您有没有想过如何让Arduino实现几百米的无线通信距离？有没有想过要创建一个小型物联网设备，但是后来因为远程通信需要较大功率而放弃？或者是否想过构建一个能够在外面探索世界的机器人，而您则坐在椅子上悠然自得地遥控？别急，现在有解决方案了！在本文中，我将向您介绍“LoRenz-Arduino开发板”，不仅能完成所有这些任务，而且还能给您带来更多功能。此外，更重要的是，LoRenz软件和硬件都是完全开源的！

硬件

• 2块 Arduino UNO/Mega
• 2套 LoRenz Rev. B 开发板和模块分组板
• 2个 SX1278 模块

该开发板到底能做什么？它与Arduino UNO和Arduino ega兼容，能够提供数百米的通信距离，同时传输时的功率成本低至80mA。这仅相当于5个普通LED的功耗。除此之外，我还构建了一个库，这使得整套系统非常容易使用，即使对于初学者也是如此。真的！您想发送消息吗？输入一个命令！好了，发送成功！

法律免责声明

我们开始之前，我必须声明：虽然LoRa技术的通信频率为免许可频段，比如433MHz或868MHz等（通常叫做ISM – 工业、科学 和 医疗），但是您居住的地区仍然可能会受到法律限制。限制可能包括功率输出限制、带宽限制，甚至传输和接收的数据类型都受限。我不知道读者住在哪个州或哪个国家，因此我只能给您最一般的建议：

请始终遵守您所在地区的现行法律规定！

使用LoRenz开发板或LoRaLib时，作者和DevicePlus.com都不对您的操作承担任何责任。

现在，如果大家遵守相关法律，那么我们就从开发板的核心功能——LoRa调制——开始讲起。

LoRa 调制

LoRa –– Long Range 的简写——是一种巧妙的电磁信号调制方式。信号调制就是将更多信息通过编码载入无线信号中，这种方式本身非常聪明。调制的历史比较悠久，事实上，它们可以追溯到19世纪末期和无线电发明期间。事实上，由于收音机的存在，大多数人都熟悉“调制”这个术语：大家总听说过AM（幅度调制）或FM（频率调制）吧？幅度调制时，信息通过载波幅度的变化进行编码。类似地，频率调制时，载波的频率会发生变化。使用调制的主要原因是我们可以将低频信息（比如语音或音乐）“拟合”到高频载波中。

那么，LoRa是哪一种调制？两者都不是。LoRa是一种不同类型的调制，尽管它与FM有一些相似之处。LoRa实际上是CSS调制——啁啾扩频调制。该技术本身是专有技术，并具有专利，但是基本原则是利用啁啾对信息进行编码——载波频率随时间逐渐增加或减少。

这种调制抗噪声甚至是多普勒效应能力很强，因此在低功率长距离通信时非常有用。幸运的是，采用这种技术的模块非常便宜且易于使用。最流行的当属Semtech制造的SX1278芯片，搭载这种芯片的模块价格可低至7美元。请用Google搜索“SX1278模块”，您会看到很多出售该产品的商店。

现在我们已经了解了LoRa是什么以及如何获得，那么我们来看一下开发板本身——首先，如何获得这种开发板呢？

LoRenz 开发板

不幸的是，您无法从商店购买这种开发板，因为没有人生产。该开发板完全是定制的，所以必须从我的 GitHub 下载Eagle文件，购买所有元件、找个地方加工PCB板，然后将所有元件焊接在一起。板上元件的总价应该在20美元左右，所以该开发板并不昂贵。事实上，在我开发这个产品时，最昂贵的部分实际上是PCB的运费。但即使包括运费，每块开发板的价格也不应超过30美元——当然，这取决于您居住的地区。

接下来我们看一下开发板上的所有元件及其功能：

• 3.3 V 电源稳压器 由于Arduino板载电源只能提供150 mA的电流，因此我决定添加一个单独的1117稳压器——能够提供至少800 mA的电流。这比理论上的功率要大得多，然而，留些余地总是更好一些。

