1. 问题描述

客户调试STM32WLE5JB 样机的时候遇到这样一个问题：在调试LPUART，不打开外部时钟的时候，能够正常打印，若开启外部的HSE 和LSE 后就没有打印。

2. 问题确认

发现上述问题时，客户使用STM32CubeMX 生成的工程，所以首先建议客户检查LPUART 的时钟配置有没问题，并且让客户尝试使用STM32Cube_FW_WL_V1.2.0\Projects\NUCLEOWL55JC\Examples\UART\LPUART_WakeUpFromStop 例程对比验证。后来客户发现是开启外部时钟HSE 和LSE 后，程序直接卡死在HAL_RCC_OscConfig ,测量不到HSE 的32MHZ 信号。而客户的程序移植到ST 官方的STM32WL NUCLEO 板上可以正常运行。通过前面的验证很容易怀疑是不是客户样机外部HSE 32MHZ 的晶振没有起振。拿到客户的样机后，尝试更换32MHZ 晶振，调整晶振负载电容和使用TCXO，发现都没办法测量到32MHZ 信号，客户程序依旧卡死在HAL_RCC_OscConfig.

3. 问题分析

由于前面都是用客户的电脑和程序调试，客户的电脑上的Keil 版本不能单步调试。针对客户的问题，基于STM32WL AT slave 例程，运行在客户样机上发现现象一致，也是卡死在HAL_RCC_OscConfig 。但使用单步调试进入HAL_RCC_OscCongig 里面发现，卡死具体的原因不是HSE，而是LSE 初始化出了问题，一直在等待LES ready 的信号。具体代码如下：

针对上面的分析，把RTC时钟源更改为HSE_RTC，如下图一，图二, AT slave例程可以正常运行，32MHZ晶振可以起振，使用AT指令可以测量出RF有正常发射出信号。

图一

图二

同时，对于客户需要使用LPUART，可以按照图三的时钟配置验证：

图三

客户用他们手上样机同步验证，发现结果一致。确实不使用LSE后，样机可以正常工作，32MHZ晶振也可以正常起振。下一步就要分析导致LSE无法正常工作的原因。客户有按建议尝试更换32.768KHZ的晶振以及负载。并且调整LSEDRIVE为high 即__HAL_RCC_LSEDRIVE_CONFIG(RCC_LSEDRIVE_HIGH)，发现依然无法正常使用LSE。

4.问题解决

针对LSE无法起振问题，尝试了上面针对硬件和软件多种方法后依然没有解决。后来仔细检查客户原理图发现，客户在32.768KHZ晶振上添加了1M的反馈电阻，如图四R34

图四

而在STM32WL 规格书 DS13105 Multiprotocol LPWAN 32-bit Arm Cortex-M4 MCUs, LoRa, (G)FSK, (G)MSK, BPSK, up to 256KB Flash, 64KB SRAM (version 8)中明确表示禁止在32.768KHz 晶振的OSC32_IN 和OSC32_OUT引脚中间添加反馈电阻。如下图五：

