Arduino長距離通信課程–LoRaLib程式館
為了控制 Arduino 長距離通信課程 – LoRenz 研發板中構建的LoRenz研發板，我研發了LoRaLib——用於SX1278晶片的開源Arduino程式館。這個程式館從零開始設計，目的只有一個：製作易於使用的API，即使是初學者也可以實現LoRa通信。該程式館的目標是使遠端通訊與序列通信一樣簡單。
軟體
- Arduino IDE
- LoRaLib Arduino 程式館（可在GitHub上獲得）
LoRaLib 程式館
SX1278有多種不同設定，允許使用者完全自訂範圍、資料速率和功耗，但是最重要的三個設定如下所示：
- 頻寬 SX1278允許的頻寬設定為7.8 kHz至500 kHz。頻寬值越高，資料傳輸越快。然而，這是以降低總靈敏度為代價的，因此降低了最大範圍。
- 擴頻因數 在LoRa調製中，每個資訊位元由多個啁啾表示。擴頻因數是指每位元資料有多少啁啾。SX1278支援7種不同的設定，擴頻因數越高，資料傳輸越慢，範圍越大。
- 編碼速率 為了提高傳輸的穩定性，SX1278可以執行錯誤檢查功能。此錯誤檢查的度量稱為編碼速率，可以設定四個值。編碼速率設為最低的4/5時，傳輸不太穩定，速度稍快。編碼速率設為最高的4/8時，鏈路更可靠，但代價是資料傳輸速率較慢。
程式館的默認設定為：頻寬為500 kHz、編碼速率為4/5和擴頻因數為12。這些設定是範圍、穩定性和資料速率之間的合理平衡。當然，這些設定可以透過函數隨時更改。
該程式館內建資料包類和定址系統。位址長度為8位元組，那麼最大的定址數量就是1.8千億億(1.8 × 10^19)。這個數值大的離譜。相比之下，NASA估計我們銀河系中的恒星數量僅為“4億”(4×10^11)。每個資料包由源位址、目標位址和最多240位元組的有效負載組成。當然，該程式館還提供了幾種讀取和寫入分組資料的方法。
讓我們來看一下使用這個程式館是多麼容易。假設我們有兩個帶有SX1278模組的LoRenz研發板。它們相距幾百米，所以我們可以使用默認設定。首先，我們必須包含程式館標頭檔。然後，我們用默認設定創建 LoRa 類的一個實例，用目標位址和消息創建 packet 類的一個實例。源位址由程式館自動生成並寫入Arduino EEPROM。要檢查所有內容是否已正確保存，我們會讀取資料包資訊並將其列印到序列埠。接下來，我們只需調用 tx() 函數即可。一會兒之後……完成！只需一個命令，我們的資料包就傳送成功了！
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// include the library #include <LoRaLib.h> // create instance of LoRa class with default settings LoRa lora; // create instance of packet class // destination: "20:05:55:FE:E1:92:8B:95" // data: "Hello World !" packet pack("20:05:55:FE:E1:92:8B:95", "Hello World!"); void setup() { Serial.begin(9600); // initialize the LoRa module with default settings lora.init(); // create a string to store the packet information char str[24]; // print the source of the packet pack.getSourceStr(str); Serial.println(str); // print the destination of the packet pack.getDestinationStr(str); Serial.println(str); // print the length of the packet Serial.println(pack.length); // print the data of the packet Serial.println(pack.data); } void loop() { Serial.print("Sending packet "); // start transmitting the packet uint8_t state = lora.tx(pack); if(state == 0) { // if the function returned 0, a packet was successfully transmitted Serial.println(" success!"); } else if(state == 1) { // if the function returned 1, the packet was longer than 256 bytes Serial.println(" too long!"); } // wait a second before transmitting again delay(1000); } |
當然，我們需要第二套配有LoRenz 研發板的Arduino來接收該資料包。 系統設定不變，只是這次我們調用 rx() 函數，然後列印接收到的資料包。此函數將等待資料包，如果資料沒有在某個時間內到達，該函數將超時，以便您的代碼不會完全掛起。該程式館甚至還會檢查傳輸的資料包是否已損壞，如果是，則將其丟棄。
