LoRa на Arduino: урок с нуля до передатчика

Распиновка SX1276 (SPI)

LoRa-модули подключаются по SPI: MOSI на D11, MISO на D12, SCK на D13. Эти три линии общие с любым другим SPI-устройством, например с картой SD. Остальные выводы у модуля свои: NSS или CS отвечает за выбор микросхемы, RST за сброс, а DIO0 нужен для прерываний, в простейшем скетче его можно не подключать. В коде библиотеки они задаются в конструкторе или отдельными вызовами setChipSelect и setReset.

Питание: SX1276 рассчитан строго на 3.3 В, и подача 5 В на голый чип сожжёт его. На платах с адаптером стоит стабилизатор AMS1117-3.3, и тогда питать можно от 5 В, но на дешёвых клонах стабилизатор иногда экономят. На модуле RA-02 с настоящим чипом питание 3.3 В обязательно, и на выводе 5 V подавать нельзя.

Антенна нужна всегда, даже если вы просто проверяете скетч. Без нагрузки на выходе передатчика чип перегревается и может сгореть, а реальная дальность вместо километров превращается в десятки метров. Для 868 МГц подойдёт проволочная антенна длиной около 8.6 см, это четверть длины волны, или готовая SMA-антенна на нужную частоту. Для 433 МГц длина проволоки вдвое больше, около 17.3 см.

Библиотека LoRa.h и код передатчика

#include <LoRa.h>
LoRa lora;
int counter = 0;
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial);
  Serial.println("LoRa передатчик");
  lora.begin(868E6);  // 868 МГц для Европы/России
  lora.setSpreadingFactor(7);  // SF7 = быстро
  lora.setTxPower(17);  // 17 dBm (макс)
  Serial.println("Готов к передаче");
}
void loop() {
  Serial.print("Отправка пакета #");
  Serial.println(counter);
  lora.beginPacket();
  lora.print("ping #");
  lora.print(counter);
  lora.endPacket();
  counter++;
  delay(2000);
}

Вызов begin с числом 868E6 задаёт частоту 868 МГц. Частота передаётся в герцах, поэтому 433E6 это 433 МГц, а 915E6 это 915 МГц. Для России и Европы берите 868 МГц, для Азии 433 МГц, для США 915 МГц. Перед покупкой проверьте правила вашей страны: в диапазоне 868 МГц в России можно работать без лицензии при мощности до 25 мВт ERP, а в Европе действует ограничение на долю времени работы в эфире.

setSpreadingFactor выбирает значение от 7 до 12. Чем оно выше, тем длиннее время передачи одного символа, тем ниже скорость, но тем лучше приёмник вытаскивает слабый сигнал из шума. При полосе 125 кГц и кодировании 4/5 скорость составляет примерно 5468 бит/с на SF7 и около 293 бит/с на SF12. setTxPower задаёт мощность: библиотека принимает значения до 20, и всё, что выше 14, включает усилитель через отдельный вывод PA_BOOST. У SX1276 предел 17 dBm.

Работа с пакетом устроена так: beginPacket открывает новый пакет, print или print добавляют в него данные, а endPacket отправляет его в эфир и ждёт окончания передачи. Важно, что endPacket блокирующий: всё это время скетч не делает ничего другого, и на слабом сигнале ожидание может занять заметное время.

Код приёмника

#include <LoRa.h>
LoRa lora;
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("LoRa приёмник");
  lora.begin(868E6);
}
void loop() {
  int packetSize = lora.parsePacket();
  if (packetSize) {
    Serial.print("Получено: ");
    while (lora.available()) {
      Serial.write((char)lora.read());
    }
    Serial.print("  RSSI: ");
    Serial.println(lora.packetRssi());
  }
}

parsePacket проверяет входящий буфер: если пакета нет, он возвращает 0, если есть, то длину в байтах. Дальше содержимое читается побайтно, read отдаёт один символ, а available сообщает, сколько ещё осталось. Вызывать parsePacket нужно постоянно, потому что пока вы его не вызвали, модуль не разберёт входящий пакет и не заполнит буфер. Именно на этом чаще всего спотыкаются: приёмник молчит, пока в цикле нет вызова.

packetRssi отдаёт уровень сигнала в dBm. В документации библиотеки LoRa.h значение около -50 dBm считается отличным сигналом, а -100 dBm и ниже означают, что приём на грани. packetSnr показывает отношение сигнал к шуму, и положительное значение означает, что пакет декодирован уверенно. Оба параметра стоит выводить при отладке: вместе они сразу показывают, проблема в антенне, в питании или в частоте.

В симуляторе работает эхо-демо: endPacket кладёт пакет в буфер, parsePacket читает его в том же скетче. Для настоящей связи нужны два модуля SX1276. Подробнее про LoRa-связь — в лендинге. nRF24L01 — альтернатива для 2.4 ГГц.

Что сначала не получилось

Первая сборка выглядела так: я подключил модуль к breadboard, запитал его от 5 V и стал ждать пакетов. Ничего не пришло, а потом модуль перестал отвечать совсем. Причина была в питании: на моём клоне стабилизатора не было, и 5 В убили чип. После замены на модуль с AMS1117-3.3 и подключения антенны связь появилась сразу.

Второй затык был с приёмником. Я перенёс код передатчика, заменил endPacket на parsePacket и забыл, что приёмник должен постоянно опрашивать буфер. Передатчик при этом работал, и я потратил время на проверку антенны и расстояния, вместо того чтобы просто добавить вызов parsePacket в цикл.

Личный опыт: связь между двумя точками

Рабочий стенд у меня получился из двух Uno, двух модулей SX1276 с адаптерами и двух проволочных антенн по 8.6 см. Передатчик слал строку с номером пакета раз в две секунды, приёмник печатал её и RSSI. На расстоянии около 30 метров на улице, в прямой видимости, пакеты приходили все, а RSSI держался в зоне отличного сигнала.

Затем я вынес приёмник в другой конец квартиры, за две бетонные стены, и там связь стала рваной. Помогло два изменения: spreading factor поднял с SF7 до SF10, а скорость уменьшил с одной отправки в секунду до одной в пять секунд. Пакеты пошли стабильно, потому что при большем SF каждый символ передаётся дольше и приёмник успевает накопить энергию слабого сигнала. Это и есть главный компромисс LoRa: дальность покупается скоростью.

Авторская позиция: что взять новичку

Берите готовый модуль с адаптером, а не голый чип: так у вас сразу будет стабилизатор и разъём под антенну. Для первой пары устройств возьмите одинаковые модули, разные частоты работать не будут. И сразу определитесь с задачей: если вам нужна скорость, а не дальность, берите SF7 и полосу 125 кГц, а если наоборот, SF10-12. И не забывайте про антенну: это единственная деталь, которая реально определяет дальность, и она не стоит ничего.

Частые вопросы