LoRa1120模塊與ESP32點(diǎn)對(duì)點(diǎn)LoRa通信實(shí)現(xiàn)實(shí)踐指南

LoRa1120多模收發(fā)器技術(shù)導(dǎo)論

LoRa1120模塊的核心是Semtech的LR1120芯片組，這是一款專為遠(yuǎn)距離、低功耗無線通信和地理定位應(yīng)用而設(shè)計(jì)的集成電路 1。在進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用開發(fā)之前，對(duì)該模塊的核心技術(shù)能力進(jìn)行深入分析，是確保項(xiàng)目成功的關(guān)鍵。這不僅是一個(gè)單純的LoRa收發(fā)器，更是一個(gè)集成了多種通信模式和定位功能的綜合平臺(tái)。

多頻段操作能力

該模塊具備在多個(gè)不同頻段下工作的能力，為不同應(yīng)用場(chǎng)景和地區(qū)法規(guī)要求提供了高度的靈活性 。

Sub-GHz ISM頻段：支持433/470/868/915 MHz等免許可頻段，并可根據(jù)需求在150-960 MHz范圍內(nèi)定制。這是傳統(tǒng)LoRa應(yīng)用的主要工作頻段，其物理特性決定了它具有最遠(yuǎn)的傳輸距離和最佳的穿透能力，適用于廣域物聯(lián)網(wǎng)（LPWAN）部署。

2.4 GHz ISM頻段：工作范圍為2400-2500 MHz。該頻段在全球范圍內(nèi)通用，相比Sub-GHz頻段，它可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。然而，其傳輸距離和穿透性相對(duì)較弱，更適用于對(duì)帶寬有一定要求且通信距離較短的場(chǎng)景，如工業(yè)自動(dòng)化或智能家居。

S波段衛(wèi)星通信：工作范圍為1900-2200 MHz。此功能使得模塊能夠直接與衛(wèi)星進(jìn)行通信，為地面網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)（如海洋、沙漠、山區(qū)）提供連接解決方案，是資產(chǎn)跟蹤和遠(yuǎn)程監(jiān)控等應(yīng)用的理想選擇。

地理定位子系統(tǒng)

除了通信功能，LoRa1120還集成了兩種獨(dú)立的低功耗掃描引擎，用于地理位置確定 。

GNSS掃描器：支持多星座全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（如GPS/北斗），采用云原生輔助定位模式。模塊本身只負(fù)責(zé)掃描衛(wèi)星信號(hào)并捕獲原始數(shù)據(jù)，然后將這些輕量級(jí)數(shù)據(jù)通過LoRa網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行解析。這種架構(gòu)極大地降低了終端設(shè)備的功耗和計(jì)算負(fù)擔(dān)，使其適用于對(duì)電池壽命有嚴(yán)苛要求的定位應(yīng)用。

Wi-Fi被動(dòng)掃描器：通過掃描周圍的802.11b/g/n Wi-Fi接入點(diǎn)（AP）的MAC地址來進(jìn)行定位。在城市或室內(nèi)等GNSS信號(hào)較弱的環(huán)境中，Wi-Fi定位可以作為一種有效的補(bǔ)充或替代方案。同樣，它只捕獲MAC地址列表，交由云端服務(wù)解析具體位置。

協(xié)議與安全支持

模塊在物理層上符合LoRa聯(lián)盟發(fā)布的LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，確保了與標(biāo)準(zhǔn)LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的互操作性。同時(shí)，它也支持Sigfox協(xié)議，并內(nèi)置了AES-128硬件加密和解密引擎，為數(shù)據(jù)傳輸提供了硬件級(jí)別的安全保障 。這種多功能集成設(shè)計(jì)表明，工程師使用單一硬件平臺(tái)，僅通過固件配置，即可滿足截然不同的應(yīng)用需求：例如在歐洲部署標(biāo)準(zhǔn)的LoRaWAN傳感器（使用Sub-GHz），在工廠環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高吞吐量數(shù)據(jù)采集（使用2.4 GHz），或是在無蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū)進(jìn)行資產(chǎn)跟蹤（使用GNSS + S波段）。這種設(shè)計(jì)策略有效減少了硬件物料清單（SKU）的數(shù)量和開發(fā)成本。因此，接下來將要介紹的基礎(chǔ)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信測(cè)試，應(yīng)被視為掌握該模塊全部潛能的第一步。

