長距離低功耗無線通訊技術 LoRa

前陣子有網友詢問 LoRa 問題, 好像曾在哪裡看到此 RF 技術的介紹, 當時並沒有放在心上. 最近因為這個機緣, 連帶讓我想起之前買過的 nRF24L01 模組, 過去一周在採購的 LoRa 模組尚未收到之前, 我就先把玩了 nRF24L01 一番, 發現它雖然價格便宜 (一片約 30 元), 但是可能因為走較高的 2.4GHz 頻段以及使用 PCB 天線之關係, 傳輸距離太短, 僅 100 公尺不到, 而且無法穿越牆壁, 實用範圍屬於近距離通訊而已.

但 LoRa 技術就不同了, 由於先進的技術突破, 加上走 Sub-GHz 頻段, 因此傳輸距離與穿牆性能據說都令人刮目相看, 空曠地方可達 2km~5km, 在建築物內可穿透 7 層牆壁. 因此在測完 nRF24L01 後, 我想研究 LoRa, 實際測試看看是否真的那麼厲害.

目前市面上的 LoRa 模組主要是使用 SX1276 與 SX1278 這兩種晶片, 兩者性能與功能相同, 差別只是頻段不同而已. SX1276 頻段是 868MHz 與 915MHz, 主要用在歐洲與北美地區; 而 SX1278 頻段為 433MHz 與 470MHz, 主要用在中國, 東南亞, 南美洲, 以及東歐等地區, 參考 :

# SX1276 与SX1278扩频芯片的区别

在露天拍賣上販售的大都是 SX1278 的模組. 我買的是這款 433MHz 的 (附彈簧天線) :

# [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

賣家有提供 Arduino 範例程式, 可在 dropbox 下載 :

# https://www.dropbox.com/sh/beaswh5a3h69ho6/AABNL6J0KtAe9x_hfsz1P8SAa?dl=0

事實上這在 Aliexpress 上含運才賣 US$3.72 元而已, 折合台幣 111 元 :

# 433Mhz Lora SX1278 Long Range RF Wireless Module SPI Build-in Temperature Sensor For Arduino DRF1278F $3.72

注意, 這種裸片的模組大都沒有附底板或轉接板 (甚至沒有附彈簧天線), 而且其接腳間距為 2 mm, 因此必須找 2 mm 的排母來焊接, 例如 :

# 2.0MM 單排座1*40 單排母座 排針座(10只一拍) [1-89085] $70

我覺得最好是使用 2.0mm 的排母, 因為 2.0 mm 間距的排針較細, 一般杜邦線母接頭插上去根本就鬆垮垮的無法固定; 而 2.0 mm 排母的洞卻剛剛好可以讓一般杜邦線公插頭插進去沒問題.

如果要買有底板或轉接板, 可以焊接 2.54 mm 針腳的模組, 可以考慮下面這款 :

# 【傑森創工】SX1278 帶底板 LORA 模組 安信可 RA-02 Arduino $250

這塊使用的是安信可 (AI Thinker) 的 RA-02 SX1278 模組, 採用 IPEX 天線座而非短的彈簧天線, 而且有鐵殼包覆不會有電磁干擾問題 (FC/EC 相容認證). 其實這塊在 Aliexpress 一對含運才賣 US$13.5, 折合台幣 405 元, 平均一片才 203 元 :

# Elecrow 2pcs/lot SX1278 LoRa Module 433M 10KM Ra-02 Ai-Thinker Wireless Spread Spectrum Transmission Socket for Smart Home DIY US$13.5

也有採用 nRF24L01 接腳配置 (8 Pins) 的模組, 一對含運 US$13.51, 折合台幣 405 元, 平均一片也是 203 元左右, 這款好處是免焊, 而且採用 IPEX 天線 :

# 2pcs/lot Newest SX1278 LoRa Module 433M 10KM Ra-02 Ai-Thinker Wireless Module Spread Spectrum Transmission Electronic Diy Kit  US$13.51

採用彈簧天線的是這款 :

# Elecrow 2pcs/lot LoRa Module SX1278 Ai-Thinker 433M Wireless Spread Spectrum Transmission Ra-01 DIY Kit for Smart Meter Reading  US$13.59

如果買不含底板且搭配彈簧天線的 RA-01 模組的話更便宜, 一對 US$8.88, 折合台幣 266 元, 平均一片 133 元 :

# 2PCS Ra-01 SX1278 LoRa Spread Spectrum Wireless Module 433MHz Wireless Serial Port UART Interface Ra01 US$8.41+0.47=US$8.88

安信可的 Ra-02 模組通常都不附 IPEX 天線, 如果要買 IPEX 天線可參考 :

# 433m內置彈簧天線 433mhz模塊天線 433數傳天線 ipex介面 1.13線 $40
# 868MHZ/900MHz/915MHz/920MHz內置彈簧天線 無線數傳天線 高增益IPEX天線 $70
# 黑色868MHZ/900MHz/915MHz/920MHz/925MHz天線，SMA內針介面 $90

以上是關於模組採購的調查, 接下來整理一下 LoRa 技術的相關資訊.

