Lora 通信 - 基于正点原子 ATK-LORA-01 模块
ATK-LORA-01 一款体积小、微功率、低功耗、高性能远距离 LORA 无线串口模块。模块设计是采用高效的 ISM 频段射频 SX1278 扩频芯片，模块的工作频率在 410Mhz~441Mhz，以 1Mhz 频率为步进信道，共 32 个信道。可通过 AT 指令在线修改串口速率，发射功率，空中速率，工作模式等各种参数，并且支持固件升级功能。
模块基本参数
- 工作频率：410-441 MHz，32 个信道
- 工业频段：出厂默认 433Mhz 免申请频段
- 无线速率：6 级可调（0.3、1.2、2.4、4.8、9.6、19.2Kbps）
- 通信方式：串口 TTL，UART 串口，8N1、8E1、8O1，从 1200-115200 共 8 种波特率（默认 9600、8N1）
- 发射功率：100mW（20dB），4 级可调（0-3），每一级增减约 3dBm
- 工作电压：3.3-5V
- 工作电流：2.3uA-118mA
- 发射：118ma（20dbm 100mw 电压 5V）
- 接收：17ma（模式 0、模式 1），最低约 2.3uA（模式 2+2S 唤醒）
- 工作温度：-40~85℃
- 接收灵敏度达-136dBm，传输距离 3000 米
- 双 512 环形 FIFO
接口定义
| 名称 | IO 模式 | 说明 |
|---|---|---|
| MD0 | 输入 | 配置进入参数配置；上电时与 AUX 引脚配合进入固件升级模式 |
| AUX | ① 输出；② 输入 | ① 用于指示模块工作状态，用户唤醒外部 MCU；② 上电时与 MD0 引脚配合进入固件升级模式 |
| RXD | 输入 | TTL 串口输入，连接到外部 TXD 输出引脚 |
| TXD | 输出 | TTL 串口输出，连接到外部 RXD 输入引脚 |
| GND | 接地 | |
| VCC | DC3.3~5V 电源输入 |
注意事项：
- 模块的引脚电平是 3.3V，与 5V 的单片机通信需要做电平转换适配
- 无线串口模块为 TTL 电平，请与 TTL 电平的 MCU 进行连接
模式配置
MD0 与 AUX 引脚有两个功能，根据两者配合进入不同状态。模块在初次上电时，AUX 引脚为输入状态模式，若 MD0 与 AUX 引脚同时接入 3.3V TTL 高电平，并且保持 1 秒时间（引脚电平不变），则模块会进入固件升级模式，等待固件升级。否则进入无线通信模式（AUX 引脚会变回输出状态模式，用于指示模块的工作状态）
MD0、AUX 引脚内部下拉，悬空为低电平。拉高为 3.3V TTL 高电平
| 功能 | 介绍 | 进入方法 |
|---|---|---|
| 配置功能 | 模块参数配置（AT 指令） | 上电后，AUX 悬空，MD0 拉高 |
| 通信功能 | 用于无线通信 | 上电后，AUX 悬空，MD0 悬空 |
| 固件升级功能 | 用于固件升级 | 上电后，AUX 拉高，MD0 拉高，保持 1s |
无线通信模式下，AUX 引脚为输出，用于指示模块的工作状态。
功能配置
在“配置功能”下，串口需设置 ASDASD：波特率“115200”、停止位“1”、数据位“8”、奇偶校验位“无”，通过 AT 指令设置模块的工作参数。通过配置软件，参考以下 AT 指令表：
| 指令 | 作用 |
|---|---|
| AT | 测试模块响应情况 |
| AT+MODEL? | 查询设备型号 |
| AT+CGMR? | 获取软件版本号 |
| AT+UPDATE | 查询设备是否处于固件升级模式 |
| ATE1 | 指令回显 |
| ATE0 | 指令不回显 |
| AT+RESET | 模块复位（重启） |
| AT+DEFAULT | 恢复出厂设置 |
| AT+FLASH= | 参数保存 |
| AT+ADDR=? | 查询设备配置地址范围 |
| AT+ADDR? | 查询设备地址 |
| AT+ADDR= | 配置设备地址 |
| AT+TPOWER=? | 查询发射功率配置范围 |
