【LoRa技术科普】科普技术

物联网应用中的无线技术有多种，可组成局域网或广域网。组成局域网的无线技术主要有24GHz的WiFi，蓝牙、Zigbee等，组成广域网的无线技术主要有2G/3G/4G等。这些无线技术，优缺点非常明显，可如下图总结。在低功耗广域网（Low Power Wide Area Network,LPWAN）产生之前，似乎远距离和低功耗两者之间只能二选一。当采用LPWAN技术之后，设计人员可做到两者都兼顾，最大程度地实现更长距离通信与更低功耗，同时还可节省额外的中继器成本。

LoRa 是LPWAN通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。这一方案改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，为用户提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的系统，进而扩展传感网络。目前，LoRa 主要在全球免费频段运行，包括433、868、915 MHz等。

LoRa技术具有远距离、低功耗（电池寿命长）、多节点、低成本的特性。

下图以USA情况为例，从灵敏度、链路预算、覆盖范围、传输速率、发送电流、待机电流、接收电流、2000mAh电池使用寿命、定位、抗干扰性、拓扑结构、最大终端连接数等参数上比较了Sigfox、LTE-M、ZigBee、WLAN、80211ah和LoRa的区别。后续的LoRa技术小型科普文（下）将具体解释以上的部分参数。

LoRa网络构成

LoRa网络主要由终端（可内置LoRa模块）、网关（或称基站）、Server和云四部分组成。应用数据可双向传输。

LoRa联盟LoRa联盟是2015年3月Semtech牵头成立的一个开放的、非盈利的组织，发起成员还有法国Actility，中国AUGTEK和荷兰皇家电信kpn等企业。不到一年时间，联盟已经发展成员公司150余家，其中不乏IBM、思科、法国Orange等重量级产商。产业链（终端硬件产商、芯片产商、模块网关产商、软件厂商、系统集成商、网络运营商）中的每一环均有大量的企业，这种技术的开放性，竞争与合作的充分性都促使了LoRa的快速发展与生态繁盛。

网络部署

目前LoRa网络已经在世界多地进行试点或部署。据LoRa Alliance早先公布的数据，已经有9个国家开始建网，56个国家开始进行试点。中国AUGTEK在京杭大运河完成284个基站的建设，覆盖1300Km流域；

美国网络运营商Senet于2015年中在北美完成了50个基站的建设、覆盖15,000平方英里（约38850平方千米），预计在第一阶段完成超过200个基站架设；

法国电信Orange宣布在2016年初在法国建网；

荷兰皇家电信kpn宣布将在新西兰建网，在2016年前达到50%覆盖率；

印度Tata宣布将在Mumbai和Delhi建网；

Telstra宣布将在墨尔本试点……(后续的文章将详细介绍部分公司利用LoRa技术做出的应用)

LoRaWAN协议

LoRaWAN是 LoRa联盟推出的一个基于开源的MAC层协议的低功耗广域网（Low Power Wide Area Network, LPWAN）标准。这一技术可以为电池供电的无线设备提供局域、全国或全球的网络。LoRaWAN瞄准的是物联网中的一些核心需求，如安全双向通讯、移动通讯和静态位置识别等服务。该技术无需本地复杂配置，就可以让智能设备间实现无缝对接互 *** 作，给物联网领域的用户、开发者和企业自由 *** 作权限。

LoRaWAN网络架构是一个典型的星形拓扑结构，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。网关与服务器间通过标准IP连接，终端设备采用单跳与一个或多个网关通信。所有的节点与网关间均是双向通信，同时也支持云端升级等 *** 作以减少云端通讯时间。终端与网关之间的通信是在不同频率和数据传输速率基础上完成的，数据速率的选择需要在传输距离和消息时延之间权衡。由于采用了扩频技术，不同传输速率的通信不会互相干扰，且还会创建一组“虚拟化”的频段来增加网关容量。LoRaWAN的数据传输速率范围为03 kbps至375 kbps，为了最大化终端设备电池的寿命和整个网络容量，LoRaWAN网络服务器通过一种速率自适应（Adaptive Data Rate , ADR）方案来控制数据传输速率和每一终端设备的射频输出功率。全国性覆盖的广域网络瞄准的是诸如关键性基础设施建设、机密的个人数据传输或社会公共服务等物联网应用。关于安全通信，LoRaWAN一般采用多层加密的方式来解决：一、独特的网络密钥（EU164），保证网络层安全；

