LoRa 自组网设备原理深度分析

该设备是868MHz LoRa 半双工无线透传模块，实现 1 主 N 从自发现组网、RS485‑LoRa 双向透传、按键本地配置、485 远程参数配置、IAP 串口固件升级；核心特性：信道 0‑62，单帧最大 238 字节，依靠net_id网络标识实现同信道多网络隔离，角色不做掉电保存，上电固定为 STA 监听方。下面从硬件抽象、角色模型、按键状态机、组网机制、数据透传、485 协议、IAP 升级、存储模型、网络隔离 9 个维度拆解原理。

一、核心角色与设备状态模型

设备只有两种运行角色：AP（组网发起者）、STA（监听 / 普通节点）；有 3 个核心工作状态：STANDBY待命、PAIR配对组网、TRANS透传通信。

1. 角色规则
   • 角色不做掉电保存，无论断电前是 AP 还是 STA，上电强制恢复为 STA 监听方；只能通过按键长按临时切换 AP 角色，仅本次上电有效。
   • AP 仅用于发起组网广播，组网完成后，AP 自动降级为 STA；组网成功之后所有节点是对等 STA，没有主从硬件层级，属于对等网状自组网。
2. 三大状态定义

   表格

   状态	含义	数码管表现
   STANDBY 待命	信道 = 0，射频不做业务透传，等待按键触发组网或者信道配置；不收发业务数据	数码管显示 00
   PAIR 配对组网	正在扫频、广播组网（AP） / 监听组网广播（STA），寻找同网设备，不进行业务透传	显示 00，mod/com 指示灯按角色闪烁
   TRANS 透传	信道≠0，射频开启业务收发，RS485 与 LoRa 双向透传，正常业务工作模式	数码管显示实际工作信道号

mod：数码管左侧小数点；com：数码管右侧小数点，用来反馈射频状态：mod 代表角色 / 组网发起状态；com 代表接收 / 数据收发状态。

二、按键驱动状态机原理

按键分为：短按、长按≥2s、三连按（间隔≤1.5s）；短按自带 1.5s 确认延时，用来区分短按和三连按，防止误触发。

1. STANDBY 待命状态
   • 长按：STA ↔ AP 角色互相切换；切到 AP 后 mod 灯 512ms 周期闪烁。
   • 短按：进入 PAIR 配对状态；AP 角色则启动组网广播，STA 角色进入 5 分钟组网监听。
   • 三连按：进入CHSET信道设置模式，mod 灯 128ms 快闪，修改信道参数。
2. PAIR 组网配对状态
   • AP（广播）：短按无效；长按取消组网，退回进入组网之前的原始状态。
   • STA（监听）：短按重置 5 分钟监听计时器；长按直接退出监听，回到原状态；5 分钟收不到组网广播自动超时退出。
3. TRANS 透传业务状态
   • 长按：临时切换为 AP 角色，进入 STANDBY 待配网，射频切默认信道，暂停透传；再次长按切回 STA，恢复 FRAM 存储的原有工作信道，回到透传。
   • 短按：进入 PAIR‑STA 5 分钟组网监听。
   • 三连按：进入 CHSET 信道设置。
4. CHSET 信道设置模式
   • 短按：信道循环 + 1，范围 0~62。
   • 长按：保存信道参数到 FRAM，保存信道会清空当前 net_id 网络标识，回到 STANDBY 待命。
   • 10s 无任何按键操作：放弃修改，参数不变，退出信道设置。

关键：保存信道清空 net_id，是为了防止信道修改之后，旧网络标识和新信道不匹配，造成网络异常；修改信道后必须重新组网，或者 485 命令重新写入 net_id。

三、1 主 N 从自组网发现原理

组网的核心目标：AP 扫频选出空闲工作信道 W，生成唯一 net_id 网络标识；所有 STA 获取 W 和 net_id，全部进入 TRANS 透传模式。

完整组网流程

1. 节点 A（人为长按切换为 AP 角色，STANDBY 待命），短按，进入 PAIR‑AP。
   • AP 执行扫频：遍历信道表，跳过默认信道 ch_def，检测信道占用，选出空闲信道 W。
   • 在默认信道上持续广播 20s 组网帧，广播帧携带：空闲信道 W、新生成的 net_id 网络标识；此时 mod、com 灯双闪。
2. 节点 B、C（STA）短按，进入 PAIR‑STA 配对监听，在默认信道持续监听广播，最长监听 5min，com 闪烁、mod 熄灭。
3. B、C 接收到 AP 组网广播帧：提取net_id、业务信道 W；将参数存入 FRAM，自动切换到信道 W，进入 TRANS 透传模式，mod/com 常亮。
4. AP 的 20s 广播窗口结束：AP 把 net_id 固化到本地存储，AP 角色降级为普通 STA，同样进入 TRANS 透传；组网完成，全部节点对等。
5. 校验：485 读取 0x0002 寄存器，所有节点 net_id 完全一致，组网成功。
6. 信道冲突避让测试：如果 D 设备已经占用 ch1 信道，AP 扫频检测 ch1 被占用，会自动选择 ch2 作为业务信道，规避同频干扰。

