信息科技正開始向物聯網轉變，為社會數字化帶來重大變革。智慧城市，智慧交通以及新能源和可再生能源計劃實施，加速了物聯網的工業部署；而智能家居和智能辦公室推動了物聯網在消費市場的快速發展。隨著物聯網的廣泛應用，無線連接的重要性也日益增加。

無線連接是指采用無線通訊技術建立設備之間的物理連接，常見的無線通訊技術有藍牙、Wi-Fi、NFC、ZigBee、Z-Wave、NB-IoT、LoRa、2/3/4/5G、GPS、LTE Cat-M1等等。而在物聯網應用中，低功耗，高穩定，高安全和易連接等性能要求尤為重要。這與ST的產品規劃相一致。

ST致力于為客戶提供他們需要的安全可靠的無線連接產品和解決方案，以幫助應對他們的機遇和挑戰。無線微控制器是 STM32 產品系列的一部分，其中包括BLE 5.2 和 IEEE 802.15.4 通信協議以及支持 LoRa? 的片上系統等無線物聯網連接技術。我們將通過一系列的STM32W相關技術介紹文章，和大家分享ST無線連接相關解決方案。

前言

STM32WL是市場上首款可以連接LoRa低功耗廣域網的系統級芯片，它繼承了STM32MCU超低功耗特性，支持多種Sub-GHz調制方案。LoRa作為市場上流行的長距離物聯網無線連接技術，它的應用場景一般是以標準LoRaWAN網絡組網或者私有LoRa網絡組網的形式呈現。STM32WL在LoRa網絡應用中大多是扮演終端節點的角色。比如在LoRaWAN網絡中，運行LoRaWAN協議的STM32WL終端節點可以連接專門的LoRaWAN網關進行通信。

本文將介紹私有LoRa網絡中STM32WL扮演的一個新角色，即私有LoRa網關。內容涉及STM32WL基于LoRa調制技術的私有網絡設計原理，介紹STM32WL如何采用時分和頻分的方式搭建私有網絡以實現私有LoRa網關與LoRa 傳感器節點的連接以及數據傳輸。最后會介紹如何演示STM32CubeMonitor軟件監控基于STM32WL實現的私有LoRa網絡。

一、私有LoRa網絡設計原理

市場上LoRa應用常見的網絡架構有LoRaWAN網絡和私有網絡。LoRaWAN是LoRa聯盟全球推廣的統一協議。私有LoRa網絡則是客戶自己基于LoRa調制技術設計。

常見的私有LoRa網絡結構有以下幾種：

點對點網絡

星狀網絡

Mesh網絡

點對點網絡

點對點（Point to point）通信網絡是一種最簡單的網絡結構，在STM32WL的應用中稱為PingPong模式，它是基于LoRa調制技術實現類似一主一從數據通信，是半雙工通信的方式。客戶可以使用點對點的通信，測試兩塊STM32WL板的通信距里。

星狀網絡

星狀網絡結構一般是以眾多節點，連接到一個網關的形式呈現，如下圖：

標準的LoRaWAN網絡和大多私有LoRa網絡都采用這種星狀網絡組網。STM32WL 私有LoRa網絡例程也是采用這種網絡結構。對比LoRaWAN網絡需要采用專門的多通道LoRa網關芯片，私有LoRa網絡則可以采用STM32WL 這種低成本，靈活的私有網關方案進行小型LoRa組網。使用STM32WL這類本身做終端節點的芯片做私有LoRa網關，它同時只能采用一個信道進行通信，也即是會采用固定的頻率，擴頻因子（SF）,帶寬（BW）等調制參數組合。在這種情況下，為解決私有LoRa網絡需要和眾多節點進行上下行通信，一般使用以下幾種工作模式。

普通模式

定時問詢模式

信道升級模式

同步/異步下行主動模式

普通模式

在普通工作模式下，網關和節點都采用相同的芯片（比如STM32WL），工作時都使用相同的頻率，擴頻因子（SF）,帶寬（BW）參數。網關會一直打開接收通道，等待節點的上傳數據。

定時問詢模式

定時問詢模式，所有節點和網關跟普通模式類似，都采用相同的頻率，擴頻因子（SF）,帶寬（BW）參數。但它在網絡建立時，網關會給每個節點分配一個序號以及當前的系統標準時間（確保節點時間和網關相同）。定時問詢模式下，網關根據其時間表，在對應的時間與每一個節點進行通信。

信道升級模式

為了解決信道容量和易受干擾問題，可以采用增加網關信道的方法，這就是信道升級模式。這種模式下可以使用多個LoRa節點，比如多個STM32WL組成一個網關。網關里的每個STM32WL工作在不同的頻點。

同步/異步下行主動模式

同步/異步下行主動模式是為了解決網關下行控制的實時性問題。

同步下行主動模式利用定時詢問模式中的下行控制特點，要求每個節點隔一段周期時間打開接收窗口，且所有節點的接收窗口時間相同。比如每隔1s喚醒，周期性打開接收窗口。當網關需要發送下行控制命令時，只要在節點時間窗口內下發指令，節點就能收到。