LoRa 為 Low power long Range  (低功耗長距離) 的縮寫, 它是一種低功耗無線廣域網路 (LPWAN, Low Power Wide Area Network) 通訊技術, 最早源自法國長距離無線傳輸技術 IP 公司 Cycleo, 它在 2009 年提出了創新的低功耗長距離技術 LoRa, 於 2012 年被美國 Semtech 公司以 500 萬美元併購, 參考 :

# Cycleo unveils its first innovative semiconductor IP bringing unprecedented range to wireless data transmission
# Semtech Acquires Wireless Long Range IP Provider Cycleo

美商 Semtech (先科) 1960 年創立於美國加州, 是一家類比與混和信號 IC 供應商, 1967 年公開上市, 目前於 NASDAQ 掛牌 (SMTC), 市值約 25 億美元. 主力產品為電源管理晶片, 數位感測與高階通訊射頻 IC 等, 參見 :

# https://en.wikipedia.org/wiki/Semtech
# http://www.semtech.com/wireless-rf/internet-of-things/

# https://money.moneydj.com/us/basic/basic0001/SMTC

Semtech 併購 Cycleo 後大力推廣 LoRa 技術, 結合全世界電信商, 設備商, 晶片商等組成非營利的 LoRa 聯盟, 目前會員數已超過 500 個, 包括 52 個電信運營商, 範圍橫跨全球 100 餘國, 超過 350 個城市正在測試與佈建 LoRaWan 網路, 近日 ( 2017-10-17 ~ 2017-10-25) 將於中國蘇州舉辦第九屆全球會員大會, 參考 :

# https://www.lora-alliance.org
# http://whatis.techtarget.com/definition/LoRa-Alliance

關於 LoRa 技術的特性摘要如下 :

1. 採用線性 Chirp 展頻調變技術 (CSS, Chirp Spread Spectrum), 具低功耗, 長距離, 低成本, 可擴充, 與抗干擾等特性, 可使用電池長時間運作, 範圍可達數公里.  LoRa 省電的原因主要來自非同步通訊與自適應之傳輸速率功能. LoRa 節點的接收電流僅 10mA, 休眠電流 200nA, 因此 LoRa 技術的電池壽命高達 3~10 年.
2. LoRaWAN 網路使用非同步方式通訊, 其媒介存取協定 (Media Access Protocol) 採用 ALOHA 法, 節點會依需要進入或長或短的休眠狀態, 從而降低了功率消耗; 而現行手機屬於同步通訊, 每 1.5 秒需與基地台同步一次, 功耗較大. 
3. 在 LoRAWAN 中, 節點並不與特定閘道器 (Gateway) 相關聯, 而是與多個閘道器關聯, 所傳送之資料將被多個閘道器接收. 此外, LoRaWAN 閘道器具有容量高與可擴充特性, 可從大量節點接收數據, 這是其他 LPWAN 所欠缺的優點. 
4. LoRa 具有網路與應用雙層安全防護, 網路節點不能檢視應用層數據, 並使用 AES 對傳輸之數據進行加密. 

LoRa 模組實測參考 :

# Long Range Wireless Data Communicatoin using LoRa (Up to 10km Line of Sight)

參考 :

# LoRa：長距離低功耗物聯網傳輸技術
# LPWAN-大家天天熱聊的LORA技術到底是什麼？
# 智能家居無線技術解決方案：LoRa超遠距離無線通信
# LPWAN:科技改變生活，淺談LoRa與物聯網技術
# 物聯網時代來臨，IBM 推 LoRa 技術讓機器也有自己的網路
# 新一代無線傳輸技術-LoRa
# 長距離無線通訊
# 5分鐘搞清楚LoRa技術是什麼
# 細說LoRa（一）——LoRa、LoRaWAN、LoRa聯盟的由來及簡介
# NB-IoT與LoRa的巔峰對決不是你想的那樣
# 想快速全面了解LoRa？看這篇就夠了！
# 由台北 IoT 平台聊 LoRA & LPWAN (1) - LoRA & LoRaWAN
# 低功耗廣域網（LPWAN）- LoRa連接
# 主流的LPWAN技術，無非就這幾種!
# 從技術到應用對比LoRa、NB-IoT，企業如何正確打開物聯網大門？
# NB-IoT究竟是什麼？終於有人講透了

2018-06-04 :

今天在秋葉原的 LoRa 模組看到 LoRa 的通訊模式說明, 值得參考 :

# LORA模組 ATK-LORA-01無線串口模組 SX1278 433M 20db TTL串口