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// include the library #include <LoRaLib.h> // create instances of LoRa and packet classes with default settings LoRa lora; packet pack; void setup() { Serial.begin(9600); // initialize the LoRa module with default settings lora.init(); } void loop() { Serial.print("Waiting for incoming transmission ... "); // start receiving single packet uint8_t state = lora.rx(pack); if(state == 0) { // if the function returned 0, a packet was successfully received Serial.println("success!"); // create a string to store the packet information char str[24]; // print the source of the packet pack.getSourceStr(str); Serial.println(str); // print the destination of the packet pack.getDestinationStr(str); Serial.println(str); // print the length of the packet Serial.println(pack.length); // print the data of the packet Serial.println(pack.data); } else if(state == 1) { // if the function returned 1, no packet was received before timeout Serial.println("timeout!"); } else if(state == 2) { // if the function returned 2, a packet was received, but is malformed Serial.println("CRC error!"); } } |
當然，這只是最基本的例子。程式館本身可以做更多事情，而且我還在繼續研發更多的功能。有關該程式館和所有其他功能的更深入資訊，請參閱我的GitHub以及那裡託管的文件。
Arduino加密
本文結束之前，我還想討論一下Arduino的加密。我在上一篇文章中提到了這個問題。現在，我們發送的所有資料都是未加密的。這意味著擁有相同配置、使用相同模組和相同設定的任何人都能攔截和閱讀我們的消息。攻擊者甚至可以發送自己的消息，而我們卻無法分辨。顯然，這並不安全。
最簡單的解決方案就是使用某種加密。具體地，我決定使用Rijndael 密碼。沒聽說過吧？這是因為這個名字是荷蘭語，因此不好記憶和發音。密碼本身實際上非常普遍，但名稱更加引人注目：AES。它是一種對稱密碼，可在加密速度和安全性之間提供出色的平衡。此外，Arduino還提供了幾個AES程式館！本專案使用的程式館是Davy Landman研發的AESLib（可從GitHub上獲得）。
如上所述，AES是一種對稱密碼 – 這意味著它使用相同的金鑰來加密和解密消息。現在，我們只有兩個裝置，因此將金鑰硬編碼到Arduino中非常容易。當然，如果我們想要動態添加更多裝置並創建某種無線網路，我們必須以某種方式實現安全金鑰交換，例如使用Diffie-Hellman交換。但是我們現在不會深入這個領域，我們只需將金鑰硬編碼到我們的Arduino程式中即可。
那麼我們應該如何修改上一章的代碼呢？修改並不多，說實話，我們只需添加金鑰以及一個加密或解密資料包中的資料。這是射極機部分，加密透過aes128_enc_single()函數完成。
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// include the libraries #include <LoRaLib.h> #include <AESLib.h> // create instance of LoRa class with default settings LoRa lora; // create instance of packet class // destination: "20:05:55:FE:E1:92:8B:95" // data: "Hello World !" packet pack("20:05:55:FE:E1:92:8B:95", "Hello World! "); // our secret 16-byte long key uint8_t key[] = {0x2C, 0x66, 0x54, 0x94, 0xE3, 0xAE, 0xC7, 0x32, 0xC4, 0x66, 0xC8, 0xBE, 0xF3, 0x71, 0x22, 0x36}; void setup() { Serial.begin(9600); // initialize the LoRa module with default settings lora.init(); // create strings to store the packet information char src[24]; char dest[24]; // print the source of the packet pack.getSourceStr(src); Serial.print("Source:\t\t\t"); Serial.println(src); // print the destination of the packet pack.getDestinationStr(dest); Serial.print("Destination:\t\t"); Serial.println(dest); // print the length of the packet Serial.print("Total # of bytes:\t"); Serial.println(pack.length); // print the contents of unencrypted packet Serial.println("-------- Plain text ---------"); Serial.println(pack.data); // encrypt the data aes128_enc_single(key, pack.data); // print the contents of encrypted packet