| AT+TPOWER? | 查询发射功率 |
| AT+TPOWER= | 配置发射功率 |
| AT+CWMODE=? | 查询配置工作模式范围 |
| AT+CWMODE? | 查询工作模式 |
| AT+CWMODE= | 配置工作模式 |
| AT+TMODE=? | 查询配置发送状态范围 |
| AT+TMODE? | 查询发送状态 |
| AT+TMODE= | 配置发送状态 |
| AT+WLRATE=? | 查询无线速率和信道配置范围 |
| AT+WLRATE? | 查询无线速率和信道 |
| AT+WLRATE= | 配置无线速率和信道 |
| AT+WLTIME=? | 查询配置休眠时间范围 |
| AT+WLTIME? | 查询休眠时间 |
| AT+WLTIME= | 配置休眠时间 |
| AT+UART=? | 查询串口配置范围 |
| AT+UART? | 查询串口配置 |
| AT+UART= | 配置串口 |
当退出配置功能（MD0=0），模块会重新配置参数，在配置过程中，AUX 保持高电平，完成后输出低电平，模块返回空闲状态。
休眠时间
休眠时间对接收方来说是监听间隔的时间；对发射方来说，是持续发射唤醒码的时间。当模块工作模式在“唤醒模式”时，会在用户数据前自动添加配置休眠时间的唤醒码，当模块工作模式在“省电模式”时，以配置的休眠时间为监听间隔的时间。
设备模式
一般模式（模式 0）
- 发射：模块接收来自串口的用户数据，模块发射无线数据包长度为 58 字节，当用户输入数据达到 58 字节时，模块将启动无线发射，此时用户可以继续输入需要发射的数据，当用户需要传输的字节小于 58 字节时，模块等待 1 个字节时间，若无用户数据继续输入则认为数据终止，此时模块将所有数据都包经无线发出，当模块开始发送第一包用户数据时，AUX 引脚将输出高电平，当模块把所有数据通过 RF 芯片并启动发射后，AUX 输出低电平。此时表明最后一包无线数据已经发射完毕，用户可以继续输入长达 512 字节的数据，通过一般模式 发出的数据包，只能被处于一般模式、唤醒模式的接收模块收到。
- 接收：模块一直打开无线接收功能，可以接收来自一般模式、唤醒模式发出的数据包。收到数据包后，模块 AUX 输出高电平，2-3ms 延迟后，开始将无线数据通过串口 TXD 引脚发出，所有无线数据都通过串口输出后，模块将 AUX 引脚输出低电平。
唤醒模式（模式 1）
- 发射：模块启动数据包发射的条件与 AUX 功能等于一般模式，唯一不同的是：模块会在每个数据包前自动添加唤醒码（休眠时间），唤醒码的长度取决于用户参数中设置的休眠时间。唤醒码的目的是用于唤醒工作省电模式的接收模块。所以，唤醒模式发射的数据可以被一般模式、1、2 接收到。
- 接收：与一般模式相同。
省电模式（模式 2）
- 发射：模块处于休眠状态，串口将关闭，无法接收来自外部 MCU 的串口数据，所以该模式不具有无线发射的功能。
- 接收：在省电模式下，要求发射方必须工作在唤醒模式，无线模块定时监听唤醒码，一旦收到有效的唤醒码后，模块将持续处于接收状态，在等待整个有效数据包接收接收完毕，然后模块将 AUX 输出高电平，并延迟 2-3ms 后，打开串口将收到的无线数据通过 TXD 发出，完毕后将 AUX 输出低电平。无线模块将继续进制“休眠-监听”的工作状态，通过设置不同的唤醒时间，模块具有不同的接收响应延迟和功耗，用户需要在通讯延迟时间和平均功耗之间取得一个平衡点。
信号强度模式（模式 3）
信号强度模式可查看通讯双方的信号强度，评估双方的通信质量提供参考。
- 发射：与一般模式相同。
- 接收：输出信号强度的信息。
SNR：信噪比（越大越稳定），RSSI：接收信号的强度指示（越大越稳定）
通信方式
- 透明传输：例如 A 设备发 5 字节数据 AA BB CC DD EE 到 B 设备，B 设备就收到数据 AA BB CC DD EE。（透明传输，针对设备相同地址、相同的通信信道之间通信，用户数据可以是字符或 16 进制数据形式）。
- 点对点