二、独特的应用密钥（EU164），保证应用层终端到终端之间的安全；

三、属于设备的特别密钥（EUI128）。LoRaWAN网络根据实际应用的不同，把终端设备划分成A/B/C三类：Class A：双向通信终端设备。这一类的终端设备允许双向通信，每一个终端设备上行传输会伴随着两个下行接收窗口。终端设备的传输槽是基于其自身通信需求，其微调是基于一个随机的时间基准（ALOHA协议）。Class A所属的终端设备在应用时功耗最低，终端发送一个上行传输信号后，服务器能很迅速地进行下行通信，任何时候，服务器的下行通信都只能在上行通信之后。

Class B：具有预设接收槽的双向通信终端设备。这一类的终端设备会在预设时间中开放多余的接收窗口，为了达到这一目的，终端设备会同步从网关接收一个Beacon，通过Beacon将基站与模块的时间进行同步。这种方式能使服务器知晓终端设备正在接收数据。

Class C：具有最大接收槽的双向通信终端设备。这一类的终端设备持续开放接收窗口，只在传输时关闭。

LoRa技术要点

一般说来，传输速率、工作频段和网络拓扑结构是影响传感网络特性的三个主要参数。传输速率的选择将影响系统的传输距离和电池寿命；

工作频段的选择要折中考虑频段和系统的设计目标；

而在FSK系统中，网络拓扑结构的选择是由传输距离要求和系统需要的节点数目来决定的。LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，拥有前所未有的性能。此前，只有那些高等级的工业无线电通信会融合这些技术，而随着LoRa的引入，嵌入式无线通信领域的局面发生了彻底的改变。

前向纠错编码技术是给待传输数据序列中增加了一些冗余信息，这样，数据传输进程中注入的错误码元在接收端就会被及时纠正。这一技术减少了以往创建“自修复”数据包来重发的需求，且在解决由多径衰落引发的突发性误码中表现良好。一旦数据包分组建立起来且注入前向纠错编码以保障可靠性，这些数据包将被送到数字扩频调制器中。这一调制器将分组数据包中每一比特馈入一个“展扩器”中，将每一比特时间划分为众多码片。

即使噪声很大，LoRa也能从容应对LoRa调制解调器经配置后，可划分的范围为64-4096码片/比特，最高可使用4096码片/比特中的最高扩频因子（12）。相对而言，ZigBee仅能划分的范围为10-12码片/比特。通过使用高扩频因子，LoRa技术可将小容量数据通过大范围的无线电频谱传输出去。实际上，当你通过频谱分析仪测量时，这些数据看上去像噪音，但区别在于噪音是不相关的，而数据具有相关性，基于此，数据实际上可以从噪音中被提取出来。扩频因子越高，越多数据可从噪音中提取出来。在一个运转良好的GFSK接收端，8dB的最小信噪比（SNR）需要可靠地解调信号，采用配置AngelBlocks的方式，LoRa可解调一个信号，其信噪比为-20dB，GFSK方式与这一结果差距为28dB，这相当于范围和距离扩大了很多。在户外环境下，6dB的差距就可以实现2倍于原来的传输距离。

超强的链路预算，让信号飞的更远

为了有效地对比不同技术之间传输范围的表现，我们使用一个叫做“链路预算”的定量指标。链路预算包括影响接收端信号强度的每一变量，在其简化体系中包括发射功率加上接收端灵敏度。AngelBlocks的发射功率为100mW (20dBm)，接收端灵敏度为-129dBm，总的链路预算为149dB。比较而言，拥有灵敏度-110dBm（这已是其极好的数据）的GFSK无线技术，需要5W的功率(37dBm)才能达到相同的链路预算值。在实践中，大多GFSK无线技术接收端灵敏度可达到-103dBm，在此状况下，发射端发射频率必须为46dBm或者大约36W，才能达到与LoRa类似的链路预算值。

因此，使用LoRa技术我们能够以低发射功率获得更广的传输范围和距离，这种低功耗广域技术正是我们所需的。

关于LPWAN

低功耗广域网络（Low Power Wide Area Network, LPWAN)是物联网中不可或缺的一部分，具有功耗低、覆盖范围广、穿透性强的特点，适用于每隔几分钟发送和接收少量数据的应用情况，如水运定位、路灯监测、停车位监测等等。LPWAN相关组织LoRa联盟目前在全球已有145位成员，其繁茂的生态系统让遵循LoRaWAN协议的设备具有很强的互 *** 作性。一个完全符合LoRaWAN标准的通讯网关可以接入5到10公里内上万个无线传感器节点，其效率远远高于传统的点对点轮询的通讯模式，也能大幅度降低节点通讯功耗。

