LoRa1120模块与ESP32点对点LoRa通信实现实践指南

LoRa1120多模收发器技术导论

LoRa1120模块的核心是Semtech的LR1120芯片组，这是一款专为远距离、低功耗无线通信和地理定位应用而设计的集成电路 1。在进行实际应用开发之前，对该模块的核心技术能力进行深入分析，是确保项目成功的关键。这不仅是一个单纯的LoRa收发器，更是一个集成了多种通信模式和定位功能的综合平台。

多频段操作能力

该模块具备在多个不同频段下工作的能力，为不同应用场景和地区法规要求提供了高度的灵活性 。

Sub-GHz ISM频段：支持433/470/868/915 MHz等免许可频段，并可根据需求在150-960 MHz范围内定制。这是传统LoRa应用的主要工作频段，其物理特性决定了它具有最远的传输距离和最佳的穿透能力，适用于广域物联网（LPWAN）部署。

2.4 GHz ISM频段：工作范围为2400-2500 MHz。该频段在全球范围内通用，相比Sub-GHz频段，它可以提供更高的数据传输速率。然而，其传输距离和穿透性相对较弱，更适用于对带宽有一定要求且通信距离较短的场景，如工业自动化或智能家居。

S波段卫星通信：工作范围为1900-2200 MHz。此功能使得模块能够直接与卫星进行通信，为地面网络无法覆盖的偏远地区（如海洋、沙漠、山区）提供连接解决方案，是资产跟踪和远程监控等应用的理想选择。

地理定位子系统

除了通信功能，LoRa1120还集成了两种独立的低功耗扫描引擎，用于地理位置确定 。

GNSS扫描器：支持多星座全球导航卫星系统（如GPS/北斗），采用云原生辅助定位模式。模块本身只负责扫描卫星信号并捕获原始数据，然后将这些轻量级数据通过LoRa网络传输到云端进行解析。这种架构极大地降低了终端设备的功耗和计算负担，使其适用于对电池寿命有严苛要求的定位应用。

Wi-Fi被动扫描器：通过扫描周围的802.11b/g/n Wi-Fi接入点（AP）的MAC地址来进行定位。在城市或室内等GNSS信号较弱的环境中，Wi-Fi定位可以作为一种有效的补充或替代方案。同样，它只捕获MAC地址列表，交由云端服务解析具体位置。

协议与安全支持

模块在物理层上符合LoRa联盟发布的LoRaWAN标准规范，确保了与标准LoRaWAN网络的互操作性。同时，它也支持Sigfox协议，并内置了AES-128硬件加密和解密引擎，为数据传输提供了硬件级别的安全保障 。这种多功能集成设计表明，工程师使用单一硬件平台，仅通过固件配置，即可满足截然不同的应用需求：例如在欧洲部署标准的LoRaWAN传感器（使用Sub-GHz），在工厂环境中实现高吞吐量数据采集（使用2.4 GHz），或是在无蜂窝网络覆盖的地区进行资产跟踪（使用GNSS + S波段）。这种设计策略有效减少了硬件物料清单（SKU）的数量和开发成本。因此，接下来将要介绍的基础点对点通信测试，应被视为掌握该模块全部潜能的第一步。

下图展示了LR1120芯片的内部功能框图，直观地呈现了其多频段射频通路和与外部组件的连接关系。

硬件准备与系统互联

搭建一个可靠的测试平台是验证无线通信链路性能的基础。本节将详细说明如何将LoRa1120模块与ESP32微控制器进行物理连接。

所需硬件清单，为构建一个基本的点对点通信系统，需要准备两套相同的硬件设备 ：

• ESP32开发板（例如ESP32-PICO）：2块
• LoRa1120模块：2个
• 杜邦线：若干
• USB数据线：2条

引脚连接映射

将LoRa1120模块与ESP32开发板通过SPI接口进行连接。下表详细定义了推荐的引脚对应关系。务必确保两套设备的连接方式完全一致 。

此连接方案采用了标准的4线SPI接口（SCK, MISO, MOSI, NSS）用于数据传输。除此之外，还有三条至关重要的控制线（IRQ, RST, BUSY）。对这些控制线功能的理解，对于编写健壮的嵌入式固件至关重要。

