无线通信模块的工作原理——ESP32、nRF52840、SX1262

无论传感器测量的数值多么精确，如果没有办法将数据传输到微控制器之外的网关或云端，这个数值就毫无意义。无线通信模块承担着这种“传输”的角色，三种典型的无线通信方案分别是 Wi-Fi、BLE（低功耗蓝牙）和 LoRa。这三种方案的基本原理都是将数据写入无线电波（电磁波）并在空间中传播，但它们的调制方式、频段和拓扑结构却大相径庭，从而形成了分工：“Wi-Fi——速度快但功耗高”、“BLE——功耗低但传输距离短”、“LoRa——速度慢但功耗低，传输距离可达数公里甚至数十公里”。毫不夸张地说，无线方案的选择，甚至比传感器本身的选择，更能决定物联网设备的整体功耗、通信范围和系统架构。

ESP32 开发板（集成 Wi-Fi/蓝牙的 SoC 示例）

MultiTech Conduit 网关（左）和 mDot 节点（位于开发板上，右）

图片：ESP32 开发板（Ubahnverleih，CC0）/ MultiTech Conduit 网关和 mDot 节点 （IOTpreneur，CC BY-SA 4.0，Wikimedia Commons。）

原理：OFDM — 利用正交子载波对抗多径效应（Wi-Fi）

Wi-Fi（IEEE 802.11）并非将所有数据都放在单个载波上，而是使用 OFDM（正交频分复用）技术。它将一个宽带分成多个相互正交的窄带子载波，每个子载波上分别承载一个低速数据流。由于每个子载波上的符号速率降低，单个符号的持续时间延长，从而相对降低了室内和城市地区常见的反射波（多径效应）造成的延迟扩展的影响。传统的 802.11a/g OFDM 在 20MHz 宽的信道内，以 312.5kHz 的子载波间隔放置 52 个子载波（48 个用于数据，4 个用于导频）。 “正交性”是关键：每个子载波的频谱都经过精心安排，使得在其他所有子载波的峰值处，其自身的值恰好为零。这样一来，频段就能紧密排列，提高频谱效率，同时避免符号间干扰。

图片：Timing OFDM接收中多径信号的时序图 (Gerben49 / Mliu92, CC BY-SA 4.0)，Wikimedia Commons。它展示了带有保护间隔的符号设计如何吸收由墙壁和家具反射产生的多条到达路径（多径）。

Wi-Fi的频段大致分为2.4GHz、5GHz和6GHz（Wi-Fi 6E及更高版本）。2.4GHz频段有利于绕过障碍物进行衍射和传输距离，但由于许多设备（例如蓝牙、微波炉、Zigbee等）共享同一频段，因此容易出现拥塞和干扰。5GHz和6GHz频段使用的设备相对较少，因此……无线信号更容易获得宽带宽，适合高吞吐量应用，但其较短的波长导致其穿墙穿透力较弱，传输距离也较短。如今已成为主流的 Wi-Fi 6 (802.11ax) 引入了 OFDMA（正交频分多址），这是 OFDM 的进一步演进，它允许将单个信道精细划分，并供多个站点同时使用——这种设计旨在即使在大量物联网设备同时连接的环境中也能降低延迟和吞吐量。

原理：BLE 的 GFSK 调制和星型拓扑

BLE（低功耗蓝牙）使用与 Wi-Fi 相同的 2.4GHz ISM 频段，但采用了完全不同的设计理念。它并非像 OFDM 那样采用多载波方案，而是采用 GFSK（高斯频移键控）调制，这是一种简单的单载波方案。GFSK 不是直接使用方波形式的数字 0/1 进行频率偏移，而是先通过高斯滤波器平滑波形，然后再进行频率偏移，从而抑制占用带宽的突然扩展。它伴随调制并减少对相邻信道的干扰。从 BLE 5 开始，这种 GFSK 基频支持可选模式，例如 LE 2M PHY，它保持每个符号一位，并将符号速率提高到 2 Msym/s；以及 LE Coded PHY (S=2/S=8)，它使用纠错编码和模式映射将信息比特扩展到多个符号，从而允许应用在速度和范围之间进行权衡。

在拓扑结构方面，BLE 本质上采用星型（一对多）配置。单个中心设备（智能手机或网关）与多个外围设备（传感器节点）保持连接，每个外围设备仅与中心设备直接通信。此外，BLE 的节能特性基于“占空比循环”设计。无线电模块并非保持持续接收状态，而是仅在预定的连接事件间隔（连接间隔）内短暂唤醒以交换数据，其余时间则处于休眠状态。这种占空比循环操作是节能的核心所在。 BLE传感器仅需一枚纽扣电池即可运行数年，这与Wi-Fi最大的设计理念差异在于，Wi-Fi假定网络连接持续不断。由于未找到合适的公开图表，本节的原理解释仅限于公式和文字。