图五

后面按规格书要求，去掉客户样机上的R34 1M电阻，32.768KHz 晶振就可以正常起振，程序不会再卡死在LSE初始化。问题得到解决。

另外，根据AN2867 关于STM32MCU晶振的参考设计要求，从客户晶振规格书查到下面参数：

ESR=90K 欧姆

CL = 12.5pF

C0 = 1.3pF

计算得到跨导：gmcrit=2.9032uA/V

可以看到跨导大于STM32WLE5JBI6规格书中LSE最大驱动能力2.7uA/V，如图六示：显然增益裕量不符合起振条件即Gainmargin>5

图六

所以最后也建议客户后续更换符合STM32WL规格书要求的32.768KHZ 晶振。具体晶振选型可以参考AN2867。

5.小结

本篇笔记分析了客户使用外部时钟调试STM32WL LPUART无法正常工作的问题。最后分析出问题是由LSE的32.768KHZ晶振没有正常起振引起。而32.768KHZ晶振无法正常起振则是因为客户在32.768KHZ晶振上添加了1M的反馈电阻。虽然在AN2867里有对STM32晶振使用反馈电阻的建议，但需要注意的是针对STM32WL这颗芯片，其规格书中有明确要求禁止在32.768KHz 晶振的OSC32_IN 和OSC32_OUT引脚中间添加反馈电阻。后面将客户样机上的1M的反馈电阻去掉后，样机的32.768KHz 晶振可以正常起振，程序运行正常。虽然最后客户样机使用晶振可以正常起振，但根据AN2867，客户晶振的增益裕量是不符合起振条件的。所以为了避免后续产品量产时出现低速晶振无法起振问题，建议客户参考AN2867选择合适的32.768KHz 晶振。

【引言】全球各国各地区对预防森林火灾高度重视，并建立有相应的管理体系和预防机制。如何在早期探测到森林火灾的可能性，是预防森林火灾的关键。来自欧洲的Dryad公司研发了一套高效的森林火灾预防探测解决方案。
该系统的核心是被称作Silvanet的节点和网关，这是一个采用太阳能面板供电、由STM32WL驱动并控制的气体探测系统，可以在野外环境中实现LoRa连接和组网；凭借LoRa长距离、低功耗的无线传输特性，在没有任何运营商基础设施的情况下，可以在偏僻的野外地区组网，并在户外持续工作10到15年。该系统可在几分钟内检测到阴燃，是快速、灵敏、高效的森林火灾检测预防系统。

为什么预防森林火灾，早期检测是关键？其复杂性在哪里？

野外火灾造成的经济损失不断攀升

据美国国家航空航天局（NASA）的地球观测站发布的热浪和火灾的卫星图像，2022年夏季，欧洲、非洲和亚洲的森林火灾及山火记录极为严重。此外，根据世界资源研究所（World Resources Institute）的分析推算，近年发生的森林大火，过火面积几乎是2001年的两倍；2021年的野外火灾造成了全球930万公顷的损失（土地面积大约相当于匈牙利）。最糟糕的是，气候变化引发的干旱和创纪录的热浪将在未来几年继续加剧事态。

▲ 美国怀俄明州黄石国家公园森林火灾

野外火灾造成的巨大影响是一个难以量化的问题。根据2017年国家标准与技术研究所研究表明，仅美国，野外火灾带来的每年经济损失就可能超过3000亿美元。如果考虑间接损失，由农业用地损失造成的粮食短缺或未来十年吸入烟雾对健康的长期影响都应计算在内，远远超出3000亿美元。据路透社报道，据知名信贷机构穆迪估计，如果形势恶化，野外火灾可能会破坏整个国家（希腊）的经济，形势极为严峻。

目前早期检测系统的缺点

早期探测是预防野外火灾的最关键措施之一。然而，当前的解决方案不够精确、时效性差。目前用于探测火灾的方法有：瞭望塔、卫星监测系统、甚至野外相机拍摄等。瞭望塔已经存在了一个多世纪，但它们必须有人值守，只有在烟雾弥漫的情况下才能被发现，但这时火灾通常已经在一定程度上蔓延开来；卫星系统自动监测也只能检测到已经蔓延的火灾；还有人尝试使用野外相机的方法进行早期检测，但在自然环境中实现长时间供电是一个巨大的难题，而野外相机的影像也只能在火灾发生后一到三个小时，才能探测到火灾。

Silvanet提供了一种全新的解决方案，解决了功耗和早期检测难题

功耗挑战

Dryad的联合创始人之一Carsten Brinkschulte解释说，在野外环境中，供电是要解决的最关键的技术挑战。事实上，在实际应用中，使用太阳能电池板具有挑战性，因为树木的树冠覆盖和枝叶遮荫会阻挡大部分阳光。因此，来自密芝根大学的研发人员试图从摆动的树枝中获取动能为探测传感器提供电能，以实现自供电火灾报警系统。Dryad独辟蹊径，采取了不同的方法：设计一个可以在这些恶劣条件下运行的自供电系统。正如Carsten所述，Silvanet的最终设计，只能使用STM32WL才能达成。

