LoRa 長距離通訊完整教學：從 ESP32 + SX1278 到 LoRaWAN 協定實作

LoRa 是什麼？

LoRa 長距離通訊是 IoT 領域最重要的 LPWAN（低功耗廣域網路）技術之一。LoRa 以極低的功耗提供數公里級的通訊距離，使其成為智慧城市、農業監控、工業感測網路等場景的首選方案。

從上圖可以看到，LoRa 在通訊距離上遙遙領先 WiFi 和 BLE，同時功耗極低，一顆電池可工作數年。代價是傳輸速率低（0.3~50 kbps），但對 IoT 感測器來說已經足夠。

LoRa 技術原理

LoRa 的核心是 CSS（Chirp Spread Spectrum，線性調頻展頻） 調變技術：

• Chirp：頻率隨時間線性變化的訊號（向上 = up-chirp，向下 = down-chirp）
• 展頻增益：訊號在寬頻譜上擴散，對抗干擾和都卜勒效應
• SF（Spreading Factor）：展頻因子（7~12），SF 越高 → 距離越遠、速率越慢
• BW（Bandwidth）：頻寬（125/250/500 kHz），BW 越高 → 速率越快、靈敏度越低

LoRa 調變的關鍵參數關係：

符碼率 Rs = BW / 2^SF
位元率 Rb = SF × Rs × (4 / (4 + CR))

範例（SF=12, BW=125kHz, CR=1）：
Rs = 125000 / 4096 ≈ 30.5 symbols/s
Rb = 12 × 30.5 × 0.8 ≈ 293 bps

LoRa 封包格式

LoRa 封包由三個部分組成：

• Preamble（前導碼）：一串連續的 up-chirp，接收端用於檢測訊號到來並同步時脈。長度可設定（6~65535 symbols），預設 8 個 symbols。
• SFD（Start Frame Delimiter）：固定模式的 down-chirp，標示前導碼結束和資料開始。
• PHDR（實體層標頭）+ PHDR_CRC：包含 Payload 長度、編碼率、CRC 啟用等資訊（僅在隱式模式下可省略）
• Payload：實際資料（最大 255 bytes）
• Payload CRC：16-bit CRC 錯誤檢測

LoRaWAN 通訊協定

LoRa 是實體層調變技術，LoRaWAN 是建立在其上的 MAC 層通訊協定，由 LoRa Alliance 標準化。

裝置類型

實務上 90% 的 IoT 感測器使用 Class A：裝置發送上行資料 → 開啟 RX1（1 秒後）和 RX2（2 秒後）視窗接收伺服器回應 → 回到睡眠。

OTAA 啟用流程

裝置加入 LoRaWAN 網路有兩種方式：OTAA（Over-The-Air Activation）和 ABP（Activation By Personalization）。OTAA 是推薦方式：

1. Join Request：裝置廣播 Join Request，包含 DevEUI（裝置唯一 ID）、AppEUI（應用唯一 ID）、DevNonce（隨機數）
2. Gateway 轉發：LoRa Gateway 收到後透過 TCP/IP 轉發到 Network Server
3. Network Server 驗證：檢查 DevNonce 是否重複，用 AppKey 計算 MIC 驗證完整性
4. Join Accept：Server 回傳 AppNonce、NetID、DevAddr、RX 參數等，使用 AppKey 加密
5. 裝置解密：裝置用 AppKey 解密 Join Accept，取得 DevAddr 和 Session Keys（NwkSKey + AppSKey）

ESP32 + SX1278 硬體接線

Arduino 程式碼：LoRa 點對點通訊

使用 LoRa.h 函式庫（基於 SX1278），最簡單的發送與接收範例：

// ESP32 LoRa 發送端（Sender）
#include 
#include 

// SPI 腳位定義（ESP32 預設 VSPI）
#define SS    5
#define RST   14
#define DIO0  2

void setup() {
    Serial.begin(115200);

    LoRa.setPins(SS, RST, DIO0);

    if (!LoRa.begin(915E6)) {  // 頻率：915 MHz（北美）/ 868 MHz（歐盟）/ 923 MHz（亞洲）
        Serial.println("LoRa 初始化失敗");
        while (1);
    }

    LoRa.setSpreadingFactor(12);    // SF12：最遠距離
    LoRa.setSignalBandwidth(125E3); // BW 125 kHz
    LoRa.setCodingRate4(5);         // CR = 4/5
    LoRa.setTxPower(20);            // 發射功率 20 dBm（最大值）

    Serial.println("LoRa Sender 啟動");
}

void loop() {
    float temp = 25.0 + random(-50, 50) / 10.0;
    float hum  = 60.0 + random(-30, 30) / 10.0;

    LoRa.beginPacket();
    LoRa.print("TEMP:");
    LoRa.print(temp, 1);
    LoRa.print(",HUM:");
    LoRa.print(hum, 1);
    LoRa.endPacket();

    Serial.printf("已發送：T=%.1f H=%.1f\n", temp, hum);
    delay(60000);  // 每分鐘發送一次
}

// ESP32 LoRa 接收端（Receiver）
#include 

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    LoRa.setPins(5, 14, 2);

    if (!LoRa.begin(915E6)) {
        Serial.println("LoRa 初始化失敗");
        while (1);
    }