- 点对多
- 广播监听
- 定向传输：例如 A 设备（地址为：0x1400，信道为 0x17（23 信道 433Mhz））需要向 B 设备（地址为 0x1234，信道为 0x10（16 信道、426Mhz））发送数据 AA BB CC，其通信格式为：12 34 10 AA BB CC，其中 1234 为模块 B 的地址，10 为信道，则模块 B 可以收到 AA BB CC。同理，如果 B 设备需要向 A 设备发送数据 AA BB CC，其通信格式为：14 00 17 AA BB CC，则 A 设备可以收到 AA BB CC。（定向传输，可实现设备间地址和通信信道不同之间通信，数据格式为 16 进制，发送格式：高位地址+低位地址+信道+用户数据）。
- 点对多
- 广播监听
广播与数据监听：将模块地址设置为 0xFFFF，可以监听相同信道上的所有模块的数据传输；发送的数据，可以被相同信道上任意地址的模块收到，从而起到广播和监听的作用。
透明传输方式
点对点
- 地址相同、信道相同、无线速率（非串口波特率）相同的两个模块，一个模块发送，另外一个模块接收（必须是：一个发，一个收）。
- 每个模块都可以做发送/接收。
- 数据完全透明，所发即所得。
| 发送模块 | 接收模块 | |
|---|---|---|
| 个数 | 1 | 1 |
| 传输内容 | 数据 | 数据 |
例如：
设备 A、B 地址都为 0x1234，信道都为 0x12，速率相同。
设备 A 发送：AA BB CC DD
设备 B 接收：AA BB CC DD
透传的方式很简单，把 Lora 模块当串口用就行，设备 A 通过串口发数据，设备 B 就可以从串口接收到，反之如此。
点对多
- 地址相同、信道相同、无线速率（非串口波特率）相同的模块，任意一个模块发送，其他模块都可以接收到。
- 每个模块都可以做发送/接收.
- 数据完全透明，所发即所得。
| 发送模块 | 接收模块 | |
|---|---|---|
| 个数 | 1 | N |
| 传输内容 | 数据 | 数据 |
与点对点的区别是，接收模块可以多个。
例如：
设备 A~F 地址为 0x1234，信道为 0x12，速率相同。
设备 A 发送：AA BB CC DD
设备 B~F 接收：AA BB CC DD
广播监听
- 模块地址为 0xFFFF，则该模块处于广播监听模式，发送的数据可以被相同速率和信道的其他所有模块接收到（广播）；同时，可以监听相同速率和信道上所有模块的数据传输（监听）。
- 广播监听无需地址相同。
| 发送模块 | 接收模块 | |
|---|---|---|
| 个数 | 1 | N |
| 传输内容 | 数据 | 数据 |
与点对多的区别是，地址可以不同。
例如：
设备 A 地址为 0xFFFF，设备 B~F 地址不全部一样，设备 B 与 C 地址为 0x1234，设备 D、E、F 地址为 0x5678。设备 A~F 速率全部相同。
广播：
设备 A 广播：AA BB CC DD
设备 B~F 接收：AA BB CC DD
监听：
设备 B 向 C 发送：AA BB CC DD
设备 A 监听：AA BB CC DD
设备 D 向 E、F 发送：11 22 33 44
设备 A 监听：11 22 33 44
定向传输方式
点对点
- 模块发送时可修改地址和信道，用户可以指定数据发送到任意地址和信道。
- 可以实现组网和中继功能。
| 发送模块 | 接收模块 | |
|---|---|---|
| 个数 | 1 | 1 |
| 传输内容 | 地址+信道+数据 | 数据 |
与点对点透传的区别是，模块地址可变，信道可变，但速率仍然相同。
例如：
设备 A 地址 0X1234，信道 0X17；
设备 B 地址 0xABCD，信道 0X01；
设备 C 地址 0X1256，信道 0x13。
设备 A 发送：AB CD 01 AA BB CC DD
设备 B 接收：AA BB CC DD
设备 C 接收：无
设备 A 发送：12 56 13 AA BB CC DD
设备 B 接收：无
