LoRa通信及應用一、LoRa通信二、典型工業無線通信應用(LoRa)一、LoRa通信1.LoRa通信原理擴頻通信（SSC），即擴展頻譜通信技術（SpreadSpectrumCommunication），它的基本特點是其傳輸信息所用信號的帶寬，遠大于信息本身的帶寬。例如，傳輸一個64Kbps的數據流，其基帶帶寬只有64KHz左右，但用擴頻技術傳送時，它所占據的信道帶寬可以被擴展到5MHz，10MHz，甚至更大。與此同時，發射到空間的無線電功率譜（單位帶寬內具有的功率），也將大大的降低。常規數字通信，是使用與數據速率相適應的盡可能小的帶寬。這是因為帶寬數是有限的，而且有很多的用戶要分享。擴頻通信是盡可能使用最大帶寬數，同樣的能量在一個大的帶寬上傳播。增加信號帶寬可以降低對信噪比的要求，當帶寬增加到一定程度，允許信噪比進一步降低。擴頻通信的基本思想和理論依據就是用寬帶傳輸技術來換取信噪比上的好處。擴頻通信系統由于在發送端擴展了信號頻譜，在接收端解擴還原了信息，這樣的系統帶來的好處是大大提高了抗干擾容限。一、LoRa通信除此以外，擴頻通信還具有如下特征：（1）是一種數字傳輸方式。（2）帶寬的展寬是利用與被傳信息無關的函數(擴頻函數)對被傳信息進行調制實現的。（3）在接收端使用相同的擴頻函數對擴頻信號進行相關解調，還原出被傳信息。LoRa是諸多LPWAN通信技術中的一種，是一種基于擴頻的調制方式，通過擴頻把信號擴展到帶寬較寬的噪聲中，獲得擴頻增益。LoRa（LongRange）擴頻代表性的擴頻方式有兩種：直接序列擴頻（簡稱直序擴頻，DSSS）；跳頻（FHSS）。LoRa技術是直接序列擴頻的衍生技術。圖1LoRa擴頻技術示意圖一、LoRa通信頻譜的擴展是用數字化方式實現的。在一個二進制碼位的時段內用一組新的多位長的碼型予以置換，新碼型的碼速率遠遠高出原碼的碼速率，由傅立葉分析可知新碼型的帶寬遠遠高出原碼的帶寬，從而將信號的帶寬進行了擴展。這些新的碼型也叫偽隨機（PN）碼，碼位越長系統性能越高。通常，商用擴頻系統PN碼碼長應不低于12位，一般取32位，軍用系統可達千位。目前常見的碼型有以下三種：（1）M序列，即最長線性偽隨機系列。（2）GOLD序列。（3）WALSH函數正交碼。無線收發機中廣泛應用的調制方式FSK/GFSK，如果要進一步減小FSK系統的接收機帶寬，唯一可行的辦法就是提高參考晶體的精確度，但溫補晶振的價錢將是普通晶體的三倍。與FSK系統相比，使用同樣低成本普通晶體時，LoRa擴頻方式在靈敏度上改善了30dB，理論上相當于增加了5倍的傳輸距離。一、LoRa通信在等同的數據速率條件下，商用LoRa傳輸距離與穿透能力相比于傳統FSK，GFSK等有0.5-0.8倍的提升。LoRa擴頻的優勢（1）抗干擾能力強，對同頻干擾及各種噪聲具有極強的抑制能力。減少誤碼率，即信噪比。（2）發射功率密度低，不易對其他設備造成干擾。（3）保密性高，被截獲的可能性極低。（4）具有極好的抗多徑衰落性能。一、LoRa通信2.擴頻通信原理LoRa擴頻技術一經推出，就憑借它驚人的靈敏度、強悍的抗干擾能力、出色的系統容量表現，贏得了廣泛的關注。它給人們呈現了一個能實現遠距離、長電池壽命、大系統容量、低硬件成本的全新通信技術，而這正是物聯網（IoT）所需要的。常見的藍牙，WiFi，還是LoRa，載波上載的都是數字信號，即0、1這種有效信號。LoRa調制傳輸中的0和1這種一位數據是用碼片來代表的。碼片可以理解為在載波頻率帶寬等其他無線參數設定一致的情況下。發送一個碼片的時間是固定的。而擴頻就是用多少個碼片來代表一位數據。一、LoRa通信在lora軟件配置的過程中，有個參數叫做擴頻因子，用來設定擴頻。一共有6-12七個等級，如圖2所示，擴頻因子最小設定值為6，這個時候就代表用64個碼片來代表一位。當擴頻因子設定為7時，就要用128個碼片來代表一位。可以看到設定的擴頻因子越大，對應的碼片數量越多，這樣傳輸一位的時間就會更長。