下圖展示了LR1120芯片的內(nèi)部功能框圖，直觀地呈現(xiàn)了其多頻段射頻通路和與外部組件的連接關(guān)系。

硬件準(zhǔn)備與系統(tǒng)互聯(lián)

搭建一個(gè)可靠的測(cè)試平臺(tái)是驗(yàn)證無線通信鏈路性能的基礎(chǔ)。本節(jié)將詳細(xì)說明如何將LoRa1120模塊與ESP32微控制器進(jìn)行物理連接。

所需硬件清單，為構(gòu)建一個(gè)基本的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)，需要準(zhǔn)備兩套相同的硬件設(shè)備 ：

• ESP32開發(fā)板（例如ESP32-PICO）：2塊
• LoRa1120模塊：2個(gè)
• 杜邦線：若干
• USB數(shù)據(jù)線：2條

引腳連接映射

將LoRa1120模塊與ESP32開發(fā)板通過SPI接口進(jìn)行連接。下表詳細(xì)定義了推薦的引腳對(duì)應(yīng)關(guān)系。務(wù)必確保兩套設(shè)備的連接方式完全一致 。

此連接方案采用了標(biāo)準(zhǔn)的4線SPI接口（SCK, MISO, MOSI, NSS）用于數(shù)據(jù)傳輸。除此之外，還有三條至關(guān)重要的控制線（IRQ, RST, BUSY）。對(duì)這些控制線功能的理解，對(duì)于編寫健壯的嵌入式固件至關(guān)重要。

RST (Reset): 用于通過軟件控制對(duì)LoRa1120模塊進(jìn)行硬件復(fù)位，使其恢復(fù)到初始狀態(tài)。

BUSY (Busy): 這是一個(gè)硬件流控制信號(hào)。當(dāng)模塊內(nèi)部正在處理命令或處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，BUSY引腳會(huì)置為高電平，此時(shí)主控（ESP32）不應(yīng)發(fā)送新的SPI命令。這可以有效避免命令沖突和數(shù)據(jù)丟失，確保通信的可靠性。

IRQ (Interrupt Request): 該引腳用于向主控發(fā)送中斷信號(hào)，以通知特定事件的發(fā)生，例如數(shù)據(jù)包接收完成或發(fā)送完成。采用中斷驅(qū)動(dòng)的方式比輪詢方式效率更高，可以讓主控在等待事件時(shí)進(jìn)入低功耗模式，從而顯著降低系統(tǒng)整體功耗。

注意：雖然上述引腳分配是推薦配置，但工程師可以根據(jù)自己的PCB布局或開發(fā)板資源進(jìn)行調(diào)整。然而，任何硬件上的改動(dòng)都必須在后續(xù)的軟件代碼中進(jìn)行同步修改，否則將導(dǎo)致通信失敗 1。

配置Arduino開發(fā)環(huán)境

正確的軟件環(huán)境配置是程序開發(fā)的前提。本節(jié)將引導(dǎo)您完成Arduino IDE的安裝與配置，以支持ESP32和LoRa1120模塊的開發(fā)。

1. 安裝Arduino IDE

從Arduino官方網(wǎng)站下載并安裝最新版本的Arduino IDE 。

1. 添加ESP32開發(fā)板支持

為了讓Arduino IDE能夠識(shí)別并編譯ESP32的代碼，需要添加ESP32的開發(fā)板管理器URL。打開Arduino IDE，點(diǎn)擊 File -> Preferences (參考下圖)。

在 "Additional Board Manager URLs" 字段中 (參考 下圖)，輸入以下URL

https://raw.githubusercontent.com/espressif/arduino-esp32/gh-pages/package_esp32_index.json

這個(gè)URL指向一個(gè)索引文件，它告訴IDE在哪里可以找到適用于ESP32系列微控制器的工具鏈、庫(kù)和定義。

1. 安裝ESP32包

打開左側(cè)邊欄的 "Boards Manager"（開發(fā)板管理器）。

在搜索框中輸入 "esp32"。

找到由 "Espressif Systems" 提供的包，并點(diǎn)擊 "Install" (參考 下圖) 。

1. 安裝RadioLib庫(kù)

RadioLib是一個(gè)功能強(qiáng)大的通用無線通信庫(kù)，它為包括LR1120在內(nèi)的多種射頻芯片提供了統(tǒng)一的、高級(jí)的API接口。使用該庫(kù)可以極大地簡(jiǎn)化開發(fā)流程。