设备 C 接收：AA BB CC DD
无代码测试
准备 2 个 USB 转 TTL，2 个 LoRa 模块。分别接在 USB 转 TTL 上（电源、共地、TX/RX 对接），将两个 LoRa 的 MD0 接 VCC 后，插入电脑 USB，打开配置软件，配置以下参数：
设备 A：
- 一般模式
- 定向传输
- 波特率：115200（必须是 115200）
- 校验位：无
- 空中速率：19.2k
- 休眠时间：1s
- 模块地址：0
- 通信信道：0
- 发射功率：20dBm
设备 B：
- 一般模式
- 定向传输
- 波特率：115200（必须是 115200）
- 校验位：无
- 空中速率：19.2k
- 休眠时间：1s
- 模块地址：65534
- 通信信道：10
- 发射功率：20dBm
配置后，点击 保存配置，拔掉 MD0 再断电。
将两个模块重新上电，打开配置软件，收发都勾选 HEX（16 进制）
在 A 的发送区填入 FF FE 0A 11 12 13 14，点击发送，就能在 B 的接收区收到 11 12 13 14 了；或者在 B 的发送区填入 00 00 00 11 12 13，就能在 A 的接收区收到 11 12 13 了。
其中，FF FE 是 B 地址 65534 的 16 进制数，信道是 10（16 进制数就是 0A），发送的内容数据是 11 12 13 14。同理，B 发出的数据包含 A 的地址 00 00，信道 00，内容 11 12 13。发送数据的格式是 高位地址 + 低位地址 + 信道 + 用户数据。
使用代码测试
点对点定传仅仅是比点对点透传多了地址字节。可以这样定义：
/* USER CODE BEGIN PV */
uint8_t B_Addr[2] = { 0xFF, 0xFE };
uint8_t B_Chan[1] = { 0x0A };
/* USER CODE END PV */
配置了串口的代码（HAL 库环境）后，在每次发送数据之前发送地址字节：
HAL_UART_Transmit(&huart1, B_Addr, 2, 0xFFFF);
HAL_UART_Transmit(&huart1, B_Chan, 1, 0xFFFF);
这样，接收的设备（B 设备）就能接收到 A 发出的一帧数据（不含地址字节）。
广播监听
- 模块地址为 0xFFFF，则该模块处于广播监听模式，发送的数据可以被具有相同速率和信道的其他所有模块接收到（广播）；同时，可以监听相同速率和信道上所有模块的数据传输（监听）；
- 广播监听无需地址相同。
- 信道地址可设置。当地址为 0xFFFF 时，为广播模式；为其他时，为定向传输模式。
| 发送模块 | 接收模块 | |
|---|---|---|
| 个数 | 1 | N |
| 传输内容 | 0xFFFF+信道+数据 | 数据 |
例如：
设备 A 地址 0xFFFF 信道 0x12；
设备 B、C 地址 0x1234，信道 0x13；
设备 D 地址 0xAB00，信道 0x01；
设备 E 地址 0xAB01，信道 0x12；
设备 F 地址 0xAB02，信道 0x12；
设备 A 广播：FF FF 13 AA BB CC DD
设备 B、C 接收：AA BB CC DD
设备 A 发送：AB 00 01 11 22 33 44
只有设备 D 接收：11 22 33 44
设备 E 发送：AB 02 12 66 77 88 99
设备 F 接收：66 77 88 99
设备 A 监听：66 77 88 99
参考与致谢
- LORA 模块 ATK-LORA-01
- 正点原子 LORA 模块 ATK-LORA 使用教程
- 【正点原子产品资料】LORA 模块 ATK-LORA-01 资料下载和技术讨论链接
- 两个 LORA 模块工作在一般模式定向传输数据的测试方法（使用上位机测试）
- ATK-LORA-01 无线串口模块只接收到 00
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