原理：LoRa的啁啾扩频（CSS）和扩频因子

LoRa（远距离）采用的调制方案与Wi-Fi和BLE均不同：啁啾扩频（CSS）。其基本波形是“啁啾”信号——载波频率随时间在整个频带内线性扫描——数据编码方式是逐个符号地移动该啁啾信号的起始频率。在接收端，乘以一个频率变化方向与啁啾信号相反的参考信号（“下啁啾”），即使信号很弱，也能更容易地检测到峰值。这种机制赋予LoRa极高的接收灵敏度，即使在信噪比（SNR）非常低（信号强度低于接收端）的情况下也能进行解调。噪声）。

LoRa 的关键参数是扩频因子 (SF)，其范围从 SF7 到 SF12。SF 每增加一级，每个符号的啁啾扫描次数（有效符号长度）就会翻倍，从而延长发送相同数据所需的时间（空中传输时间），但接收灵敏度会提高约 2.5dB。换句话说，SF12 可以比 SF7 大幅扩展通信距离，但数据速率会显著下降，更长的传输时间也会增加功耗和空中传输时间占用。这种权衡——“提高扩频因子，通信距离更远，但速度更慢”——是 LoRa 网络设计的核心。

图片：Example CSS 调制中的子啁啾组合 (wdwd, CC图片来自 Wikimedia Commons，遵循 BY-SA 3.0 许可协议。它展示了通过组合啁啾波形来表示符号的原理，这些啁啾波形的频率随时间线性扫描。

LoRa 的物理层使用低于 GHz 的 ISM 频段（因地区而异——欧洲使用 868MHz 频段，北美使用 915MHz 频段，等等）。频率越低，无线电波的衍射和穿透特性越好，因此在相同的发射功率下，其传输距离比 2.4GHz 频段更远，并且能够穿透障碍物。作为交换，许多地区的法规对低于 GHz 频段的传输施加了占空比限制（例如，欧洲 868MHz 频段的某些信道将传输时间限制在 1% 以下），使其不适用于需要频繁发送数据的应用。在此物理层之上，“LoRaWAN”被标准化为 MAC 层规范，用于管理多个 LoRa 终端设备和网关之间的通信；区别在于，LoRa 指的是调制方案本身，而 LoRaWAN 指的是网络级协议。

主要产品规格对比

ESP32-C6 的突出之处在于它将 Wi-Fi、BLE 和 IEEE 802.15.4 (Zigbee/Thread) 三种无线标准集成到单个基于 RISC-V 的芯片上。根据应用场景的不同，它可以在三种配置之间切换：一种是通过 Wi-Fi 直接将数据发送到云端；一种是通过 BLE 与智能手机配对；还有一种是通过 802.15.4 加入 Zigbee/Thread 网状网络——这种灵活性是单功能芯片无法比拟的。nRF52840 作为一款专用于 BLE 的芯片，性能非常出色，其 -95dBm 的接收灵敏度和 16.4mA 的发射电流之间的平衡，体现了针对纽扣电池供电的可穿戴设备和信标的优化性能。相比之下，SX1262 的接收灵敏度高出一个数量级，达到 -148dBm，比 nRF52840 的 -95dBm 高出整整 53dB，这意味着它可以解调功率弱 20 万倍以上的信号。灵敏度的这一差距是造成两者传输距离差异的最主要原因：BLE 的传输距离为几米到几十米，而 LoRa 的传输距离为几公里到几十公里。CC2652R7 是一款多协议设计，它以类似软件定义无线电的方式切换协议，适用于智能家居中心等需要在单个设备上支持多种无线标准的设备。MultiTech mDot 长期以来一直被工业应用采用为 LoRaWAN 模块，它是少数几款公开实测视距传输距离可达 16 公里的产品之一。

历史：营销术语“Wi-Fi”及其背后隐藏的专利诉讼

事实上，“Wi-Fi”并非某个技术标准的缩写。它是一个营销术语，由品牌公司Interbrand于1999年创造，受WECA（无线以太网兼容联盟，后更名为Wi-Fi联盟）委托。WECA是负责认证符合IEEE 802.11标准的无线局域网设备互操作性的行业机构。该术语的创造是为了让人联想到“Hi-Fi（高保真）”，有时也被赋予了“Wireless Fidelity”（无线保真）的口号，但官方而言，它并非任何特定词语的缩写。这项技术——如果仅仅以枯燥的标准编号“IEEE 802.11b”出现，很可能永远不会被普通消费者所接受——在拥有一个简洁易懂的名称后迅速走红，这不仅展现了技术本身的力量，也体现了命名的力量。与此同时，Wi-Fi 的核心 OFDM 技术背后，隐藏着一段鲜为人知的专利纠纷史。澳大利亚国家研究机构 CSIRO（联邦科学与工业研究组织）于 1992 年申请了一项专利（美国专利号 5,487,069），该专利涉及一种用于校正多径失真的技术，该技术是在射电天文学研究过程中开发的。由于这项技术与 IEEE 802.11a/g/n 代 OFDM 实现中的关键元件存在重叠，CSIRO 从 2005 年开始，对多家主要的 Wi-Fi 设备制造商提起了一系列诉讼，要求支付许可费。最终，CSIRO 与许多制造商达成了和解协议和许可协议，据报道，CSIRO 从这项专利组合中获得了超过 4.2 亿美元的许可收入。一项源于射电天文学的专利，最终催生出如此巨额的收益，而这项技术如今已免费普及，融入人们的日常生活，这在Wi-Fi技术发展史上却鲜为人知。

