LoRa связь Arduino: дальняя радиосвязь для IoT

LoRa, LoRaWAN и SX1276: что к чему

LoRa — модуляция (LF Spread Spectrum), физический уровень. LoRaWAN — сетевой протокол поверх LoRa, с шифрованием и адресацией. SX1276 — чип Semtech, реализует LoRa-модуляцию, и к Arduino подключается по SPI. Модуль RA-02 (на базе SX1276) — 25x25 мм за 250 ₽, питание 3.3 В, частота 868 МГц (РФ/EU) или 915 МГц (US). LoRa сама по себе — точка-точка: две платы общаются напрямую. LoRaWAN — сеть с шлюзом и сервером, как MQTT-брокер для LoRa. Для простых проектов — LoRa точка-точка, для десятков устройств — LoRaWAN.

• SX1276: чип Semtech, модуляция LoRa, SPI-интерфейс, питание 3.3 В.
• RA-02: модуль 25x25 мм на SX1276, 250 ₽, антенна 868 МГц обязательна.
• LoRa.h: библиотека Sandeep Mistry, ставится через Менеджер библиотек.
• Частоты: 868 МГц в РФ и EU, 915 МГц в US, 433 МГц в Азии. В РФ 868 МГц без лицензии до 25 мВт.
• Дальность: 1-5 км на открытой местности, 500 м в лесу, 100-300 м в здании.

Подключение: SPI и согласование 3.3V/5V

RA-02 подключается к Arduino по SPI: NSS на D10, MOSI на D11, MISO на D12, SCK на D13, RST на D9, DIO0 на D2 (для прерываний). Питание 3.3 В с платы Arduino (на Uno — отдельный пин 3V3). Грабля: Arduino Uno работает на 5V, RA-02 на 3.3V, и прямое подключение MOSI/SCK/RST (выходы Arduino к входам RA-02) — работает, но MISO (выход RA-02 к входу Arduino) — нет, уровень 3.3V недостаточен для логической единицы на 5V-логике. Решение: согласователь уровней CD4050B (10 ₽) или делитель на MISO. На Arduino с 3.3V-логикой (Pro Mini 3.3V, ESP32) — прямое подключение работает без согласования.

Передатчик: отправка пакетов с датчика

Сценарий: метеостанция на даче отправляет температуру раз в 10 минут. Скетч: LoRa.begin(868E6), LoRa.beginPacket(), LoRa.print("T=22.5"), LoRa.endPacket(). На приёмной стороне дома — вторая Arduino с LoRa.onReceive(callback) и LoRa.receive(). Пакет приходит за 50-200 мс, в зависимости от spreading factor (SF7-SF12): SF7 — быстро, SF12 — далеко, но медленно. Подробно — в библиотеке LoRa.h и её примерах.

#include <SPI.h>
#include <LoRa.h>
 
const int NSS = 10, RST = 9, DIO0 = 2;
 
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial);
  LoRa.setPins(NSS, RST, DIO0);
  if (!LoRa.begin(868E6)) {
    Serial.println("LoRa init failed");
    while (1);
  }
  Serial.println("LoRa TX ready");
}
 
void loop() {
  float t = 22.5;  // читаем с датчика
  LoRa.beginPacket();
  LoRa.print("T=");
  LoRa.print(t, 1);
  LoRa.endPacket();
  Serial.println("Sent");
  delay(600000);   // 10 минут
}

#include <SPI.h>
#include <LoRa.h>
 
const int NSS = 10, RST = 9, DIO0 = 2;
 
void onReceive(int packetSize) {
  String msg = "";
  for (int i = 0; i < packetSize; i++) {
    msg += (char)LoRa.read();
  }
  Serial.print("RSSI=");
  Serial.print(LoRa.packetRssi());
  Serial.print(" msg=");
  Serial.println(msg);
}
 
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  LoRa.setPins(NSS, RST, DIO0);
  if (!LoRa.begin(868E6)) {
    Serial.println("LoRa init failed");
    while (1);
  }
  LoRa.onReceive(onReceive);
  LoRa.receive();
  Serial.println("LoRa RX ready");
}
 
void loop() {
  // callback срабатывает по прерыванию DIO0
}

Передатчик шлёт строку «T=22.5» с разметкой, приёмник ловит в callback и печатает RSSI и текст. RSSI ниже -90 dBm — слабый сигнал, -70 — хороший, -50 — отличный. Дальше — шифрование (AES-128 через библиотеку LoRaWAN), адресация (по deviceID), и ретрансляция (многоскачковая связь). Для простого IoT — этих двух скетчей достаточно.

Дальность: что влияет на радиус

Дальность LoRa зависит от четырёх параметров. Spreading factor SF7-SF12: SF7 — 1 км, SF12 — 5 км (но скорость падает в 32 раза). Мощность передатчика TX power: от 2 до 17 dBm, выше — дальше, но больше ток. Антенна: внешняя 868 МГц диполь — 5 км, PCB-антенна — 1 км, без антенны — 50 метров и быстрый выход чипа из строя. Препятствия: лес съедает дальность в 3-5 раз, бетонные стены — в 10-20 раз, открытая местность — максимум. На открытой местности с внешней антенной и SF12 я получил 4.8 км, в лесу — 800 м, в здании — 80 м.

Грабли LoRa, на которые я наступал

• Без антенны модуль живёт 10 секунд: TX power без нагрузки отражается обратно в чип и сжигает выходной каскад. Антенна обязательна перед LoRa.begin().
• 5V на MISO: Arduino не видит логическую единицу с RA-02. CD4050B согласователь или делитель на MISO обязателен на 5V-логике.
• Частота 915 МГц в РФ: запрещена, и модуль конфискуют. Только 868 МГц, как в РФ, так и в EU.
• DIO0 на D2: прерывание на приёме. Без него callback не срабатывает, и пакеты теряются. Если D2 занят — на D3 с attachInterrupt.
• Ток при передаче 120 мА: на батарее 18650 это норма, на CR2032 — 50 передач и сядет. LoRa для батарейных IoT — AA или 18650.

Частые вопросы