, 如主控接口电平为3.3V，可以直接连接无需电平转换，例如：芯海GS32L010, 否则需要增加电平转换电路,如AM430EV5,IO接口电平为1.8v,需增加电平转换电路。

核心料（哪些项目在用）

奇迹物联测温终端项目、奇迹物联压力检测终端项目、奇迹物联Lora开源网关项目

2、支撑

（1）技术产品

技术资料

本文章源自奇迹物联开源的物联网应用知识库Cellular IoT Wiki，更多技术干货欢迎关注收藏Wiki：Cellular IoT Wiki 知识库（https://rckrv97mzx.feishu.cn/wiki/wikcnBvAC9WOkEYG5CLqGwm6PHf）

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审核编辑 黄宇