后期新增设备入网两种机制

1. 单网环境（同一个信道只有一组网络）：自动学习 net_id新设备三连按设置为组网业务信道 W，保存（此时 net_id 为空，TRANS 状态只监听无线，不发送任何数据）；当收到同网其他节点的业务透传帧，从无线帧解析 net_id，自动写入本地，完成入网，恢复双向收发。
2. 多网共存环境（同一个信道有多套独立网络）自动学习会识别错误别的网络的 net_id，造成串网；必须通过 485 命令 0x0002 显式写入正确 net_id，强制绑定网络，不使用自动学习机制。

网络隔离核心：相同信道，不同 net_id，无线收到帧直接丢弃，不转发，实现同信道多套系统互不干扰。

四、LoRa‑RS485 双向透传数据链路原理

透传是设备业务核心，完成 RS485 业务帧和 LoRa 无线帧互相转换，带帧头、net_id、CRC 校验，有帧长限制、信道避让逻辑。

硬件接口

RS485 半双工；默认参数 9600‑8N1，可通过 485 命令修改波特率、校验位、停止位。

帧处理规则

1. 485→LoRa（本地上行发送）485 收到数据：
   • 如果帧长＞238 字节：直接丢弃，不分包；业务侧必须分包。
   • ≤238 字节：软件添加帧头、14 字节 net_id、CRC 校验，封装为 LoRa 无线帧；执行 LoRa 的先听后发 LBT，信道空闲才发送；信道持续忙超过 5s 丢弃报文。
2. LoRa→485（无线接收下行）收到空中 LoRa 帧：
   • 校验帧头、CRC；校验 net_id，net_id 和本地不一致直接丢弃，不转发输出 485。
   • 校验通过，剥除帧头、net_id、CRC，原始净载荷从 RS485 接口输出。
3. 双向流程示例 PC1 接节点 A，PC2 接节点 B，组网完成后 TRANS 状态：
   • PC1 发数据给 A：A 封装无线帧空中广播；B 收到校验通过剥离头部，原始数据输出给 PC2。
   • PC2 发数据给 B：B 封装无线帧广播；A 收到校验，剥离头部输出给 PC1。
   • 每成功收发一帧，com 指示灯脉冲闪烁一次。

注意：这是广播式透传，组网内所有节点收到报文，目标依靠上层 485 协议区分，LoRa 层不做单播寻址，依靠 net_id 隔离不同网络。

五、RS485 配置命令协议原理

设备自定义 Modbus‑like 私有 485 协议，帧头固定FE BB 55 25，支持读 0x03、写 0x10 功能码，读写设备参数；参数掉电保存，写入后立即生效，不需要重启设备。

表格

参数越界会自动钳位到合法范围，不会造成设备死机。

六、可软件配置参数（0x0003 寄存器）

1. SF 扩频因子 Spreading Factor（7‑12，默认 SF7）

LoRa 最核心参数，直接权衡距离与延迟。

• 对距离：SF 越大，扩频增益越高、接收灵敏度越好，通信距离越远。SF 每 + 1，接收灵敏度提升约 2.5dB；SF12 相比 SF7 理论距离提升数倍。
• 对延迟：SF 越大，符号时间指数级变长，空中时间急剧增加，延迟显著变大。SF 每 + 1，符号时间翻倍。

例：BW=125k，SF7 符号约 1ms；SF12 符号约 32ms，相同数据包空中时间差几十倍。

• 工程取舍：近距离实时性优先选 SF7‑8；远距离、弱现场选 SF10‑12，但报文延迟会升到百毫秒甚至秒级。

2. BW 信号带宽 Bandwidth（125k/250k/500k，设备默认 125k）

• 对距离：带宽越小，接收灵敏度越高，距离更远；带宽越大，底噪抬高，灵敏度下降、距离变短。
• 对延迟：带宽越大，符号时间越短，空中传输越快，延迟降低。BW 翻倍，符号时间减半。