• 螺丝接线端 通过该端子您可以用几乎任何类型的电池为开发板供电！允许的电压范围是6-20V，但是该电源同样也为Arduino供电，所以我建议使用7到12V之间的电池。
• UNO/Mega 排针 SX1278模块通过SPI总线与Arduino进行通信。该总线在Arduino UNO上用的是10-13引脚，但是在Mega上却是50-52引脚。我想让开发板尽可能通用，因此我添加了这个排针接头。使用Arduino UNO时，只需保留所有三对短接跳线。使用Mega时，请移除短路跳线并根据下图连接相应引脚即可。

• 从器件选择排针 这可能有点矫枉过正，但是如果万一您想在单个Arduino上使用多个LoRenz开发板呢？凭借这个排针，您最多可以使用四块(!)开发板！只需短接不同位置即可。

• SX1278 模块插槽 您可以用此插槽将任何类型的SX1278模块连至开发板，只需确保电源为3.3V。我建议使用精密插槽接头，保持开发板整体高度越小越好。

• 逻辑电平转换器 据我所知，目前市场上的所有SX1278模块都使用3.3V逻辑。要连接Arduino——用的是5V逻辑，我们需要进行某种逻辑电平转换。这就是这两个IC的作用。其中一个将Arduino输出从5 V转换为3.3 V，另一个将SX1278输出从3.3 V转换为5 V。这样，即使电池电量较低，系统也非常稳定。

• LED指示灯 为了指示SX1278的活动状态，我在开发板上设置了一个LED指示灯。要启用LED，您必须用焊锡短接EN焊盘。如果之后不想用LED指示灯了，只需把EN焊盘的焊锡去掉，LED就不会再消耗宝贵的电流。

• 实验区域 我在开发板上的空余地方设计了一个实验区域，方便大家添加额外的设计。该区域自带3.3V、5V和GND连接！

您还需要一块扩展板。由于市场上有几种不同类型的SX1278模块，我们需要某种“适配器”，以便将所有模块都能连至LoRenz开发板。这就是这块小板子的作用。我们将SX1278模块焊接在扩展板上，然后整体将其插入开发板的插槽中即可。这些扩展板还配有一个同轴电缆接头，可以连接外部天线以获得更长的通信距离！

这些部件看起来还不错，对吧？但是，现在我们还缺少一个非常重要的部分。硬件需要软件才能工作。

为了控制 Arduino长距离通信教程–LoRenz 开发板中构建的LoRenz开发板，我开发了LoRaLib——用于SX1278芯片的开源Arduino库。这个库从零开始设计，目的只有一个：制作易于使用的API，即使是初学者也可以实现LoRa通信。该库的目标是使远程通信与串行通信一样简单。

软件

• Arduino IDE
• LoRaLib Arduino 库 (可在 GitHub 上获得)

LoRaLib 库

SX1278有多种不同设置，允许用户完全自定义范围、数据速率和功耗，但是最重要的三个设置如下所示：

• 带宽 SX1278允许的带宽设置为7.8 kHz至500 kHz。带宽值越高，数据传输越快。然而，这是以降低总灵敏度为代价的，因此降低了最大范围。

• 扩频因子 在LoRa调制中，每个信息位由多个啁啾表示。扩频因子是指每位数据有多少啁啾。SX1278支持7种不同的设置，扩频因子越高，数据传输越慢，范围越大。

• 编码速率 为了提高传输的稳定性，SX1278可以执行错误检查功能。此错误检查的度量称为编码速率，可以设定四个值。编码速率设为最低的4/5时，传输不太稳定，速度稍快。编码速率设为最高的4/8时，链路更可靠，但代价是数据传输速率较慢。

库的默认设置为：带宽为500 kHz、编码速率为4/5和扩频因子为12。这些设置是范围、稳定性和数据速率之间的合理平衡。当然，这些设置可以通过函数随时更改。

该库内置数据包类和寻址系统。地址长度为8字节，那么最大的寻址数量就是1.8千亿亿(1.8 × 10^19)。这个数值大的离谱。相比之下，NASA估计我们银河系中的恒星数量仅为“4亿”(4×10^11)。每个数据包由源地址、目标地址和最多240字节的有效负载组成。当然，该库还提供了几种读取和写入分组数据的方法。