擴頻因子和對應的碼片數量也是有一定關系，2的6次方是64，2的7次方是128，可以得出結論，擴頻因子的設定的越大，抗干擾能力會越強，但是傳輸速率就會降低。這也導致LoRa通信不適合傳輸很大的數據量。圖2擴頻示意圖二、典型工業無線通信應用(LoRa)如圖所示，某農場為了更好灌溉農作物，計劃在農場中心設立一個水塔，并利用電機帶動水泵為水塔供水。由于農場較大，電機距離控制中心較遠（3km以內）且不易在現場布線，所以決定采用LoRa遠程通信技術來實現對電機的閉環控制。控制方案即控制器通過收發模塊，將控制數據無線傳輸至從站的IO端子模塊，IO端子模塊再通過IO信號與電機驅動器通信，其中電機的相關控制程序已由專業人員編制完成。圖3二、典型工業無線通信應用(LoRa)工具/輔件準備USB-RS485雙線連接線、422/485-USB（四線/串口）連接線、香蕉頭疊插連接線圖4(a)USB-RS485雙線連接線(b)422/485-USB（四線/串口）連接線(c)香蕉頭疊插連接線二、典型工業無線通信應用(LoRa)1.LoRa無線透傳模塊的設置（1）USB-485串口調試線連接PC與LoRa無線透傳模塊串口圖5二、典型工業無線通信應用(LoRa)（2）查看PC段當前已連接的端口號圖6二、典型工業無線通信應用(LoRa)（3）打開無線透傳設置工具軟件圖7二、典型工業無線通信應用(LoRa)（4）選擇串口號：COM11（對應PC段連接的端口號），點擊“打開串口”圖8二、典型工業無線通信應用(LoRa)（5）通信參數配置中，可以根據手冊默認先行設置；然后點擊“命令模式”，右側可以查看當前的網絡參數、無線參數和通信參數。當前模式可以修改。主要修改“發送頻率”與“接收頻率”，要與從站的采集塊相對應。設置后點擊“發送”，成功后點擊重啟模塊。圖9二、典型工業無線通信應用(LoRa)（6）使用串口調試軟件進行測試，可以看到透傳模塊中“RXD”、“RFD”數據等閃爍，證明數據發送正常。圖10二、典型工業無線通信應用(LoRa)2.LoRa數據采集模塊設置（1）USB-485串口調試線連接PC與LoRa采集器485串口圖11二、典型工業無線通信應用(LoRa)（2）采集模塊的數據接線連接A、B端口。其中A-A、B-B。圖12二、典型工業無線通信應用(LoRa)（3）查看PC段當前已連接的端口號圖13二、典型工業無線通信應用(LoRa)（4）打開數據采集器設置工具軟件圖14二、典型工業無線通信應用(LoRa)（5）①選擇模塊型號：ModBus-8IO6AI2AO；②串口參數設置與透傳模塊一致（默認參數9600，8，1，None，默認地址1）；采集器的波特率、站地址由撥碼開關決定③LoRa串口模式設置為“透傳口模式”④參數設置后，點擊“開始掃描”（模塊若無反應，可以重啟模塊）圖15二、典型工業無線通信應用(LoRa)（5）注意：①透傳口模式：為數據采集模塊與透傳模塊連接模式；②主站口模式：為數據采集模塊與PC機連接模式。圖16二、典型工業無線通信應用(LoRa)（6）連接異常，重置模塊。重置操作：模塊上電時，按住復位按鈕直到RUN燈常亮后松開按鈕，RUN燈閃爍兩次后熄滅，再將模塊斷電至少3s后上電，即可恢復出廠參數下圖所示連接成功。圖17二、典型工業無線通信應用(LoRa)（7）無線參數配置：此處無線參數（擴頻因子、編碼率等）需要與透傳模塊保持一致。重點需要設置：發送頻率（與透傳的接收相一致）和接收頻率（與透傳的發送相一致）。修改之后點擊“發送”圖18二、典型工業無線通信應用(LoRa)（8）空中波特率相關的含義和設置方法圖19二、典型工業無線通信應用(LoRa)（9）驗證1：數字量信號的強制輸出。起始地址4，對應Q0.4，數據長度代表輸出點位數量，點擊“開啟”可以強制輸出數字量信號圖20二、典型工業無線通信應用(LoRa)（10）驗證2：模擬量信號的強制輸出。