打開左側(cè)邊欄的 "Library Manager"（庫(kù)管理器）。

在搜索框中輸入 "RadioLib"。

找到由 "Jan Gromes" 開發(fā)的RadioLib庫(kù)，并點(diǎn)擊 "Install" (參考 下圖) 。

選擇RadioLib庫(kù)是一個(gè)重要的工程決策。它作為一個(gè)硬件抽象層（HAL），將底層復(fù)雜的寄存器讀寫操作封裝成易于理解和使用的函數(shù)。這意味著開發(fā)者無需深入研究LR1120芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)即可快速實(shí)現(xiàn)通信功能。此外，由于RadioLib支持多種射頻模塊（如SX127x, SX126x, CC1101等），為本項(xiàng)目編寫的代碼可以很方便地移植到其他硬件平臺(tái)，從而提高了代碼的可重用性和項(xiàng)目的靈活性 。

實(shí)現(xiàn)并分析“乒乓”通信測(cè)試

完成環(huán)境配置后，接下來通過一個(gè)“乒乓”通信示例來驗(yàn)證硬件連接和軟件設(shè)置的正確性。該示例中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)（發(fā)起節(jié)點(diǎn)）發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)（響應(yīng)節(jié)點(diǎn)）接收到后會(huì)回復(fù)一個(gè)數(shù)據(jù)包，如此循環(huán)往復(fù)。

1 加載示例程序

在Arduino IDE中，通過菜單欄導(dǎo)航至 File > Examples > RadioLib > PhysicalLayer > LR11x0_PingPong 來打開示例代碼 (參考 下圖) 。

2 代碼走讀與分析

以下是對(duì)LR11x0_PingPong.ino 關(guān)鍵部分的分析。

節(jié)點(diǎn)角色定義:

C++

// uncomment the following only on one
// of the nodes to initiate the pings
#defineINITIATING_NODE

此處的 #define INITIATING_NODE 宏定義是區(qū)分兩個(gè)節(jié)點(diǎn)角色的關(guān)鍵。同一份代碼需要被上傳到兩個(gè)ESP32設(shè)備上。在一個(gè)設(shè)備上，需要取消這一行的注釋，使其成為“發(fā)起節(jié)點(diǎn)”。在另一個(gè)設(shè)備上，保持這一行被注釋，它將自動(dòng)成為“響應(yīng)節(jié)點(diǎn)”。這是一種在嵌入式開發(fā)中非常常見且高效的技術(shù)，可以用單一代碼庫(kù)實(shí)現(xiàn)兩種不同的設(shè)備行為。

硬件引腳定義與SPI總線配置

C++

#definecs 10
#defineirq 2
#definerst 4
#definebusy 9

SPIClass spi(HSPI);
SPISettings spiSettings(2000000, MSBFIRST, SPI_MODE0);

引腳定義: #define 語句塊定義了ESP32與LoRa1120模塊連接的GPIO引腳。這里定義的數(shù)值（10, 2, 4, 9）必須與第二節(jié)中實(shí)際的硬件接線完全一致 。

SPI總線選擇: SPIClass spi(HSPI); 這行代碼指定了使用ESP32的哪個(gè)SPI外設(shè)。ESP32通常擁有多個(gè)SPI接口（如VSPI和HSPI）。此處明確選擇了HSPI。對(duì)于使用不同型號(hào)ESP32開發(fā)板的工程師來說，這是一個(gè)關(guān)鍵細(xì)節(jié)，因?yàn)椴煌_發(fā)板的SPI引腳分配可能不同。

SPI參數(shù)設(shè)置: SPISettings spiSettings(...) 用于配置SPI通信的參數(shù)。

2000000: 設(shè)置SPI時(shí)鐘速度為2 MHz。

MSBFIRST: 設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸為最高有效位（Most Significant Bit）優(yōu)先。

SPI_MODE0: 定義SPI的時(shí)鐘極性（CPOL=0）和時(shí)鐘相位（CPHA=0）。這些參數(shù)必須符合LR1120芯片的技術(shù)要求。

RadioLib對(duì)象實(shí)例化

C++

LR1120 radio = newModule(cs, irq, rst, busy, spi, spiSettings);

