Arduino + LoRa 模組測試

這篇是去年 10 月底對 LoRa 模組進行初步測試的紀錄, 後來忙著幫二哥準備 APCS 而暫停下來. 昨天有網友問我空曠處實測距離多少, 才想起這篇還沒完成的草稿, 稍作整理如下備查. 在傳送距離方面, 網友與我的實測距離都約 200~250 米而已, 據說使用 IPEX 天線似乎沒有好到哪裡去, 實在殘念! 我還抱著一絲希望的說.

會接觸 LoRa 是因為去年十月初有另一位網友詢問我有無用過 LoRa, 當時我連買了放在零件箱好久的 nRF24L01 模組都還沒動哩! 為此我除了找出 nRF24L01 先測試一番以產生比較資料外, 還上網對此新興無線射頻技術做了初步研究, 整理了一篇知識摘要, 參見 :

# 長距離低功耗無線通訊技術 LoRa

接著在露天購買了一對最便宜的 LoRa 模組來測試 (跟 nRF24L01 一樣要成對地買, 一個傳送, 一個接收, 或者互相傳送接收), 此板用的是 SX1278 晶片 (433 MHz)  :

# [史塔克實驗室][Arduino/RPi]每個180元2個一組販售SX1278 Lora module 模組433MHz $180

由於這是 2.0mm 腳距的裸板, 所以特地跑去禾樺買了 2.0 mm 的排針與排母, 在焊接前試試看到底要用排針或排母比較適合, 結果發現排針根本不能用, 因為 2.0mm 的排針比較細, 杜邦線母頭插上去鬆鬆的會接觸不良, 應該要用排母才對, 因為 2.0mm 的排母上的洞與一般 2.54mm 者一樣, 插杜邦線沒問題.

我買的這組 LoRa 模組每邊 8 隻腳, 其腳位布局如下 :

DIO2	GND
DIO1	MISO
DIO0	MOSI
3.3V	SCK
DIO4	NSS
DIO3	RESET
GND	DIO5
ANT	GND

由於 ANT 腳要焊彈簧天線, 因此左邊的排母只要 7 隻腳, 而右邊的則需 8 隻腳, 使用小型電鑽前面裝上鑽石圓盤分別切出 7 支與 8 支腳的排母各一對, 然後用三秒膠少許加以固定後進行焊接. 注意, 三秒膠不可用太多, 否則萬一滲入排母內會讓排針插不下去.


Lora 板子焊好後就可以進行測試了, 我使用 Arduino 當作 MCU 主控, 首先是到下列 GitHub 網站下載 Arduino 的 Lora 函式庫 :

# https://github.com/sandeepmistry/arduino-LoRa

按右邊的 "Clone or download" 鈕, 選 "Download ZIP" 下載壓縮檔 arduino-LoRa-master.zip, 將其複製到 Arduino IDE 安裝目錄的 libraries 下解開即可. 重新開啟 IDE 就可存取到此函式庫了. 此函式庫的 API 說明如下 :

# https://github.com/sandeepmistry/arduino-LoRa/blob/master/API.md

此函式庫使用 SPI 協定與 LoRa 模組通訊, 預設傳輸速率是 10 MHz. 接下來是硬體接線, 此 LoRa 模組採用 SPI 介面 (也有用 Serial 介面的), Arduino 有特定的 SPI 接腳, 與 LoRa 的預設對應如下 :

不過其中 NSS, RESET, 與 DIO0 這三隻腳不一定要對應到 D10, D9, 與 D2 這三支 Arduino 腳, 可以連接到除 D13, D12, D11 以外的任何 DIO 腳位, 但在程式中要用 LoRa.setPins(NSS, RESET, DIO0) 指令指定.

測試 1 :

傳送端程式 :

#include <SPI.h>
#include <LoRa.h>

int counter=0;  //傳送次數計數器

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial);  //等待序列埠起始完畢
  Serial.println("LoRa Sender");
  if (!LoRa.begin(433E6)) {  //起始 433MHz LoRa
    Serial.println("Starting LoRa failed!");
    while (1);
    }
  }

void loop() {
  Serial.print("Sending packet: ");
  Serial.println(counter);
  LoRa.beginPacket();  //封包傳送開始
  LoRa.print("hello ");  //封包內容
  LoRa.print(counter);  //封包內容
  LoRa.endPacket();  //封包傳送結束
  counter++;  //計數器增量 1
  delay(5000);
  }


接收端程式 :