▲ Silvanet 气体传感器

通过集成MCU和无线射频发射器，STM32WL极大降低了PCB上的组件数量，并优化了整体效率。设计开发中，MCU和接收器的高速时钟可以同一个晶体振荡器。STM32WL的LDO和SMPS允许某些操作在唤醒时运行得更快，从而更快地执行任务、节省更多能源。STM32WL还具备适合资源有限场景的低功耗模式。STM32WL的产品性能优势，为Silvanet系统在森林中使用太阳能提供了可能，而这款集成自供电森林火灾探测系统的高效、准确、可靠运行，将为降低森林火灾风险提供新的解决方案。

计算挑战

野外火灾探测机制面临的另一个挑战是可扩展性。并不是所有的火灾看起来都一样，尤其是在阴燃阶段，也并不是每一场火灾都会呈现同样的路径，譬如松树释放的烟雾与桉树不同，Silvanet依靠气体传感器可以辨别其中的不同。Dryad公司在开发过程中，就提出要建立一个可以适应不同森林的机器学习应用程序，并通过一个性能强劲的微控制器来控制它。这也是Silvanet传感器使用STM32WL的另一个原因。STM32WL最多可容纳256 KB的闪存，主频最高可达48 MHz。由于这些硬件性能优势，该设备可以处理来自传感器的数据并在本地运行机器学习算法。

▲ Silvanet 网关

通信挑战

如何实现森林火灾的探测是预防机制中的一方面，另一方面还要考虑如何将预警信息发送到进行监控的云系统中。而森林覆盖率高的地区难以获得基础通信设施的支持。因此，Silvanet不能依赖NB-IoT等蜂窝网络或需要Sigfox等运营商的技术。Dryad选择了LoRaWAN，因为它可以在偏僻的野外地区组网并工作。事实上，Silvanet使用在STM32U5上运行的自定义网关。一个是LoRa网格网关，它将LoRaWAN网络扩展到森林深处。另一个是边界网关，它使用具有2G/GPRS回退功能的4G/LTE调制解调器提供回程。此外，Silvanet甚至可以通过使用SpaceX公司的 Swarm技术建立卫星连接。

▲Silvanet LoRa 组网

一个野外火灾传感器节点通常覆盖一公顷森林，可以根据需要使用网格网关扩展网络，同时使用具有连接功能的边界网关向云监控系统发送消息。传感器的防护等级为IP67，可抵御风暴，支持-40ºC至+85ºC的温度范围。Silvanet传感器和网关采用坚固的塑料外壳，没有端口或连接器，确保能够达到这一防护等级。作为一项关键需求，Dryad可通过远程无线更新固件，并采用ST的库来实现。因而，产品可以接收修补程序来修复错误或更新机器学习应用程序以改进火灾检测。

未来的挑战

建立这样一套高集成度、自供电、高效敏捷的森林火灾探测系统，需要政府、行业及其他方面的认可。气体传感器、网格网关、边境网关等都需要投入费用，当系统要覆盖数十万公顷土地时，投资不菲。但与森林火灾造成的直接和间接损失相比，这笔投入就显得微不足道。STM32WL带来的技术优化，让LoRa设备的网格可以在森林中运行15年。Dryad公司Silvanet系统已逐步在德国、西班牙、希腊、葡萄牙、土耳其、美国和韩国等地建立实施，2023年产能有望达到23万台。

本篇LAT 介绍使用CubeMX 创建基于STM32WL 的LoRa 应用。STM32Cube_FW_WL_V1.0.0\Projects\NUCLEO-WL55JC 中的例程都是基于STM32WL BGA73 的，CubeMX 无法直接创建基于STM32WL QFN48 的例程。 同时介绍如何参考STM32Cube_FW_WL_V1.0.0\Projects\NUCLEOWL55JC\ Applications\LoRaWAN\LoRaWAN_AT_Slave 创建一个WLEx_AT_Slave 的例子

信息科技正开始向物联网转变，为社会数字化带来重大变革。智慧城市，智慧交通以及新能源和可再生能源计划实施，加速了物联网的工业部署；而智能家居和智能办公室推动了物联网在消费市场的快速发展。随着物联网的广泛应用，无线连接的重要性也日益增加。

