接收LoRa數(shù)據(jù)包的實踐示例

介紹

LoRa （Lo ng Range的縮寫）是火星這一側(cè)最令人驚嘆的物聯(lián)網(wǎng)通信技術。隨著 Semtech 對法國公司 Cycleo 的收購，LoRa 在 2012 年嶄露頭角，作為低功耗、低成本物聯(lián)網(wǎng)傳感器設備的首選無線通信方法，LoRa 的人氣持續(xù)上升。

在本教程中，我們將簡要概述 LoRa 的特殊之處，并提供使用最新的 LoRa 無線電 IC SX1262 以及使用IoT.Keystone Innovator Board 發(fā)送和接收 LoRa 數(shù)據(jù)包的實踐示例。

關于 SX1262 的一些信息

SX1262 于 2018 年推出，能夠以高達 22 dBm 的功率輸出在全球所有主要的 sub-GHz ISM 頻段中運行。在 sub-GHz 頻段（例如 868 或 915 MHz）中運行是在城市室內(nèi)、室外和工業(yè)環(huán)境中實現(xiàn)遠距離傳輸?shù)年P鍵。它有一個微控制器友好的接口，由 4 線 SPI、BUSY 信號和 RESET 線組成。固件驅(qū)動程序是開源的也很棒。

羅拉

在我們看來，LoRa 的偉大之處在于它不僅提供比傳統(tǒng)調(diào)制技術更遠的范圍和更強的抗干擾性，而且它以用戶友好的方式描述其操作特性。那是什么意思呢？

使用 LoRa，只需轉(zhuǎn)動 3 個參數(shù)或旋鈕即可控制傳輸范圍、數(shù)據(jù)速率和能耗等關鍵特性。如您所料，當您配置更長的范圍時，您的數(shù)據(jù)速率會下降并且能耗會增加，反之亦然。

您需要了解的主要參數(shù)是擴頻因子、帶寬和編碼率。

擴頻因子（SF）。從 SF5 到 SF12 只有 7 個級別，SF7 是中短距離設置的典型設置。隨著擴頻因子的增加，范圍增加，數(shù)據(jù)速率下降，空中時間增加（即發(fā)送數(shù)據(jù)包的時間，這會消耗更多能量）。很酷的是，這些設置中的每一個都是彼此“正交”的，這意味著您可以設置 7 個不同的發(fā)射器和接收器對，以在同一頻段同時運行而不會受到干擾！

帶寬 (BW). 這里只有 3 個主要設置：125 kHz、250 kHz 和 500 kHz，盡管對于一些非常特殊的低比特率應用，無線電將支持低至 7.81 kHz 的一些較低帶寬。應該注意的是，LoRaWAN 是一種流行的 MAC 層，在 LoRa 之上工作，僅使用 3 個帶寬 125、250 和 500 KHz。您可以通過更高的帶寬推送更多數(shù)據(jù)，從而提高有效比特率。結果，播出時間隨著能源消耗而減少。但是，您會在射程上受到一些影響。我會提到術語“比特率”在物聯(lián)網(wǎng)中有點用詞不當，因為許多物聯(lián)網(wǎng)解決方案對能夠連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)不感興趣。比特率只是影響每次傳輸?shù)目罩袝r間（通常只在長時間睡眠期間很少發(fā)生）以節(jié)省電池電量。

編碼率（CR）。LoRa 數(shù)據(jù)包引擎將對您的數(shù)據(jù)執(zhí)行“前向糾錯”編碼，以便接收方可以實際處理傳輸中的一些錯誤，而不會損壞您的數(shù)據(jù)。此功能實質(zhì)上為您的數(shù)據(jù)負載增加了一些冗余。這里有 4 個可能的級別：4/5、4/6、4/7 和 4/8。這意味著對于每 4 位真實數(shù)據(jù)，LoRa 數(shù)據(jù)包引擎將創(chuàng)建 5、6、7 或 8 個用于傳輸。所以正如你所看到的，實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量可能是你想象的兩倍。隨著編碼率的增加，您將獲得更遠的距離，因為接收器可以容忍傳輸中的更多錯誤。最常見的編碼率是最低設置 4/5。