這是整個(gè)程序的核心部分。該行代碼創(chuàng)建了一個(gè)LR1120驅(qū)動(dòng)的對(duì)象實(shí)例，名為 radio。在創(chuàng)建對(duì)象時(shí)，將前面定義的所有硬件引腳編號(hào)（cs, irq, rst, busy）和SPI配置對(duì)象（spi, spiSettings）作為參數(shù)傳入。這一步完成了軟件配置與物理硬件的最終鏈接。這種面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)體現(xiàn)了良好的軟件架構(gòu)，將硬件相關(guān)的配置集中管理，使得代碼更易于維護(hù)和移植。

模塊初始化

在 setup() 函數(shù)中，radio.begin() 函數(shù)負(fù)責(zé)執(zhí)行與LoRa1120模塊的初始通信。它會(huì)通過SPI接口對(duì)模塊進(jìn)行一系列初始化配置，包括設(shè)置默認(rèn)的LoRa參數(shù)（如頻率、帶寬、擴(kuò)頻因子等），并檢查模塊是否正常響應(yīng)。如果初始化成功，程序?qū)⒗^續(xù)執(zhí)行；否則，將打印錯(cuò)誤代碼并進(jìn)入死循環(huán)，方便開發(fā)者進(jìn)行調(diào)試 。

3 固件編譯與上傳

在Arduino IDE的 Tools 菜單中，選擇正確的開發(fā)板（例如 "ESP32 PICO-D4"）和對(duì)應(yīng)的COM端口。

點(diǎn)擊IDE工具欄上的 "Upload"（上傳）按鈕。IDE將自動(dòng)編譯代碼并將其燒錄到ESP32中 (參考 下圖)。

對(duì)兩個(gè)設(shè)備重復(fù)此操作（注意其中一個(gè)要取消 #define INITIATING_NODE 的注釋）。

驗(yàn)證操作與解讀通信指標(biāo)

固件上傳完成后，需要通過串口監(jiān)視器來驗(yàn)證通信是否成功，并理解輸出的關(guān)鍵性能指標(biāo)。

訪問串口監(jiān)視器

在Arduino IDE中，點(diǎn)擊右上角的放大鏡圖標(biāo)或通過 Tools > Serial Monitor 打開串口監(jiān)視器。

確保右下角的波特率設(shè)置為 115200，這必須與代碼中 Serial.begin(115200); 的設(shè)置相匹配。

分析輸出日志

上電后，您應(yīng)該能在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的串口監(jiān)視器中看到類似以下的交替輸出 ：

發(fā)起節(jié)點(diǎn) (Initiating Node) (參考 下圖):

響應(yīng)節(jié)點(diǎn) (Responding Node) (參考 下圖):

技術(shù)指標(biāo)解讀

輸出日志中的RSSI和SNR是衡量無線通信鏈路質(zhì)量最重要的兩個(gè)指標(biāo)。它們不僅僅是數(shù)字，更是診斷和優(yōu)化無線系統(tǒng)的關(guān)鍵工具。

RSSI (Received Signal Strength Indicator, 接收信號(hào)強(qiáng)度指示):

定義: RSSI是接收端測(cè)量到的信號(hào)功率，單位為dBm。它是一個(gè)對(duì)數(shù)單位，值越接近0表示信號(hào)越強(qiáng)。例如，-66 dBm是一個(gè)非常強(qiáng)的信號(hào)，通常表示收發(fā)設(shè)備距離很近且無障礙物。

應(yīng)用: RSSI直接反映了鏈路預(yù)算和通信距離。在實(shí)際部署中，通過監(jiān)測(cè)RSSI的變化，可以判斷信號(hào)是否被遮擋、天線連接是否松動(dòng)或設(shè)備是否超出了有效通信范圍。

SNR (Signal-to-Noise Ratio, 信噪比):

定義: SNR衡量的是目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度與背景噪聲強(qiáng)度的比值，單位為dB。正值表示信號(hào)強(qiáng)度高于噪聲，值越大表示信號(hào)越清晰，抗干擾能力越強(qiáng)。例如，12.50 dB的SNR表示信號(hào)質(zhì)量非常高。

LoRa的特點(diǎn): LoRa調(diào)制技術(shù)的一個(gè)核心優(yōu)勢(shì)是它能夠在負(fù)信噪比（即信號(hào)強(qiáng)度低于噪聲）的情況下成功解調(diào)數(shù)據(jù)。這是LoRa能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信的關(guān)鍵原因之一。示例中出現(xiàn)的高SNR值表明測(cè)試環(huán)境的電磁干擾非常小。