无线连接是指采用无线通讯技术建立设备之间的物理连接，常见的无线通讯技术有蓝牙、Wi-Fi、NFC、ZigBee、Z-Wave、NB-IoT、LoRa、2/3/4/5G、GPS、LTE Cat-M1等等。而在物联网应用中，低功耗，高稳定，高安全和易连接等性能要求尤为重要。这与ST的产品规划相一致。

ST致力于为客户提供他们需要的安全可靠的无线连接产品和解决方案，以帮助应对他们的机遇和挑战。无线微控制器是 STM32 产品系列的一部分，其中包括BLE 5.2 和 IEEE 802.15.4 通信协议以及支持 LoRa® 的片上系统等无线物联网连接技术。我们将通过一系列的STM32W相关技术介绍文章，和大家分享ST无线连接相关解决方案。

前言

STM32WL是市场上首款可以连接LoRa低功耗广域网的系统级芯片，它继承了STM32MCU超低功耗特性，支持多种Sub-GHz调制方案。LoRa作为市场上流行的长距离物联网无线连接技术，它的应用场景一般是以标准LoRaWAN网络组网或者私有LoRa网络组网的形式呈现。STM32WL在LoRa网络应用中大多是扮演终端节点的角色。比如在LoRaWAN网络中，运行LoRaWAN协议的STM32WL终端节点可以连接专门的LoRaWAN网关进行通信。

本文将介绍私有LoRa网络中STM32WL扮演的一个新角色，即私有LoRa网关。内容涉及STM32WL基于LoRa调制技术的私有网络设计原理，介绍STM32WL如何采用时分和频分的方式搭建私有网络以实现私有LoRa网关与LoRa 传感器节点的连接以及数据传输。最后会介绍如何演示STM32CubeMonitor软件监控基于STM32WL实现的私有LoRa网络。

一、私有LoRa网络设计原理

市场上LoRa应用常见的网络架构有LoRaWAN网络和私有网络。LoRaWAN是LoRa联盟全球推广的统一协议。私有LoRa网络则是客户自己基于LoRa调制技术设计。

常见的私有LoRa网络结构有以下几种：

• 点对点网络

• 星状网络

• Mesh网络

点对点网络

点对点（Point to point）通信网络是一种最简单的网络结构，在STM32WL的应用中称为PingPong模式，它是基于LoRa调制技术实现类似一主一从数据通信，是半双工通信的方式。客户可以使用点对点的通信，测试两块STM32WL板的通信距里。

星状网络

星状网络结构一般是以众多节点，连接到一个网关的形式呈现，如下图：

标准的LoRaWAN网络和大多私有LoRa网络都采用这种星状网络组网。STM32WL 私有LoRa网络例程也是采用这种网络结构。对比LoRaWAN网络需要采用专门的多通道LoRa网关芯片，私有LoRa网络则可以采用STM32WL 这种低成本，灵活的私有网关方案进行小型LoRa组网。使用STM32WL这类本身做终端节点的芯片做私有LoRa网关，它同时只能采用一个信道进行通信，也即是会采用固定的频率，扩频因子（SF）,带宽（BW）等调制参数组合。在这种情况下，为解决私有LoRa网络需要和众多节点进行上下行通信，一般使用以下几种工作模式。

• 普通模式

• 定时问询模式

• 信道升级模式

• 同步/异步下行主动模式

普通模式

在普通工作模式下，网关和节点都采用相同的芯片（比如STM32WL），工作时都使用相同的频率，扩频因子（SF）,带宽（BW）参数。网关会一直打开接收通道，等待节点的上传数据。

定时问询模式

定时问询模式，所有节点和网关跟普通模式类似，都采用相同的频率，扩频因子（SF）,带宽（BW）参数。但它在网络建立时，网关会给每个节点分配一个序号以及当前的系统标准时间（确保节点时间和网关相同）。定时问询模式下，网关根据其时间表，在对应的时间与每一个节点进行通信。