物聯(lián)網(wǎng).Keystone

我們認為 LoRa 非?？?，因此我們構建了自己的名為IoT.Keystone的硬件和固件平臺，以便輕松地將 LoRa 技術集成到低功耗物聯(lián)網(wǎng)傳感器設計中。

配置

在GitHub 上提供的開源固件中，我們有一個名為LoRa-Radio的應用程序，它提供對電路板及其 SX1262 無線電的命令行控制。借助IoT.Keystone創(chuàng)新板的“USB 記憶棒”外形，我們只需將其插入可用的 USB 端口即可。操作系統(tǒng)將注冊一個串行/COM 端口，我們可以將我們最喜歡的終端應用程序調(diào)整到它。確保它在 115、200 波特率 N、8、1 下工作。還要確保終端應用程序終止使用 LF（換行符）或 CR-LF 輸入的命令。這是IoT.Keystone固件描述命令所必需的。當在空行上按下回車鍵時，我們會看到這樣的提示：

#0012.4b00.18a7.f322>

玩弄

您需要兩個運行 LoRa-Radio 固件應用程序的 IoT.Keystone 板。這里我們有一個 ID為f319的節(jié)點設置為發(fā)送器，一個 ID為f322的節(jié)點設置為接收器。

我們將從在兩者上設置相同的參數(shù)開始：

選擇任意頻率 915000 kHz。從技術上講，這里可以使用任何東西，但天線系統(tǒng)當然會針對特定頻段進行調(diào)諧。我們的設置適用于涵蓋 902 - 928 MHz 的 915 MHz ISM 頻段。

#0012.4b00.18a7.f319> lora set freq 915000
Command OK. Radio mode=STBY_RC status=RFU

將擴展因子設置為 7。

#0012.4b00.18a7.f319> lora set sf 7
Command OK. Radio mode=STBY_RC status=RFU

然后在我們進入 RX listen 模式之前檢查當前設置：

#0012.4b00.18a7.f322> lora set
frequency: 915000000 Hz
bandwidth: 0 -> 125
spreading factor: SF7
coding rate: 1 -> 4/5
tx power: 20 dBm
tx size: 0 bytes
tx payload: [ ]
tx timeout: 3000 ms
preamble length: 8 symbols
IQ invert: false
Command OK. Radio mode=STBY_RC status=RFU

在一個節(jié)點上進入 RX偵聽模式，然后在另一個節(jié)點上重復參數(shù)設置：

#0012.4b00.18a7.f322> lora rx
Running RX on freq 915000000 kHz at SF7 CR:1 BW:0 preamble:8 IQ invert:false ...
Command OK. Radio mode=RX status=RFU

在另一個節(jié)點上，設置相同的 SF 后，輸入傳輸?shù)挠行ж撦d。我們將使它成為 64 個字節(jié)，但只指定前 4 個字節(jié) (0xA 0xB 0xC 0xD)：

#0012.4b00.18a7.f319> lora set tx 64 A B C D
Command OK. Radio mode=STBY_RC status=RFU

完成后，是時候發(fā)送它并查看接收者是否捕獲它了：

#0012.4b00.18a7.f319> lora tx
TX 64 bytes on freq 915000000 kHz at SF7 CR:1 BW:0 PWR:20 dBm airtime:119 ms timeout:3000 ms  preamble:8 IQ invert:false ...
Command OK. Radio mode=TX status=RFU
#0012.4b00.18a7.f319> [INFO: lora-rf   ] Tx completed.

這個 64 字節(jié)的 LoRa 傳輸在 SF7、BW 0 (125 kHz) 和 CR 1 (4/5) 下花費了 119 毫秒。

如果我們查看另一個監(jiān)聽節(jié)點 (ID:F322)，我們會看到這條消息：

#0012.4b00.18a7.f322> [INFO: lora-rf ] RxDone: size:64 rssi:-52 snr:9 payload:[ 0A 0B 0C 0D 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 ]