Serial.println("--- Encrypted with AES128 ---"); Serial.println(pack.data); } void loop() { Serial.print("Sending packet "); // start transmitting the packet uint8_t state = lora.tx(pack); if(state == 0) { // if the function returned 0, a packet was successfully transmitted Serial.println(" success!"); } else if(state == 1) { // if the function returned 1, the packet was longer than 256 bytes Serial.println(" too long!"); } // wait a second before transmitting again delay(1000); } |
接收機部分如下所示，解密透過相同金鑰和函數 aes128_dec_single() 完成。
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// include the libraries #include <LoRaLib.h> #include <AESLib.h> // create instances of LoRa and packet classes with default settings LoRa lora; packet pack; // our secret 16-byte long key uint8_t key[] = {0x2C, 0x66, 0x54, 0x94, 0xE3, 0xAE, 0xC7, 0x32, 0xC4, 0x66, 0xC8, 0xBE, 0xF3, 0x71, 0x22, 0x36}; void setup() { Serial.begin(9600); // initialize the LoRa module with default settings lora.init(); } void loop() { Serial.print("Waiting for incoming transmission ... "); // start receiving single packet uint8_t state = lora.rx(pack); if(state == 0) { // if the function returned 0, a packet was successfully received Serial.println("success!"); // create strings to store the packet information char src[24]; char dest[24]; // print the source of the packet pack.getSourceStr(src); Serial.print("Source:\t\t\t"); Serial.println(src); // print the destination of the packet pack.getDestinationStr(dest); Serial.print("Destination:\t\t"); Serial.println(dest); // print the length of the packet Serial.print("Total # of bytes:\t"); Serial.println(pack.length); // print the contents of encrypted packet Serial.print("Encrypted (AES128):\t"); Serial.println(pack.data); // decrypt the data aes128_dec_single(key, pack.data); // print the contents of unencrypted packet Serial.print("Plain text:\t\t"); Serial.println(pack.data); } else if(state == 1) { // if the function returned 1, no packet was received before timeout Serial.println("timeout!"); } else if(state == 2) { // if the function returned 2, a packet was received, but is malformed Serial.println("CRC error!"); } } |
使用了金鑰之後，我們的消息現在是安全的。如果有人偷聽我們的談話，他無法看到除位址之外的任何內容，每個資料包中都是240位元組的亂碼。同樣，如果攻擊者試圖傳輸他自己的消息，我們會立即知道，因為他傳輸的消息不會加密。
在Arduino上用AES加密非常簡單，所以我推薦使用該加密方法。這不僅僅是一個很好的程式設計實踐。您永遠不知道誰以及為什麼可能會偷聽您看似無辜的對話。
結論
現在，Arduino遠端無線通訊的短暫旅途就要結束了。如果您研發自己的LoRenz研發板並將其應用於一些很酷的Arduino專案，請告訴我！如果您有改進LoRenz研發板和LoRaLib程式館的想法，請在GitHub上與我分享。
我對研發板進行了測試，當頻寬為500kHz、擴展因數為12、編碼率為4/8時，在無障礙環境中我能夠實現超過500米的可靠傳輸；在茂密的森林中傳輸距離則超過200米。所有這一切都只是透過一根10cm天線實現的，而且射極器電源也只是廉價的9V電池而已（接收器從USB埠接電，最終透過Arduino板載穩壓器供電）。這個距離還可以更長（透過降低頻寬），但是這會導致傳送速率顯著降低，在上述設定不變的情況下傳送速率大約為1 kbps。
然而，對於我將來的專案內容，這些距離綽綽有餘。請在社群媒體上關注Device Plus，這樣您就不會錯過任何有趣的內容！