RST (Reset): 用于通过软件控制对LoRa1120模块进行硬件复位，使其恢复到初始状态。

BUSY (Busy): 这是一个硬件流控制信号。当模块内部正在处理命令或处于活动状态时，BUSY引脚会置为高电平，此时主控（ESP32）不应发送新的SPI命令。这可以有效避免命令冲突和数据丢失，确保通信的可靠性。

IRQ (Interrupt Request): 该引脚用于向主控发送中断信号，以通知特定事件的发生，例如数据包接收完成或发送完成。采用中断驱动的方式比轮询方式效率更高，可以让主控在等待事件时进入低功耗模式，从而显著降低系统整体功耗。

注意：虽然上述引脚分配是推荐配置，但工程师可以根据自己的PCB布局或开发板资源进行调整。然而，任何硬件上的改动都必须在后续的软件代码中进行同步修改，否则将导致通信失败 1。

配置Arduino开发环境

正确的软件环境配置是程序开发的前提。本节将引导您完成Arduino IDE的安装与配置，以支持ESP32和LoRa1120模块的开发。

1. 安装Arduino IDE

从Arduino官方网站下载并安装最新版本的Arduino IDE 。

1. 添加ESP32开发板支持

为了让Arduino IDE能够识别并编译ESP32的代码，需要添加ESP32的开发板管理器URL。打开Arduino IDE，点击 File -> Preferences (参考下图)。

在 "Additional Board Manager URLs" 字段中 (参考 下图)，输入以下URL

https://raw.githubusercontent.com/espressif/arduino-esp32/gh-pages/package_esp32_index.json

这个URL指向一个索引文件，它告诉IDE在哪里可以找到适用于ESP32系列微控制器的工具链、库和定义。

1. 安装ESP32包

打开左侧边栏的 "Boards Manager"（开发板管理器）。

在搜索框中输入 "esp32"。

找到由 "Espressif Systems" 提供的包，并点击 "Install" (参考 下图) 。

1. 安装RadioLib库

RadioLib是一个功能强大的通用无线通信库，它为包括LR1120在内的多种射频芯片提供了统一的、高级的API接口。使用该库可以极大地简化开发流程。

打开左侧边栏的 "Library Manager"（库管理器）。

在搜索框中输入 "RadioLib"。

找到由 "Jan Gromes" 开发的RadioLib库，并点击 "Install" (参考 下图) 。

选择RadioLib库是一个重要的工程决策。它作为一个硬件抽象层（HAL），将底层复杂的寄存器读写操作封装成易于理解和使用的函数。这意味着开发者无需深入研究LR1120芯片的数据手册即可快速实现通信功能。此外，由于RadioLib支持多种射频模块（如SX127x, SX126x, CC1101等），为本项目编写的代码可以很方便地移植到其他硬件平台，从而提高了代码的可重用性和项目的灵活性 。

实现并分析“乒乓”通信测试

完成环境配置后，接下来通过一个“乒乓”通信示例来验证硬件连接和软件设置的正确性。该示例中，一个节点（发起节点）发送一个数据包，另一个节点（响应节点）接收到后会回复一个数据包，如此循环往复。

1 加载示例程序

在Arduino IDE中，通过菜单栏导航至 File > Examples > RadioLib > PhysicalLayer > LR11x0_PingPong 来打开示例代码 (参考 下图) 。

2 代码走读与分析

以下是对LR11x0_PingPong.ino 关键部分的分析。

节点角色定义:

C++

// uncomment the following only on one
// of the nodes to initiate the pings
#defineINITIATING_NODE