#include <SPI.h>
#include <LoRa.h>

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial);  //等待序列埠起始完畢
  Serial.println("LoRa Receiver");
  if (!LoRa.begin(433E6)) { //起始 LoRa
    Serial.println("Starting LoRa failed!");
    while (1);
    }
  }

void loop() {
  int packetSize=LoRa.parsePacket(); //讀取剖析 LoRa 封包大小
  if (packetSize) { //若有封包進來
    Serial.print("Received packet '");
    while (LoRa.available()) { //若接收緩衝器有內容
      Serial.print((char)LoRa.read());  //讀取緩衝器內容並輸出階收到的封包
      } 
    Serial.print("' with RSSI="); //輸出接收封包之 RSSI
    Serial.print(LoRa.packetRssi());  //顯示接收信號強度
    Serial.print(" and SNR="); //輸出接收封包之 SNR (信噪比)
    Serial.println(LoRa.packetSnr());  //顯示接收信號信噪比
    }
  }

序列埠監控視窗輸出結果如下, 收到訊號時會顯示 "Received packet ... RSSI= .... SNR=...." :

.....
irqFlags 0
irqFlags 10
irqFlags 40
Received packet 'hello 29' with RSSI=-39 and SNR=16.00
irqFlags 0
irqFlags 0
irqFlags 0
irqFlags 0
irqFlags 0
irqFlags 0
irqFlags 0
irqFlags 0
irqFlags 0
irqFlags 0
irqFlags 80
irqFlags 0
irqFlags 0
irqFlags 0
irqFlags 0
irqFlags 0
irqFlags 0
irqFlags 0
irqFlags 0
irqFlags 80
irqFlags 0

.....

irqFlags 10

irqFlags 40

Received packet 'hello 30' with RSSI=-51 and SNR=15.75

irqFlags 0

irqFlags 0

irqFlags 0

irqFlags 0

irqFlags 0

irqFlags 0

irqFlags 0

irqFlags 0

irqFlags 0

irqFlags 0

irqFlags 80

irqFlags 0

.....

其中 RSSI (Received Signal Strength Indicator) : 接收信號强度指示.

用彈簧天線於空曠地區實測距離約 250 公尺, 似乎只比 nRF24L01 的 100 公尺長兩倍多而已, 與產品說明中所說的 1 公里相差達 4 倍. 不過信號穿透力可達 2~3 層樓, 在電梯中亦可收到信號, 這就比 nRF24L01 出色多了, nRF24L01 只要 5 公尺外轉個牆角就 GG 了, 參考 :

# Arduino 無線傳輸模組 NRF24L01 測試

測試距離方面, 有空我還是會買支 IPEX 或其他廠家的 LoRa 模組來驗證看看.

參考 : 

# Arduino Arduino module communication by Lora Sx1278
# https://github.com/matthijskooijman/arduino-lmic
# 【Acsip LoRa實作1】快速開發LoRa通訊功能－SPI介面篇

# An Arduino library for sending and receiving data using LoRa radios

# LoRa 的 Arduino 函式庫
# 【Acsip LoRa實作1】快速開發LoRa通訊功能－SPI介面篇
# WLK01S78-TH 無線模組 LORA模組 SX1278數傳模組 w7 056 [5059647] $260
# LoRa 測試資料下載  (測試地圖快照) (測試地形圖)
# <微控制器科技> Pycom LoPy IoT 三合一開發板 (LoRa+BLE+WiFi) $1350
# Pycom LoPy - LoRa+WiFi+Bluetooth MicroPython IoT Platform £32.5
# https://github.com/a3rd/lora-inair4
# SX1278 LoRa擴頻無線模組 433Mhz $220
# 大陸模組資料下載
# https://drive.google.com/drive/folders/0BywdxdAWyMLcWXpFNF9QVWhHZHc
# SX1278 LOra擴頻 電力抄表模組 5km無線收發模組SX1276模組 $200
# iFrogLab iL-LORA1272 超遠端15公里LoRa資料傳遞和接收模組 for Arduino 和 樹梅派 $850
# iFrogLab iL-LORA1272-A LoRa 資料傳遞和接收模組 韌體全面更新為1.1版 $850
# 98 Mailbag #8: LoRa, ESP8285, ESP32 in a WiPy Python board, A6C with camera
# LoRa 範例程式下載
# Setting Up the Modtronix InAir4 with Arduino

2018-01-03 補充 :

下面這部影片測試 LoRa 的耗電情形 :

#120 LoRa on batteries: How long does it last?

2018-01-12 補充 :

參考 :

# 物聯網技術標準 NB-IOT 和 LoRa 到底是什麼？
# 120 LoRa on batteries: How long does it last?

2018-05-14 補充 :

LoRa 也有 UART 介面的模組, 目前最便宜大約 450 元, 參考 :

# 【ACSip LoRa實作2】快速開發LoRa通訊功能－UART介面篇
# REYAX RYLR896 SX1276 UART 介面 帶天線 AT command lora module 模組 $450