當功耗是設計中的一個因素時，無線電通常是功耗最高的。在這些情況下，我們希望減少無線電發(fā)射器開啟的時間。讓我們快速了解一下參數(shù)如何影響播出時間。

當我們將帶寬增加到 500 kHz 時，廣播時間會發(fā)生什么變化？當我們在 SF7 傳輸相同的 64 字節(jié)數(shù)據(jù)包時，空中時間從 119 毫秒下降到 30 毫秒，與帶寬增加成比例 (120/30 = 500/125 = 4)。

#0012.4b00.18a7.f319> lora tx
TX 64 bytes on freq 915000000 kHz at SF7 CR:1 BW:2 PWR:20 dBm airtime:30 ms timeout:3000 ms  preamble:8 IQ invert:false ...
Command OK. Radio mode=TX status=RFU
#0012.4b00.18a7.f319> [INFO: lora-rf   ] Tx completed.

當我們增加擴頻因子時，廣播時間會發(fā)生什么變化？將帶寬設置回 125 kHz（與大多數(shù) LoRaWAN 上行鏈路通道相同）并將擴頻因子設置為 10，我們發(fā)現(xiàn)廣播時間從 119 毫秒躍升至 699 毫秒。

TX 64 bytes on freq 915000000 kHz at SF10 CR:1 BW:0 PWR:20 dBm airtime:699 ms timeout:3000 ms  preamble:8 IQ invert:false ...
Command OK. Radio mode=TX status=RFU
#0012.4b00.18a7.f319> [INFO: lora-rf   ] Tx completed.

我們?yōu)槭裁匆@樣做？簡而言之，增加擴頻因子只會將數(shù)據(jù)包錯誤率降低到可接受的水平。換句話說，如果您的消息沒有到達您的接收器，您可以轉(zhuǎn)動 SF 旋鈕直到它們到達為止。結果，您的廣播時間和功耗將會增加。值得注意的是，LoRaWAN，一個位于 LoRa 之上的 MAC 層，包括自動向下調(diào)整節(jié)點擴頻因子的規(guī)定。顯然，如果消息一開始就無法到達網(wǎng)關，那么從網(wǎng)絡的角度來看，就沒有什么可以拒絕的了。因此，LoRa 節(jié)點可能會在與它們交談的實體告訴它們將其調(diào)低（具有適當高的擴頻因子響應）之前，在初始消息上以更高的擴頻因子傳輸設置開始！

最后，此 LoRa-Radio 固件應用程序還可以直接訪問 SX1262 無線電寄存器，如圖所示。在 LoRa 模式下沒有很多，這是一件好事！

#0012.4b00.18a7.f319> lora reg get
Content of lora registers:
name                 address value
-------------------- ------- -----
 LoRa Sync Word MSB  0x0740  0x34
 LoRa Sync Word LSB  0x0741  0x44
 RandomNumberGen[0]  0x0819  0x08
 RandomNumberGen[1]  0x081A  0xA5
 RandomNumberGen[2]  0x081B  0x45
 RandomNumberGen[3]  0x081C  0x49
            Rx Gain  0x08AC  0x94
  OCP Configuration  0x08E7  0x38
           XTA trim  0x0911  0x05
           XTB trim  0x0912  0x05
Command OK. Radio mode=STBY_RC status=RFU
#0012.4b00.18a7.f319>

概括

借助 LoRa，您可以發(fā)送和接收少量數(shù)據(jù)——非常適合物聯(lián)網(wǎng)——在更遠的距離上更可靠。它有一個友好的用戶界面，描述了它在帶寬、擴頻因子和編碼率方面的主要特性。

我們剛剛談到了 LoRa 無線電通信的主要用戶界面元素，但沒有深入了解太多細節(jié)。Internet 上有許多深入研究細節(jié)的重要資源，例如比特率和廣播時間實際上是如何受到擴頻因子、帶寬和編碼率設置的影響的。

如果您有興趣，我們正在使用的這款IoT.Keystone板還在相同的 sub-GHz 頻段提供支持 IPv6 的網(wǎng)狀網(wǎng)絡，但使用不同的、標準化的和非專有的調(diào)制技術 (FSK) 以獲得更高的比特率命令和控制應用程序。還有一些板載傳感器用于測試 IoT.Keystone 使用 LoRa+LoRaWAN 或 6LoWPAN 的完整傳感器到云功能。

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