2021下半年，英国太空初创公司SpaceLacuna首次使用荷兰Dwingeloo的射电望远镜从月球上反射回LoRa信息。从数据捕获的质量来看，这绝对是一次令人印象深刻的实验，因为其中一条消息甚至包含完整的LoRaWAN 帧。

据悉，LacunaSpace 使用一组低地球轨道卫星从与Semtech 的 LoRa设备和地面无线射频技术集成的传感器接收信息。卫星在距地面500 公里处每100 分钟在地球两极上空盘旋一次。随着地球自转，卫星覆盖全球。LoRaWAN由卫星使用，它可以节省电池电量，并且消息会在短时间内存储，直到它们通过地面站网络。然后将数据中继到地面网络上的应用程序，或者可以在基于Web 的应用程序上查看。

此次，LacunaSpace发出的LoRa信号持续了244 秒后被同一芯片接收， 其传播距离大约730360公里，截至目前，这或许是LoRa消息传输的最远距离。

要说基于LoRa技术的星地通信，其实早在2018年 2 月的TTN(TheThings Network)大会上，就已经取得了里程碑式的进展，证明了LoRa 可在卫星物联网下应用的可能性。在当时现场演示中，接收机捕捉到了从低轨卫星传来的LoRa信号。

如今，利用现有的低功耗远距离物联网技术，如LoRa或NB-IoT，为全球各地的物联网设备和在轨卫星之间提供直接通信，可以被视为低功耗广域网市场的一部分。在其商业价值在被大范围认可之前，不妨碍这些技术成为一个很有意思的应用方向。

Semtech发力LR-FHSS

填补物联网连接的市场空白

早在前几年，Semtech就开始发力LR-FHSS，并于2021年年底正式宣布LoRa平台增加对LR-FHSS的支持。

所谓LR-FHSS，即长距离-跳频扩频，英文全称为LongRange – Frequency Hopping SpreadSpectrum。同LoRa一样，也是一种物理层调制技术，其性能大部分与LoRa保持一致，如灵敏度、带宽支持等。

LR-FHSS理论上可支持数以百万计的终端节点，这显著提高了网络容量，解决之前制约着LoRaWAN发展的信道拥塞问题。此外，LR-FHSS还具有高抗干扰性，可通过提高频谱效率来缓解数据包冲突，并拥有上行链路跳频调制能力。

集成LR-FHSS功能后，LoRa更适用于终端密集、数据包多的应用场景。也因此，集成了LR-FHSS功能的LoRa卫星项目具备多重优势：

一是，可接入十倍于LoRa网络的终端容量 ;

二是，传输距离更远，可达600-1600km ;

三是，抗干扰性更强 ;

四是，实现了更低的成本，包括管理和部署成本(不需要额外开发硬件，自身具备卫星通讯能力)。

据悉，Semtech的LoRaSX1261、SX1262收发器和 LoRaEdgeTM 平台以及V21网关参考设计均已支持LR-FHSS。因此，在现实应用中， 通过 LoRa终端 与 网关 分别进行软件升级与更换，即可先提升网络容量和抗干扰能力，而对于已经部署了V21网关的LoRaWAN 网络，运营商可以通过简单的网关固件升级来启用新功能。

集成LR-FHSS

LoRa不断拓展应用版图

此前，物联网市场研究机构BergInsight发布了一份卫星物联网的调研报告，数据显示，虽然受到新冠疫情的不利影响，2020年全球卫星物联网用户数仍然实现增长，总规模达到340万;预计未来几年全球卫星物联网用户年复合年增长率将高达358%，在2025年将达到1570万。

目前， 全球仅有10%的地区可以访问卫星通信服务 ，这为卫星物联网的发展提供了广阔的市场空间，也是低功耗卫星物联网的机会。

LR-FHSS也将在全球范围内推动LoRa部署的发展，LoRa平台增加对LR-FHSS的支持后，不仅有助于其为偏远地区提供具有更高性价比、无处不在的连接服务，更标志其向在人口稠密地区实现大规模物联网部署迈出了重要一步，将进一步推动LoRa的全球部署以及进一步拓展创新应用：