例：SF7，BW=125k 速率≈5.5kbps；BW=250k≈11kbps。 注意：小带宽对晶振精度要求高，工业设备常用 125kHz。

3. CR 编码率 Coding Rate（4/5、4/6、4/7、4/8；默认 4/5）

CR 代表纠错冗余，4/(4+CR_value)。

• 对距离：CR 越大（如 4/8）冗余更多，抗干扰、纠错能力强，复杂环境下有效通信距离 / 稳定性提升；开阔环境对最大理论距离几乎不改变。
• 对延迟：冗余增加，有效载荷占比下降，相同业务字节，需要传输更多符号，空中时间增加，延迟变大。

CR=4/5：冗余最少，速率最快、延迟最小；CR=4/8 抗干扰最强，吞吐量最低。

4. max_power 发射功率（1‑22dBm，默认 20dBm）

• 对距离：发射功率提升直接增加链路预算。遵循 3dB 规则：功率提升 3dB，理论距离约 ×1.4 倍。受法规限制，不能无限开大。
• 对延迟：几乎不影响空中传输延迟，只影响能不能收到报文；功率不足会造成丢包，间接因为重传导致延迟增大。

5. channel 工作信道（0‑62）

信道本身不改变单包延迟与理论最大距离，但会影响实际表现：

1. 如果该信道存在外部干扰、同频信号，会造成丢包，触发 LBT 退避、重传，实际延迟上升、有效通信距离下降；
2. AWT100 组网时 AP 会自动扫频避开被占用信道，就是规避这个问题。

6. 帧有效载荷长度（业务字节）

设备最大单帧238 字节，超过直接丢弃。

• 载荷字节越长，空中传输时间越长，延迟越高；

同样 SF/BW/CR 条件：200 字节报文空中时间远大于 10 字节报文。业务尽量小包，降低延迟。

七、IAP 在应用编程固件升级原理

支持串口 IAP 升级，不用仿真器，RS485 触发跳转 BootLoader，Ymodem 协议传输固件镜像。

1. 上位机发送特定跳转命令，携带仪表地址、软件编号。
2. 设备回复错误码；上位机等待 500ms，发送切换波特率命令，切换 bootloader 串口波特率 9600。
3. 设备跳转 BootLoader，串口输出 BootLoader 菜单 ASCII 文本。
4. 上位机发送字符'1' (0x31)，进入固件升级模式；设备循环输出字符C，代表就绪等待 Ymodem 数据包。
5. 上位机以Ymodem 协议发送 bin 固件文件；烧录完成自动跳转运行新固件。
6. BootLoader 菜单还支持退出升级、关闭 Flash 写保护、清除错误标记等功能。

关键点：应用程序和 BootLoader 是分开两段 Flash 分区，IAP 升级只重写应用程序区，BootLoader 本身不会被更新。

八、存储（FRAM）掉电保存模型

表格

场景风险：按键保存信道，会把 FRAM 中 net_id 清空；所以改信道之后，要么重新组网，要么 485 写回 net_id，否则设备不会收发业务数据。

九、完整逻辑总结与关键设计取舍

1. 角色临时化：AP 仅用来发起组网，不永久固化，组网完成后全部变成对等 STA，没有固定主节点，不存在单点故障；重启全部变回 STA，系统鲁棒性更高。
2. 双层网络隔离：信道 + net_id
   • 信道：物理频点隔离；
   • net_id：软件逻辑网络隔离；同一物理信道可以部署多套互不干扰的自组网系统。
3. 两种入网方式：自动学习（简单单网）、485 手动写入 net_id（工业多网现场）适配不同工况。
4. 帧长硬性限制 238 字节：硬件 LoRa 缓存限制，设备内部不做分片重组，业务层必须分包处理长报文。
5. 双配置入口：按键本地配置 + RS485 远程配置；现场调试可以按键，系统集成用 485 总线远程配置参数。
6. IAP 升级保障现场固件迭代：设备安装后不用拆机，串口即可升级固件。
7. 状态机强约束：组网配对模式下关闭业务透传，防止组网过程业务乱码；信道设置保存自动清空网络标识，规避参数不一致异常。

十、典型异常原理解释

1. 保存信道后不能通信：保存信道动作清空 net_id，网络标识为空，设备只监听不发送；需要重新组网或者写 0x0002 命令。
2. 短按按键没有立刻反应：按键 1.5s 确认延时，区分三连按，松手等待即可。
3. 同信道两套设备不会串数据：收到帧 net_id 不匹配直接丢弃。
4. 大于 238 字节报文丢失：设备没有分包重组逻辑，业务软件必须拆分报文。