实际案例：ZENNER的LoRaWAN智能电表网络——一个拥有1000万台设备的传感器网络

德国Minol-ZENNER集团运营的LoRaWAN网络，正是LoRaWAN网络规模化能力的绝佳例证。2025年9月，该公司宣布其LoRaWAN网络上连接的传感器数量（主要为水表、暖气表和燃气表）已超过1000万台。作为全球最大的LoRaWAN网络之一，它完美诠释了LoRa低功耗和远距离传输的优势：单个电表依靠电池供电，可以长时间运行，并以低频向网关发送读数。 LoRa联盟（负责管理LoRaWAN标准的行业组织）于2025年12月宣布，全球所有成员运营商部署的LoRaWAN终端设备总数已超过1.25亿台，并以每年25%的速度持续增长。ZENNER的1000万台设备规模即使在全球总数中也堪称惊人，远超其他主要运营商，例如Actility（460万台）、The Things Industries（380万台）、Birdz（360万台）和Netmore（340万台）。

如此大规模的网络背后，得益于其独特的设计特性：单个LoRaWAN网关即可支持数千台终端设备，且每台设备的占空比都很低（例如，智能电表每天最多只发送几次数据）。无线带宽限制也是机器人设计中一个常见的制约因素——例如，newbot 项目通过测量 Wi-Fi 带宽发现，“直接传输原始数据会耗尽带宽”——但 LoRaWAN 却实现了另一种可扩展性，即“同时支持大量设备”，其关键在于首先严格限制每个设备发送的数据量和频率。

孕育 LoRa 的法国小型创业公司及其突破单跳限制的研究

LoRa 的调制技术并非诞生于大型企业实验室。2009 年至 2010 年间，法国格勒诺布尔的一家小型创业公司 Cycleo 开发了一种用于低功耗、远距离无线通信的啁啾扩频技术。半导体制造商Semtech注意到这项技术，于2012年收购了Cycleo，并将LoRa技术融入其产品线，最终发展成为如今的LoRa芯片系列，包括SX126x/SX127x系列，并进一步发展成为LoRaWAN——目前由非营利组织LoRa联盟管理的开放规范。一家法国初创公司开发的调制方案，在短短十余年间，发展成为一个拥有超过1.25亿台设备的全球网络。

LoRaWAN的优势在于其高能效和远距离传输，但其本质上采用的是单跳配置，即终端设备直接与网关通信。这带来了一个固有的局限性：它难以覆盖网关无线信号无法直接到达的区域，例如山区、地下或建筑物阴影区。为了解决这一限制，一篇发表于 arXiv 的论文“基于 LoRaWAN 的物联网网络的网状网络增强”（arXiv:2512.00161，作者：Ram Ramanathan 等）于 2025 年 12 月提出，其名为“LIMA”的协议通过终端设备间的多跳网状路由扩展了有效通信范围，而无需对现有的 LoRaWAN 基础设施进行任何修改。仿真结果表明，与传统的单跳配置相比，LIMA 协议可将传输成功率提高 5 倍，并将功耗降低 12.6 倍——这表明，即使对于如今已扩展至 1000 万台设备的 LoRaWAN 部署而言，重新审视单跳方案本身的研究仍然活跃。