01

支持卫星物联网服务

LR-FHSS让卫星能够连接到全球的广大偏远地区，支持无网络覆盖区域的定位和数据传输需求。相关LoRa用例包括野生动物的追踪、海上船只集装箱定位、牧场牲畜定位、提高农作物产量的智能农业解决方案、以及用于提高供应链效率的全球分销资产跟踪等。

02

支持更频繁的数据交换

在以往的LoRa应用领域中，如物流及资产追踪、智慧楼宇及园区、智能家居、智慧社区等，由于这些应用场景下发出的信号越来越长、信号交换越来越频繁的原因，空中的LoRa调制信号量将显著增加。由此带来的LoRaWAN发展的信道拥塞问题也可通过升级LoRa终端及更换网关来解决这一问题。

03

增强室内深度覆盖

除了拓展网络容量之外，LR-FHSS支持在同一网络基础设施中实现更深的室内终端节点，从而提高了大型物联网项目的可扩展性。例如，LoRa是全球智能电表市场的首选技术，而增强的室内覆盖将进深度一步巩固其地位。

低功耗卫星物联网入局玩家越来越多

海外LoRa卫星项目不断涌现

麦肯锡公司曾预测，天基物联网的产值在2025年可能达到5600-8500亿美元的产值，这也许是大量企业追逐这一市场的主要原因。当前，已有近几十家厂商提出了卫星物联网组网计划。

从海外市场来看，卫星物联网是物联网市场一个创新的重要领域。LoRa作为低功耗卫星物联网中的一部分，在海外市场上已经有了不少应用：

2019年，Space Lacuna联合Miromico开始对LoRa卫星物联网项目进行商业试验，并于次年成功应用到农业、环境监测或资产跟踪当中。通过使用 LoRaWAN，电池供电的物联网设备的使用寿命可以延长，节省运维成本。

IRNAS 与Space Lacuna合作 探索 LoRaWAN技术的新用途，包括跟踪南极洲的野生动物以及使用 LoRaWAN网络的浮标，以便在海洋环境中部署密集的传感器网络，从而支持系泊应用和漂流。

Swarm (已被Space X收购)已将Semtech的LoRa器件集成到其连接解决方案中，从而实现近地轨道卫星间的双向通信。为Swarm在物流、农业、联网 汽车 和能源等领域开辟了新的物联网(IoT)使用场景。

Inmarsat与Actility合作形成Inmarsat LoRaWAN网络，该平台以Inmarsat ELERA骨干网络为基础，为物联网客户提供丰富的解决方案，包括农业、电力、石油和天然气、采矿、物流等行业。

……

纵观海外市场，不仅已有不少成熟的应用该项目。很多企业的积极性也非常高，Omnispace、EchoStarMobile、Lunark等等众多公司都在尝试利用LoRaWAN网络以提供更成本更低、容量更大、覆盖范围更广的物联网服务。

写在最后

虽说，LoRa技术还可用于填补缺乏传统网络覆盖的农村地区和海洋的空白，是解决“万物互联”的极佳路径。

但是从国内市场角度来看，LoRa在这方面的发展仍处于起步阶段。 相比海外，面临着更多的难题：需求方面，由于海事卫星的网络覆盖已经非常好且数据可以双向传输，因此并不强劲;应用方面，国内仍然比较局限，主要盯着集装箱项目，鉴于以上原因，国内卫星企业想要推动LR-FHSS的应用也比较难;资本方面，由于项目的不确定比较大，项目可大可小、周期很长，因此这种类型的项目很大程度上取决于资本的投入。

用C语言写，如WriteUART0(charp),其中p是缓冲区指针，那么AT命令程序如下：

WriteUART0(“AT+CSCA=\"+8613010180500\"r”);//设置短信中心号码

WriteUART0(“AT+CMGF=1\"r”);//设置为Text模式

蓝牙有RXD与TXD引脚, 用串口通信 ,代码可以参考网上的一些资料

使用AT指令的时候，先使蓝牙模块进入AT模式，然后你就当蓝牙就是命令的接收端，单片机或者PC串口就是命令的发送端（就当蓝牙是独立的模块）。

串口发送的AT数据是直接给蓝牙模块的，这个串口可以是PC串口也可以是单片机串口。

如果你想用单片机实现AT指令设置蓝牙，就用一个IO控制蓝牙模块的KEY管脚，把AT指令写在程序中，通过串口发送给蓝牙模块。

参考《吴鉴鹰单片机项目实战精讲》

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