论文总字数：19747字

摘 要

随着对物联网市场需求的增长，用于物联网的无线通信技术也不断发展。诸如WIFI、蓝牙、2G/3G/4G等常规通信技术不可能同时实现长距离和低功耗的特性。针对这一问题，一种新兴的低功耗广域物联网（LPWAN）技术Lora应运而生，近年来备受国内外人们的关注。

本论文设计就是基于Lora_SX1278射频芯片为基础，HC32L130F8UA为MCU设计一个中继节点，包括硬件电路设计和软件开发，设计原理图并绘制PCB板，通过设计的传感器节点监测一定范围内的信号，收集有关数据，然后经过该节点发送至管理节点，完成对指定区域的数据通信监测。

最终对设计出的中继节点进行测试验证，达到了预期效果，通信网络高效可靠。并总结全文，并探讨了所研究技术的未来的发展。

关键词：Lora技术 物联网 无线中继 网络节点

Realization of wireless relay mote based on Lora

Abstract

As the demand for the Internet of Things market grows, the wireless communication technology used for the Internet of Things also continues to develop. Conventional communication technologies such as WIFI, Bluetooth, 2G / 3G / 4G, etc. cannot simultaneously achieve the characteristics of long distance and low power consumption. In response to this problem, an emerging low-power wide-area Internet of Things (LPWAN) technology, Lora, has emerged at the historic moment and has received much attention from people at home and abroad in recent years.

The design of this paper is based on the Lora_SX1278 RF chip. The HC32L130F8UA design a relay node for the MCU, including hardware circuit design and software development, design the schematic diagram and draw the PCB board, monitor the signals within a certain range through the designed sensor node, collect relevant The data is then sent to the management node through the node to complete the data communication monitoring of the designated area.

Finally, the designed relay nodes are tested and verified to achieve the desired effect, and the communication network is efficient and reliable. It summarizes the full text and discusses the future development of the researched technology.

Key Words: Lora Technology；IOT；Wireless Relay；Network Node

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究内容及章节布置 3

1.4 本章小结 3

第二章 LoRa技术与LoRaWAN概述 5

2.1 无线传感器网络概述 5

2.1.1 无线传感器网络系统架构 5

2.1.2 无线传感器网络特点 5

2.2 LoRa技术概述 6

2.2.1 LoRa扩频通信原理 6

2.2.2 LoRa调制 7

2.2.3 LoRa空中唤醒技术 7

2.3 LoRaWAN概述 7

2.3.1 LoRaWAN网络架构 7

2.3.2 LoRaWAN分类 8

2.3.3 MAC信息格式 8

2.3.4 LoRa物理帧结构 8

2.4 本章小结 9

第三章 中继节点硬件选型及设计 10

3.1 中继节点 10

3.1.1 无线中继网络架构 10

3.1.2 中继节点工作内容 11

3.2 中继节点硬件设计 11

3.2.1 MCU模块 11

3.2.2 LoRa射频通信模块 13

3.2.3 电源供电模块 16

3.2.4 USB转串口设计 17

3.2.5 ANT天线设计 17

3.3 本章小结 18

第四章 中继节点软件设计 20

4.1 开发环境 20

4.2 中继节点程序实现 21

4.2.1 中继节点整体流程 21

4.2.2 芯片初始化程序设计 22

4.2.3 数据收发设计 22

4.2.4 中继节点注册入网 23

4.2.5 中继心跳包 23

4.3 本章小结 24

第五章 中继测试 25

5.1 PCB实物图 25

5.2 功能测试 25

5.2.1 中继与终端通信 25

5.2.2 中继与网关通信 26

5.2.3 射频性能测试 27

5.2.4 丢包率测试 27

5.3 本章小结 28

第六章 总结与展望 29

6.1 总结 29

6.2 展望 30

参考文献 31

致谢 33

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

物联网（Internet of things），如其名，即“用互联网让事物相互连接”^{[1] [2]}。是指将互联网拓展到现实世界中的地点与事物，无论人与人之间何时何地发送交换信息，各种信息传感器都连接到Internet形成一个庞大的网络。物联网正不断崛起，被认为是第三代互联网，称为Web3.0。

如今物联网的应用已经和人民群众生活息息相关：智慧农业、智慧工厂、智能医疗、楼宇自动化、公共社会安全等等。许多应用和传统移动通信的不同，例如监测湖水水质、密林火灾防范、山石崩塌预测等服务，数据包不大而且可以接受一定延迟，不仅如此，在一些环境恶劣地理位置偏远信号屏蔽大的地方建设基站成本人力巨大，通信信号也不太好，传统移动通信技术就会显得捉襟见肘。于是为此，科学家们提出了适合于物联网的通讯技术，远距离低能耗低成本，这种通讯网称为低功耗广域网 (Low Power Wide Area Network, LPWAN) ^[3]。

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