此处的 #define INITIATING_NODE 宏定义是区分两个节点角色的关键。同一份代码需要被上传到两个ESP32设备上。在一个设备上，需要取消这一行的注释，使其成为“发起节点”。在另一个设备上，保持这一行被注释，它将自动成为“响应节点”。这是一种在嵌入式开发中非常常见且高效的技术，可以用单一代码库实现两种不同的设备行为。

硬件引脚定义与SPI总线配置

C++

#definecs 10
#defineirq 2
#definerst 4
#definebusy 9

SPIClass spi(HSPI);
SPISettings spiSettings(2000000, MSBFIRST, SPI_MODE0);

引脚定义: #define 语句块定义了ESP32与LoRa1120模块连接的GPIO引脚。这里定义的数值（10, 2, 4, 9）必须与第二节中实际的硬件接线完全一致 。

SPI总线选择: SPIClass spi(HSPI); 这行代码指定了使用ESP32的哪个SPI外设。ESP32通常拥有多个SPI接口（如VSPI和HSPI）。此处明确选择了HSPI。对于使用不同型号ESP32开发板的工程师来说，这是一个关键细节，因为不同开发板的SPI引脚分配可能不同。

SPI参数设置: SPISettings spiSettings(...) 用于配置SPI通信的参数。

2000000: 设置SPI时钟速度为2 MHz。

MSBFIRST: 设置数据传输为最高有效位（Most Significant Bit）优先。

SPI_MODE0: 定义SPI的时钟极性（CPOL=0）和时钟相位（CPHA=0）。这些参数必须符合LR1120芯片的技术要求。

RadioLib对象实例化

C++

LR1120 radio = newModule(cs, irq, rst, busy, spi, spiSettings);

这是整个程序的核心部分。该行代码创建了一个LR1120驱动的对象实例，名为 radio。在创建对象时，将前面定义的所有硬件引脚编号（cs, irq, rst, busy）和SPI配置对象（spi, spiSettings）作为参数传入。这一步完成了软件配置与物理硬件的最终链接。这种面向对象的设计体现了良好的软件架构，将硬件相关的配置集中管理，使得代码更易于维护和移植。

模块初始化

C++

voidsetup(){
Serial.begin(115200);

// initialize LR1110 with default settings
Serial.print(" Initializing... ");
spi.begin();
intstate = radio.begin();
if(state == RADIOLIB_ERR_NONE) {
Serial.println("success!");
} else{
Serial.print("failed, code ");
Serial.println(state);
while(true);
}
}

在 setup() 函数中，radio.begin() 函数负责执行与LoRa1120模块的初始通信。它会通过SPI接口对模块进行一系列初始化配置，包括设置默认的LoRa参数（如频率、带宽、扩频因子等），并检查模块是否正常响应。如果初始化成功，程序将继续执行；否则，将打印错误代码并进入死循环，方便开发者进行调试 。

3 固件编译与上传

在Arduino IDE的 Tools 菜单中，选择正确的开发板（例如 "ESP32 PICO-D4"）和对应的COM端口。

点击IDE工具栏上的 "Upload"（上传）按钮。IDE将自动编译代码并将其烧录到ESP32中 (参考 下图)。

对两个设备重复此操作（注意其中一个要取消 #define INITIATING_NODE 的注释）。

验证操作与解读通信指标

固件上传完成后，需要通过串口监视器来验证通信是否成功，并理解输出的关键性能指标。

访问串口监视器

在Arduino IDE中，点击右上角的放大镜图标或通过 Tools > Serial Monitor 打开串口监视器。

确保右下角的波特率设置为 115200，这必须与代码中 Serial.begin(115200); 的设置相匹配。

分析输出日志

上电后，您应该能在两个节点的串口监视器中看到类似以下的交替输出 ：

发起节点 (Initiating Node) (参考 下图):

响应节点 (Responding Node) (参考 下图):

技术指标解读

输出日志中的RSSI和SNR是衡量无线通信链路质量最重要的两个指标。它们不仅仅是数字，更是诊断和优化无线系统的关键工具。

RSSI (Received Signal Strength Indicator, 接收信号强度指示):