一个源自丹麦国王称号的名字——为什么叫“蓝牙”？

蓝牙低功耗（BLE）无线技术的起源可以追溯到1994年瑞典爱立信公司开展的一项研究。当时，爱立信工程师雅普·哈特森（Jaap Haartsen）与同事们在尼尔斯·吕德贝克（Nils Rydbeck）的指导下，开始研究一种低功耗、短距离的无线链路，用于连接移动电话及其外围设备——这便是蓝牙技术的起点。1996年，爱立信、英特尔和诺基亚开始讨论将这一短距离无线技术标准化。据说，在1997年底，当时也是英特尔工程师的吉姆·卡达赫（Jim Kardach）在多伦多一家酒吧的闲聊中，提出了“蓝牙”（Bluetooth）作为暂定名称。卡达赫从一位同事正在阅读的维京题材小说中了解到十世纪丹麦国王哈拉尔一世（Harald Blåtand，英文译为“Harald Bluetooth”）的事迹，并将这位国王统一丹麦和挪威的壮举比作通过无线技术“统一”当时分散的个人电脑和移动电话行业的愿景。最初，这只是一个暂定名称，直到市场部确定正式名称为止，但由于其悦耳动听，在公司内外都广为流传，最终被正式采纳为蓝牙的官方名称。如今仍在使用的蓝牙标志结合了新弗萨克字母中的“H”（ᚼ）和“B”（ᛒ）——这个标志正是由哈拉尔一世的首字母组成。北欧国王的称号至今仍以产品名称的形式沿用，并应用于单一调制方案，这一事实从另一个角度（而非 Wi-Fi 命名风波）表明，一项技术的名称并不一定能准确描述其本身。

影响性能的参数

• 传输距离和接收灵敏度：SX1262 的接收灵敏度为 -148dBm，比 nRF52840 的 -95dBm 高出 53dB，这正是传输距离差距的根本原因——“LoRa 的传输距离可达数公里甚至数十公里，而 BLE 的传输距离仅为数米甚至数十米。” 这也是二者分工的起点：LoRa 系列设备适用于户外广域监测，而 BLE 系列设备则适用于室内短距离可穿戴设备和信标。

• 数据速率与空中传输时间的权衡：LoRa 的 SF7-SF12 选择直接体现了传输距离与数据速率/功耗之间的权衡。由于 SF12 发送相同数据所需的空中传输时间远多于 SF7，因此像 ZENNER 的智能电表这类“每天发送少量数据几次”的应用更倾向于优先考虑传输距离的设计，即使这意味着需要提高 SF 值。而那些频繁交换数据的应用则应该首先考虑 Wi-Fi 或 BLE，而不是 LoRa。

• 发射功率和电流消耗：nRF52840 在 +8dBm 发射功率下消耗 16.40mA 电流；SX1262 在 +22dBm 发射功率下消耗的电流更大。对于目标是使用纽扣电池实现长达一年运行的BLE传感器而言，限制发射功率以降低电流的设计是基本方法。相反，在更容易控制功率的网关端，采用非对称设计（即投入高发射功率以降低接收端的电池消耗，即下行链路功率高，上行链路功率低）在LoRaWAN中也很常见。

• 频段选择：2.4GHz频段（Wi-Fi、BLE以及部分Zigbee/Thread）可在全球范围内使用，但容易出现拥塞；低于1GHz的频段（LoRa的868/915MHz）具有良好的绕障碍物衍射能力，适合远距离传输，但频率分配和占空比规定因地区而异。对于全球部署的产品而言，处理这种监管差异（模块的区域切换）会成为一项实际的设计负担。

• 拓扑结构和可扩展性：BLE 的星型拓扑结构对单个中心节点可处理的外围设备数量有上限，而 LoRaWAN 的设计使得单个网关可以容纳数千个终端设备——如果没有 LoRaWAN，像 ZENNER 的 1000 万台设备网络这样的大规模部署是不现实的。与此同时，正如LIMA论文所示，针对单跳限制的网状网络扩展研究也在不断推进，拓扑设计仍在不断发展。

• 是否需要多协议支持：将多种无线标准集成到单个芯片上的SoC（例如ESP32-C6或CC2652R7）在应用场景尚未确定或未来可能切换协议的产品中具有优势；而像SX1262或nRF52840这样专注于单一协议的芯片，在仅限于该协议方案时，则在功耗/灵敏度优化方面更具优势。选择多协议支持还是单功能专用，最终取决于您是优先考虑开发成本还是最终产品的功耗预算。

参考资料

• ESP32-C6 系列数据手册（乐鑫官方）

• nRF52840 产品规格书（北欧半导体官方）

• SX1261/2 LoRa Connect 数据手册（Semtech 官方）

• CC2652R7 数据手册（德州仪器官方）

• MultiConnect mDot 915MHz LoRa 模块（MultiTech 官方）

• Minol-ZENNER 集团 LoRaWAN 网络中的 1000 万个传感器（LoRa 联盟/ZENNER 新闻稿） )

• LoRa联盟报告称全球已部署1.25亿台LoRaWAN终端设备（LoRa联盟官方）

• 基于LoRaWAN的物联网网络的网状增强（arXiv:2512.00161）

• 蓝牙名称的由来，哈拉尔德一世和吉姆·卡达赫（蓝牙技术联盟官方历史）

• OFDM timing.svg（维基共享资源）

• Css subchirp combinations.svg（维基共享资源）

• ESP32 Espressif ESP-WROOM-32 开发板.jpg（维基共享资源）

• Multitech-Conduit-y-mDot.jpg（维基共享资源）

• 蓝牙 SIG：LE PHY 定义