應(yīng)用: 在實(shí)際環(huán)境中，如果RSSI值正常但SNR值很低或波動(dòng)很大，通常意味著存在來自其他無線設(shè)備（如Wi-Fi路由器、藍(lán)牙設(shè)備等）的射頻干擾。通過分析SNR，可以幫助工程師選擇更干凈的信道或采取屏蔽措施。

通過教會(huì)工程師如何從診斷的角度思考這些指標(biāo)，本指南旨在幫助他們解決實(shí)際部署中可能遇到的問題。例如，可以進(jìn)行一個(gè)后續(xù)實(shí)驗(yàn)：將兩個(gè)設(shè)備逐漸拉開距離，觀察RSSI的衰減；或?qū)⒃O(shè)備放置在Wi-Fi路由器旁邊，觀察SNR是否下降。這將一個(gè)簡(jiǎn)單的驗(yàn)證步驟轉(zhuǎn)變?yōu)橐淮侮P(guān)于射頻鏈路分析的實(shí)踐課程。

自定義硬件集成注意事項(xiàng)

當(dāng)項(xiàng)目從原型驗(yàn)證階段進(jìn)入定制化產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段時(shí)，工程師需要將LoRa1120模塊集成到自定義的PCB上。本節(jié)提供了進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和參考。

模塊引腳定義

下圖 為L(zhǎng)oRa1120模塊的引腳布局圖，可與下表對(duì)照參考:

機(jī)械尺寸與PCB布局

為了在EDA軟件（如Altium Designer, KiCad）中創(chuàng)建精確的PCB封裝（footprint），必須參考模塊的機(jī)械尺寸圖 。這確保了模塊能夠正確地焊接到PCB上 。

參考電路與功耗分析

在設(shè)計(jì)原理圖時(shí)，可以參考官方提供的典型應(yīng)用電路 。應(yīng)特別注意電源引腳旁的去耦電容配置和天線端口的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳射頻性能和通過法規(guī)認(rèn)證至關(guān)重要。

進(jìn)行電源預(yù)算分析時(shí)，以下電氣特性是關(guān)鍵參考數(shù)據(jù) ：

其中，小于1 µA的睡眠電流是LoRa技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)之一。這一極低的功耗特性使得基于LoRa1120的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠依靠電池供電工作數(shù)年之久。在進(jìn)行固件設(shè)計(jì)時(shí)，電源管理策略應(yīng)圍繞這一點(diǎn)展開，即盡可能讓設(shè)備在完成數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)后迅速進(jìn)入深度睡眠模式，以最大限度地延長(zhǎng)電池壽命。本節(jié)提供的數(shù)據(jù)，正是連接實(shí)驗(yàn)原型與最終產(chǎn)品的橋梁。

焊接參考

對(duì)于表面貼裝（SMT）工藝，建議遵循以下無鉛回流焊溫度曲線。

下表 詳細(xì)列出了符合IPC/JEDEC J-STD-020B標(biāo)準(zhǔn)的推薦參數(shù)。

結(jié)論

本報(bào)告系統(tǒng)地闡述了使用LoRa1120模塊和ESP32微控制器實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)LoRa通信的全過程。內(nèi)容涵蓋了從模塊技術(shù)特性分析、硬件系統(tǒng)連接、開發(fā)環(huán)境配置，到固件實(shí)現(xiàn)、通信驗(yàn)證和關(guān)鍵性能指標(biāo)解讀。

通過實(shí)踐證明，將LoRa1120模塊、功能強(qiáng)大的ESP32微控制器以及成熟的RadioLib軟件庫(kù)相結(jié)合，為開發(fā)遠(yuǎn)距離、低功耗無線應(yīng)用提供了一個(gè)堅(jiān)實(shí)且高效的平臺(tái)。成功實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信鏈路，不僅驗(yàn)證了硬件和軟件配置的正確性，也為開發(fā)者提供了一個(gè)經(jīng)過驗(yàn)證的基線。基于此基線，開發(fā)者可以進(jìn)一步探索該模塊更高級(jí)的功能，例如構(gòu)建LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、利用長(zhǎng)距離跳頻擴(kuò)頻（LR-FHSS）技術(shù)，以及開發(fā)其集成的GNSS和Wi-Fi地理定位功能。