定义: RSSI是接收端测量到的信号功率，单位为dBm。它是一个对数单位，值越接近0表示信号越强。例如，-66 dBm是一个非常强的信号，通常表示收发设备距离很近且无障碍物。

应用: RSSI直接反映了链路预算和通信距离。在实际部署中，通过监测RSSI的变化，可以判断信号是否被遮挡、天线连接是否松动或设备是否超出了有效通信范围。

SNR (Signal-to-Noise Ratio, 信噪比):

定义: SNR衡量的是目标信号强度与背景噪声强度的比值，单位为dB。正值表示信号强度高于噪声，值越大表示信号越清晰，抗干扰能力越强。例如，12.50 dB的SNR表示信号质量非常高。

LoRa的特点: LoRa调制技术的一个核心优势是它能够在负信噪比（即信号强度低于噪声）的情况下成功解调数据。这是LoRa能够实现远距离通信的关键原因之一。示例中出现的高SNR值表明测试环境的电磁干扰非常小。

应用: 在实际环境中，如果RSSI值正常但SNR值很低或波动很大，通常意味着存在来自其他无线设备（如Wi-Fi路由器、蓝牙设备等）的射频干扰。通过分析SNR，可以帮助工程师选择更干净的信道或采取屏蔽措施。

通过教会工程师如何从诊断的角度思考这些指标，本指南旨在帮助他们解决实际部署中可能遇到的问题。例如，可以进行一个后续实验：将两个设备逐渐拉开距离，观察RSSI的衰减；或将设备放置在Wi-Fi路由器旁边，观察SNR是否下降。这将一个简单的验证步骤转变为一次关于射频链路分析的实践课程。

自定义硬件集成注意事项

当项目从原型验证阶段进入定制化产品设计阶段时，工程师需要将LoRa1120模块集成到自定义的PCB上。本节提供了进行硬件设计所需的关键数据和参考。

模块引脚定义

下图 为LoRa1120模块的引脚布局图，可与下表对照参考:

机械尺寸与PCB布局

为了在EDA软件（如Altium Designer, KiCad）中创建精确的PCB封装（footprint），必须参考模块的机械尺寸图 。这确保了模块能够正确地焊接到PCB上 。

参考电路与功耗分析

在设计原理图时，可以参考官方提供的典型应用电路 。应特别注意电源引脚旁的去耦电容配置和天线端口的匹配网络设计，这对于实现最佳射频性能和通过法规认证至关重要。

进行电源预算分析时，以下电气特性是关键参考数据 ：

其中，小于1 ?A的睡眠电流是LoRa技术的核心优势之一。这一极低的功耗特性使得基于LoRa1120的物联网设备能够依靠电池供电工作数年之久。在进行固件设计时，电源管理策略应围绕这一点展开，即尽可能让设备在完成数据收发任务后迅速进入深度睡眠模式，以最大限度地延长电池寿命。本节提供的数据，正是连接实验原型与最终产品的桥梁。

焊接参考

对于表面贴装（SMT）工艺，建议遵循以下无铅回流焊温度曲线。

下表 详细列出了符合IPC/JEDEC J-STD-020B标准的推荐参数。

结论

本报告系统地阐述了使用LoRa1120模块和ESP32微控制器实现基础点对点LoRa通信的全过程。内容涵盖了从模块技术特性分析、硬件系统连接、开发环境配置，到固件实现、通信验证和关键性能指标解读。

通过实践证明，将LoRa1120模块、功能强大的ESP32微控制器以及成熟的RadioLib软件库相结合，为开发远距离、低功耗无线应用提供了一个坚实且高效的平台。成功实现点对点通信链路，不仅验证了硬件和软件配置的正确性，也为开发者提供了一个经过验证的基线。基于此基线，开发者可以进一步探索该模块更高级的功能，例如构建LoRaWAN网络应用、利用长距离跳频扩频（LR-FHSS）技术，以及开发其集成的GNSS和Wi-Fi地理定位功能。