📚 课程目录第3章 LoRa 点对点链路参数配置与丢包率测试

3. LoRa 点对点链路参数配置与丢包率测试

链路预算与参数组合设计

LoRa 点对点链路能否在农田场景稳定工作，取决于四个可配置参数之间的耦合关系：频点决定合法频段与干扰环境，扩频因子 SF决定灵敏度与空中时间，带宽 BW决定速率与抗噪能力，发射功率决定链路余量但受法规与功耗约束。本案例选用 SX1278（433 MHz 频段）模块对，主控为 STM32，通过 SPI 配置寄存器，串口输出测试统计。

先明确参照约定：RSSI 以 dBm 表示，数值越接近 0 信号越强；SNR 以 dB 表示，负值表示信号低于噪声底但仍可解调（LoRa 特性）。丢包率定义为 (发送包数 − 接收包数) / 发送包数 × 100%，发送端每包携带递增序号，接收端按序号缺口统计。

参数组合设计原则：SF 每增加 1，灵敏度约改善 2.5 dB，但空中时间翻倍；BW 从 500 kHz 降到 125 kHz，灵敏度改善约 3 dB，速率降为 1/4；发射功率从 10 dBm 提到 17 dBm 仅增加 7 dB 余量，却显著增加功耗。因此测试矩阵应覆盖“低速率高灵敏”与“高速率低灵敏”两端，找出满足丢包率阈值的最低功耗组合。

寄存器级配置实现

SX1278 通过 SPI 访问寄存器。关键配置项：RegFrfMsb/Mid/Lsb 设置频点（FrF = f × 2²⁴ / 32 MHz），RegModemConfig1 设置 BW 与编码率，RegModemConfig2 设置 SF，RegPaConfig 设置功率。以下为发送端核心初始化与发包代码，接收端仅需将模式改为连续接收并读取 RegPktRssiValue 与 RegPktSnrValue。

#include "stm32f1xx_hal.h"

/* 频点 433.175 MHz → FrF = 433175000 * 2^24 / 32000000 = 0x6C8CCC */
#define FRF_MSB 0x6C
#define FRF_MID 0x8C
#define FRF_LSB 0xCC

/* 参数组合结构体 */
typedef struct {
    uint8_t sf;      /* 7~12 */
    uint8_t bw;      /* 0=125k, 1=250k, 2=500k */
    uint8_t tx_dbm;  /* 10/14/17 */
} lora_cfg_t;

static void lora_write(uint8_t addr, uint8_t val) {
    uint8_t buf[2] = { addr | 0x80, val };
    HAL_SPI_Transmit(&hspi1, buf, 2, 100);
}

static uint8_t lora_read(uint8_t addr) {
    uint8_t tx = addr & 0x7F, rx;
    HAL_SPI_Transmit(&hspi1, &tx, 1, 100);
    HAL_SPI_Receive(&hspi1, &rx, 1, 100);
    return rx;
}

void lora_init(const lora_cfg_t *c) {
    /* 进入睡眠模式配置 */
    lora_write(0x01, 0x80);
    /* 频点 */
    lora_write(0x06, FRF_MSB);
    lora_write(0x07, FRF_MID);
    lora_write(0x08, FRF_LSB);
    /* ModemConfig1: BW[7:4] | CR[3:1] | 显式头[0] */
    uint8_t bw_bits = (c->bw == 0) ? 0x70 : (c->bw == 1) ? 0x80 : 0x90;
    lora_write(0x1D, bw_bits | 0x02);   /* CR=4/5 */
    /* ModemConfig2: SF[7:4] | CRC使能[2] */
    lora_write(0x1E, ((c->sf) << 4) | 0x04);
    /* 功率: PA_BOOST, 17dBm 时 0x8F; 14dBm 时 0x8E; 10dBm 时 0x8A */
    uint8_t pa = (c->tx_dbm == 17) ? 0x8F : (c->tx_dbm == 14) ? 0x8E : 0x8A;
    lora_write(0x09, pa);
    /* 前导码长度 8 */
    lora_write(0x20, 0x08);
    /* 负载长度 */
    lora_write(0x22, 0x08);
    /* 进入待机 */
    lora_write(0x01, 0x81);
}

void lora_send_packet(uint8_t *data, uint8_t len) {
    lora_write(0x0E, 0x80);          /* FIFO 指针复位 */
    lora_write(0x0D, 0x80);          /* 映射 FIFO */
    for (uint8_t i = 0; i < len; i++)
        lora_write(0x00, data[i]);
    lora_write(0x22, len);
    lora_write(0x01, 0x83);          /* TX 模式 */
    while (!(lora_read(0x12) & 0x08)); /* 等待 TxDone */
    lora_write(0x12, 0x08);          /* 清标志 */
}

关键校验点：配置完成后读回 RegModemConfig1/2 确认写入值；用频谱仪或另一台已知配置的接收机确认频点偏差在 ±10 kHz 内。若 SF 与 BW 不匹配（如 SF12 + BW500），空中时间会显著缩短但灵敏度下降，需在测试矩阵中单独标注。

丢包率与 RSSI 统计方法

发送端每包负载为 8 字节：[序号高字节, 序号低字节, 0xAA, 0x55, 温度×10, 湿度, 电压, 校验]。接收端维护一个 16 位序号窗口，收到包后记录 RSSI、SNR 与序号，测试结束后按以下规则统计：

发送总数 N = 100（每组合），接收总数 M = 去重后有效序号数。
丢包率 = (N − M) / N × 100%。
RSSI 取所有有效包的中位数，避免个别异常值干扰。
SNR 取均值，若均值 < −15 dB 则标记为“解调临界”。

组合	场景	SF	BW	TX	丢包率	RSSI 中位数	SNR 均值	判定
C1	视距	7	500	17	0%	−78 dBm	+9.5 dB	可用
C1	非视距	7	500	17	18%	−112 dBm	−6.2 dB	不可用
C2	视距	9	125	14	0%	−82 dBm	+7.8 dB	可用
C2	非视距	9	125	14	3%	−118 dBm	−11.4 dB	可用
C3	视距	12	125	10	0%	−85 dBm	+6.1 dB	可用
C3	非视距	12	125	10	1%	−124 dBm	−14.8 dB	可用（临界）

示例数据说明：上表为教学示例，用于演示判读方法，非实测结果。实际测试中 RSSI 受天线增益、馈线损耗、作物含水率影响，同一组合在不同地块可能相差 6~10 dB。建议每个场景至少重复 3 轮，取丢包率中位数作为判定依据。

参数确定与复测建议

根据判读逻辑，非视距场景下 C1（SF7/BW500）丢包率 18% 属于临界偏不可用，C2（SF9/BW125）丢包率 3% 且 RSSI −118 dBm 满足可用条件，C3（SF12/BW125）虽可用但空中时间 1.3 s 导致功耗与延迟偏高。因此推荐链路参数为 SF9 / BW125 / TX14 dBm，在保证非视距可靠性的同时兼顾功耗与实时性。

复测时建议：将 C2 组合在非视距场景下连续运行 30 分钟（900 包），确认丢包率稳定在 5% 以内；同时用万用表测量发送端平均电流，验证 14 dBm 相比 17 dBm 的功耗收益是否达到预期（典型差异约 20~30 mA 峰值电流）。若现场出现 RSSI 骤降超过 10 dB，优先排查天线接头进水或作物冠层增厚导致的额外衰减。