數據長度12位，對應0~4095，對應電壓0~10V，對應電流0~20mA。右側邊框寫入數字，點擊“寫入”，檢測模擬量輸出端口。圖21二、典型工業無線通信應用(LoRa)（11）數據長度12位，對應0~4095，對應電壓0~10V。用萬用表的電壓檔可以測量當前輸出端口（V4/4M）的輸出電壓圖22二、典型工業無線通信應用(LoRa)（12）數據長度12位，對應0~4095，對應電流0~20mA。用萬用表的電流檔可以測量當前輸出端口（I4/4M）的輸出電流圖23二、典型工業無線通信應用(LoRa)（13）設置完成后，關閉串口，然后需要重啟模塊（斷電3s以上），參數方能生效如未能生效，重置模塊二、典型工業無線通信應用(LoRa)3.透傳模塊與數據采集的通信測試（1）利用USB-485連接線分別將LoRa透傳模塊和數據采集器連接至PC機端口圖24二、典型工業無線通信應用(LoRa)（2）打開串口/網絡調試助手（串口調試功能），測試數據是否互通。備注：該調試助手需要打開兩次。圖25二、典型工業無線通信應用(LoRa)（3）選擇串口號（兩助手分別連接不同的產口號）、波特率，設置檢驗位、數據位和停止位參數，點擊“OPEN”,然后發送數據圖26二、典型工業無線通信應用(LoRa)（4）觀察LoRa的透傳模塊和數據采集模塊對應的指示燈是否閃爍。兩助手互相發送數據，觀察是否能在另一助手的界面中讀取到該數據。圖示即為正常圖27二、典型工業無線通信應用(LoRa)4.PLC編程（1）使用485模塊建立通信①PORT：選擇對應的485模塊CM1241（101/102）當前使用102；②修改MODE工作模式4，為485兩線模式。其中0為RS232，1~3為RS422四線模式；③需要在“MB_DB”端口，接入主站背景數據塊。圖28二、典型工業無線通信應用(LoRa)（2）讀取數字量輸入①MB_ADDR端口，對應數據采集器地址，當前設置為1；②MODE=0，讀取模式；DATA_ADDR，數據地址，=10001意為輸入線圈的數據地址；DATA_LEN=8，對應采集模塊的8個數字量輸入位③DATA_PTR，讀取后，數據的存放位置；④地址數字量輸入通道1-8對應10001-10008，對應數據長度設置為1，即可讀取單個位。圖29二、典型工業無線通信應用(LoRa)（3）寫入并讀取數字量輸出①MB_ADDR端口，對應數據采集器地址，當前設置為1；②MODE=0，讀取模式，MODE=1，寫入模式；DATA_ADDR，數據地址，=1意為輸出線圈的數據地址（參考LoRa手冊）；DATA_LEN=8，對應采集模塊的8個數字量輸出位；③DATA_PTR，讀取模式，對應輸出數據的保存位置；寫入模式，對應將該處的數據置位到線圈的輸出狀態；圖30二、典型工業無線通信應用(LoRa)④地址數字量輸出通道1-8對應1-8，對應數據長度設置為1，即可讀取單個位。圖31二、典型工業無線通信應用(LoRa)（4）讀取模擬量輸入①地址模擬量輸入通道V1-V3：30001-30003②地址模擬量輸入通道A1-A3：30004-30006③DATA_ADDR=6，對應數據采集模塊的6個模擬量輸入通道口④12位有效數據，即讀取后存入的數據值為0~4095。圖32二、典型工業無線通信應用(LoRa)（5）寫入并讀取模擬量輸出①地址預留：40001-40006②地址模擬量輸出1：40007③地址模擬量輸出2：40008④地址預留：40009備注：12位有效數據，寫入模擬量輸出線圈是，數值范圍應為0~4095圖33二、典型工業無線通信應用(LoRa)（5）寫入并讀取模擬量輸出①地址預留：40001-40006②地址模擬量輸出1：40007③地址模擬量輸出2：40008④地址預留：40009備注：12位有效數據，寫入模擬量輸出線圈是，數值范圍應為0~4095圖34二、典型工業無線通信應用(LoRa)（5）寫入并讀取模擬量輸出①地址預留：40001-40006②地址模擬量輸出