    LoRa.setSpreadingFactor(12);
    LoRa.setSignalBandwidth(125E3);
    LoRa.setCodingRate4(5);

    Serial.println("LoRa Receiver 啟動，等待資料...");
}

void loop() {
    int packetSize = LoRa.parsePacket();
    if (packetSize) {
        String data = "";
        while (LoRa.available()) {
            data += (char)LoRa.read();
        }

        int rssi = LoRa.packetRssi();
        float snr = LoRa.packetSnr();

        Serial.printf("收到: %s | RSSI: %d dBm | SNR: %.1f dB\n",
                      data.c_str(), rssi, snr);
    }
}

使用 LoRaWAN 協定（MCCI LoRaWAN Library）

若使用 LoRaWAN 協定（需註冊 TTN / ChirpStack），程式碼如下：

// ESP32 LoRaWAN Class A 範例（MCCI LoRaWAN 函式庫）
#include 
#include <hal/hal.h>
#include 

// OTTA 憑證（來自 TTN Console）
static const u1_t PROGMEM APPEUI[8]  = { 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00 };
static const u1_t PROGMEM DEVEUI[8]  = { 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00 };
static const u1_t PROGMEM APPKEY[16] = { 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
                                          0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00 };

void os_getArtEui (u1_t* buf) { memcpy_P(buf, APPEUI, 8); }
void os_getDevEui (u1_t* buf) { memcpy_P(buf, DEVEUI, 8); }
void os_getDevKey (u1_t* buf) { memcpy_P(buf, APPKEY, 16); }

// SPI 腳位
const lmic_pinmap lmic_pins = {
    .nss = 5,
    .rxtx = LMIC_UNUSED_PIN,
    .rst = 14,
    .dio = {2, LMIC_UNUSED_PIN, LMIC_UNUSED_PIN},
};

static uint8_t txData[] = "Hello LoRaWAN!";
static osjob_t sendjob;

void do_send(osjob_t* j) {
    if (LMIC.opmode & OP_TXRXPEND) {
        Serial.println("上一個傳送還未完成");
    } else {
        LMIC_setTxData2(1, txData, sizeof(txData)-1, 0);
        Serial.println("傳送中...");
    }
    os_setTimedCallback(&sendjob, os_getTime() + sec2osticks(60), do_send);
}

void onEvent(ev_t ev) {
    switch (ev) {
        case EV_JOINED:
            Serial.println("已加入 LoRaWAN 網路");
            LMIC_setLinkCheckMode(0);
            break;
        case EV_TXCOMPLETE:
            Serial.println("傳送完成");
            if (LMIC.dataLen) {
                Serial.printf("收到下行: %s\n", LMIC.frame + LMIC.dataBeg);
            }
            break;
        default:
            break;
    }
}

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    LMIC_reset();
    LMIC_startJoining();
    do_send(&sendjob);
}

void loop() {
    os_runloop_once();
}

LoRa 參數調校指南

天線設計注意事項

• 匹配阻抗：SX1278 輸出阻抗 50Ω，天線也須 50Ω
• 天線長度：λ/4 單極天線最簡單（915MHz → ~8.2cm，868MHz → ~8.6cm）
• 地平面：單極天線需要接地平面，PCB 上預留足夠面積
• SWR 測試：使用網路分析儀調整匹配網路（L/C 元件）
• 法規限制：各國對 ISM 頻段發射功率有不同規定（台灣 915MHz ≤ 1W EIRP）

LoRa vs 其他 IoT 通訊技術

實務經驗：LoRa 通訊距離測試

// LoRa 距離測試 — 持續發送 RSSI 封包
void loop() {
    LoRa.beginPacket();
    LoRa.print("RSSI_TEST");
    LoRa.endPacket();

    delay(5000);

    // 每秒檢查是否收到回應
    if (LoRa.parsePacket()) {
        Serial.printf("收到回應 | RSSI: %d SNR: %.1f\n",
                      LoRa.packetRssi(), LoRa.packetSnr());
    }
}

實測結果（SF12, BW125, 20dBm, 空曠環境）：

• 500m：RSSI -85~-95 dBm，SNR 8~12 dB（穩定連線）
• 1km：RSSI -100~-110 dBm，SNR 5~8 dB（偶爾掉封包）
• 2km：RSSI -115~-125 dBm，SNR 0~3 dB（需重傳機制）
• 5km：RSSI -130 dBm 以下，僅視距可見時可收到

總結

LoRa 以極低的功耗和遠距離通訊能力，成為 IoT 感測器網路的首選方案。ESP32 + SX1278 的組合提供了完整的 LoRa 節點實作路徑，從簡單的點對點通訊到 LoRaWAN 協定都能勝任。

選擇建議：

• 簡單原型：使用 LoRa.h 函式庫做點對點通訊
• 正式部署：使用 MCCI LoRaWAN 函式庫 + TTN / ChirpStack
• 高容量場景：LoRaWAN Class B/C + 多 Gateway 部署