異步下行主動模式，通過超長的異步下行前導碼喚醒所有網絡中的節點，節點喚醒后，打開接收窗口，網關發送下行控制命令給節點。

下圖為異步下行主動模式通信示意圖

同步/異步下行主動模式，因為所有節點都需要周期喚醒，對比定時問詢模式的喚醒方式，功耗會有增加，但相應的提高了網關下行控制的實時性。

Mesh網絡

Mesh網絡即“無線網格網絡”，是多跳（multi-hop）網絡,具有多跳互聯和網狀拓撲特性。常見的Mesh網絡有BLE Mesh以及Zigbee Mesh網絡。在一些同時需求遠距離，高速率的LoRa的應用中也會使用到Mesh技術。

二、STM32WL私有LoRa網絡例程

STM32Cube_FW_WL軟件開發包提供的私有LoRa網絡例程叫“LocalNetwork”，里面包含了STM32WL網關“LocalNetwork_Concentrator”和節點“LocalNetwork_Sensor”兩個工程。開發包可以直接從ST官網STM32CubeWL下載。這個私有LoRa網絡是基于一個STM32WL的網關，以及高達14個STM32WL節點組成。下面會分別對其工作原理和演示做介紹。

STM32WL私有LoRa網絡例程的工作原理

在STM32WL私有LoRa網絡中，STM32WL網關（Concentrator）上電后處于待機狀態，直到收到來自于PC端通過串口傳輸過來的AT指令，設置工作頻率并開始Beacon廣播。這里的工作頻率可以通過AT指令配置為歐盟、美國、中國等區域的工作頻率。而節點（Sensor）,復位后會一直處于掃描模式（Scan）。它會以支持的所有的頻段來掃描網關的Beacon廣播， 直到找到一個有效的Beacon。當它找到了有效的Beacon，會繼續偵聽后續的同步(Sync)數據包，以了解網關工作的哪些時隙是空閑的。節點會選擇其中一個空閑的時隙來響應網關的控制信息，并通過這個時隙傳輸后續節點采集的傳感器數據。從上面我們可以看到網關一直在廣播兩種數據包，一種數據包叫Beacon ，它里面包含前導碼（Preamble），子區域編號(subregion number)，頻率種子（frequency seed）。另一種數據包叫同步（Sync），它包含標準的前導碼（Preamble）以及一些用來管理私有網絡的數據。

STM32WL私有LoRa網絡例程通信用到了類似定時問詢模式的“時分”，和信道升級模式的“頻分”（只是它在一個STM32WL上配合時分來實現）。下面我們來看STM32WL私有LoRa網絡例程的演示部分。

STM32WL私有LoRa網絡例程演示

演示環境搭建

軟件

1.從ST官網下載STM32Cube_FW_WL_V1.1.0軟件開發包鏈接：STM32CubeWL

2. 其它軟件工具：

編譯器：IAR 8.50.9，

串口工具：Tera Term ,

燒錄工具：STM32CubeProgrammer

監控工具：STM32CubeMonitor

硬件

4塊NUCLEO-WL55JC 開發板
鏈接： NUCLEO-WL55JC

4 根Micro USB線

軟件燒錄

四塊STM32WL NUCLEO-WL55JC板，選其中一塊作為LoRa私有網關，燒寫從ST官網下載STM32Cube_FW_WL_V1.1.0軟件開發包里的LocalNetwork_Concentrator 工程軟件。其余3塊燒寫LocalNetwork Sensor工程軟件作為節點。這里可以直接使用IAR編譯器燒錄也可以通過STM32CubeProgrammer燒寫.bin文件。

使用STM32CubeMonitor監控私有網絡

1．4塊STM32WL NUCLEO-WL55JC板工作示意圖和實物連接圖如下：

2．如上圖示，當4塊STM32WL NUCLEO-WL55JC板上電后，其中一塊私有網關(Concentrator)會周期性發出Beacon 和同步信號。而其余三個節點(Sensor)會啟動掃描Scan，捕捉合適的Beacon信號進行連接，連接成功后，根據分配的時隙進行數據通信，上傳傳感器數據到網關(Concentrator)。

3．當4塊STM32WL NUCLEO-WL55JC板上電后，將網關(Concentrator)的板子通過ST Link電腦，可以使用STM32CubeMonitor工具，通過AT指令對網關進行控制管理。如下圖，就是在以圖形界面的方式顯示三個節點(Sensor)上傳的傳感器數據。

三、總結

本文介紹了私有LoRa網絡設計原理，內容包括LoRa網絡的常見拓撲結構：點對點網絡，星狀網絡和Mesh網絡。其中重點介紹了常用的星狀網絡拓撲的四種工作模式：普通模式，定時問詢模式，信道升級模式，同步/異步下行主動模式。而ST提供的STM32WL私有LoRa網絡例程中，其在時隙和跳頻上的應用則類似定時問詢模式和信道升級模式中運行的機制。接著我們介紹了ST提供的STM32WL私有LoRa網絡例程實現的原理，以及如何演示STM32CubeMonitor軟件監控STM32WL私有LoRa網絡的數據通信。

本文目的在于幫助大家了解私有LoRa網絡工作原理，并知道如何使用STM32WL來實現小型私有LoRa網絡的設計。

來源：意法半導體中國

審核編輯：湯梓紅