让我们来看一下使用这个库是多么容易。假设我们有两个带有SX1278模块的LoRenz开发板。它们相距几百米，所以我们可以使用默认设置。首先，我们必须包含库头文件。然后，我们用默认设置创建 LoRa 类的一个实例，用目标地址和消息创建 packet 类的一个实例。源地址由库自动生成并写入Arduino EEPROM。要检查所有内容是否已正确保存，我们会读取数据包信息并将其打印到串行端口。接下来，我们只需调用 tx() 函数即可。一会儿之后……完成！只需一个命令，我们的数据包就传送成功了！

当然，我们需要第二套配有LoRenz 开发板的Arduino来接收该数据包。 系统设置不变，只是这次我们调用 rx() 函数，然后打印接收到的数据包。此函数将等待数据包，如果数据没有在某个时间内到达，该函数将超时，以便您的代码不会完全挂起。该库甚至还会检查传输的数据包是否已损坏，如果是，则将其丢弃。

当然，这只是最基本的例子。库本身可以做更多事情，而且我还在继续开发更多的功能。有关该库和所有其他功能的更深入信息，请参阅我的 GitHub 以及那里托管的文档。

Arduino 加密

本文结束之前，我还想讨论一下Arduino的加密。我在上一篇文章中提到了这个问题。现在，我们发送的所有数据都是未加密的。这意味着拥有相同配置、使用相同模块和相同设置的任何人都能拦截和阅读我们的消息。攻击者甚至可以发送自己的消息，而我们却无法分辨。显然，这并不安全。

最简单的解决方案就是使用某种加密。具体地，我决定使用 Rijndael 密码。没听说过吧？这是因为这个名字是荷兰语，因此不好记忆和发音。密码本身实际上非常普遍，但名称更加引人注目：AES。它是一种对称密码，可在加密速度和安全性之间提供出色的平衡。此外，Arduino还提供了几个AES库！本项目使用的库是Davy Landman开发的AESLib（可从 GitHub 上获得）。

如上所述，AES是一种对称密码 – 这意味着它使用相同的密钥来加密和解密消息。现在，我们只有两个设备，因此将密钥硬编码到Arduino中非常容易。当然，如果我们想要动态添加更多设备并创建某种无线网络，我们必须以某种方式实现安全密钥交换，例如使用Diffie-Hellman交换。但是我们现在不会深入这个领域，我们只需将密钥硬编码到我们的Arduino程序中即可。

那么我们应该如何修改上一章的代码呢？修改并不多，说实话，我们只需添加密钥以及一个加密或解密数据包中的数据。这是发射机部分，加密通过 aes128_enc_single() 函数完成。

接收机部分如下所示，解密通过相同密钥和函数 aes128_dec_single() 完成。

使用了密钥之后，我们的消息现在是安全的。如果有人偷听我们的谈话，他无法看到除地址之外的任何内容，每个数据包中都是240字节的乱码。同样，如果攻击者试图传输他自己的消息，我们会立即知道，因为他传输的消息不会加密。

在Arduino上用AES加密非常简单，所以我推荐使用该加密方法。这不仅仅是一个很好的编程实践。您永远不知道谁以及为什么可能会偷听您看似无辜的对话。

结论

现在，Arduino远程无线通信的短暂旅途就要结束了。如果您开发自己的LoRenz开发板并将其应用于一些很酷的Arduino项目，请告诉我！如果您有改进LoRenz开发板和LoRaLib库的想法，请在GitHub上与我分享。

我对开发板进行了测试，当带宽为500kHz、扩展因子为12、编码率为4/8时，在无障碍环境中我能够实现超过500米的可靠传输；在茂密的森林中传输距离则超过200米。所有这一切都只是通过一根10cm天线实现的，而且发射器电源也只是廉价的9V电池而已（接收器从USB端口接电，最终通过Arduino板载稳压器供电）。这个距离还可以更长（通过降低带宽），但是这会导致传输速度显著降低，在上述设置不变的情况下传输速度大约为1 kbps。

然而，对于我将来的项目，这些距离绰绰有余。请在社交媒体上关注DevicePlus，这样您就不会错过任何有趣的内容！