信道升级模式

为了解决信道容量和易受干扰问题，可以采用增加网关信道的方法，这就是信道升级模式。这种模式下可以使用多个LoRa节点，比如多个STM32WL组成一个网关。网关里的每个STM32WL工作在不同的频点。

同步/异步下行主动模式

同步/异步下行主动模式是为了解决网关下行控制的实时性问题。

同步下行主动模式利用定时询问模式中的下行控制特点，要求每个节点隔一段周期时间打开接收窗口，且所有节点的接收窗口时间相同。比如每隔1s唤醒，周期性打开接收窗口。当网关需要发送下行控制命令时，只要在节点时间窗口内下发指令，节点就能收到。

异步下行主动模式，通过超长的异步下行前导码唤醒所有网络中的节点，节点唤醒后，打开接收窗口，网关发送下行控制命令给节点。

下图为异步下行主动模式通信示意图

同步/异步下行主动模式，因为所有节点都需要周期唤醒，对比定时问询模式的唤醒方式，功耗会有增加，但相应的提高了网关下行控制的实时性。

Mesh网络

Mesh网络即“无线网格网络”，是多跳（multi-hop）网络,具有多跳互联和网状拓扑特性。常见的Mesh网络有BLE Mesh以及Zigbee Mesh网络。在一些同时需求远距离，高速率的LoRa的应用中也会使用到Mesh技术。

二、STM32WL私有LoRa网络例程

STM32Cube_FW_WL软件开发包提供的私有LoRa网络例程叫“LocalNetwork”，里面包含了STM32WL网关“LocalNetwork_Concentrator”和节点“LocalNetwork_Sensor”两个工程。开发包可以直接从ST官网STM32CubeWL下载。这个私有LoRa网络是基于一个STM32WL的网关，以及高达14个STM32WL节点组成。下面会分别对其工作原理和演示做介绍。

STM32WL私有LoRa网络例程的工作原理

在STM32WL私有LoRa网络中，STM32WL网关（Concentrator）上电后处于待机状态，直到收到来自于PC端通过串口传输过来的AT指令，设置工作频率并开始Beacon广播。这里的工作频率可以通过AT指令配置为欧盟、美国、中国等区域的工作频率。而节点（Sensor）,复位后会一直处于扫描模式（Scan）。它会以支持的所有的频段来扫描网关的Beacon广播， 直到找到一个有效的Beacon。当它找到了有效的Beacon，会继续侦听后续的同步(Sync)数据包，以了解网关工作的哪些时隙是空闲的。节点会选择其中一个空闲的时隙来响应网关的控制信息，并通过这个时隙传输后续节点采集的传感器数据。从上面我们可以看到网关一直在广播两种数据包，一种数据包叫Beacon ，它里面包含前导码（Preamble），子区域编号(subregion number)，频率种子（frequency seed）。另一种数据包叫同步（Sync），它包含标准的前导码（Preamble）以及一些用来管理私有网络的数据。

STM32WL私有LoRa网络例程通信用到了类似定时问询模式的“时分”，和信道升级模式的“频分”（只是它在一个STM32WL上配合时分来实现）。下面我们来看STM32WL私有LoRa网络例程的演示部分。

STM32WL私有LoRa网络例程演示

演示环境搭建

软件

1.从ST官网下载STM32Cube_FW_WL_V1.1.0软件开发包链接：STM32CubeWL

2. 其它软件工具：

编译器：IAR 8.50.9，

串口工具：Tera Term ,

烧录工具：STM32CubeProgrammer

监控工具：STM32CubeMonitor

硬件

4块NUCLEO-WL55JC 开发板
链接： NUCLEO-WL55JC

4 根Micro USB线

软件烧录

四块STM32WL NUCLEO-WL55JC板，选其中一块作为LoRa私有网关，烧写从ST官网下载STM32Cube_FW_WL_V1.1.0软件开发包里的LocalNetwork_Concentrator 工程软件。其余3块烧写LocalNetwork Sensor工程软件作为节点。这里可以直接使用IAR编译器烧录也可以通过STM32CubeProgrammer烧写.bin文件。

使用STM32CubeMonitor监控私有网络

1．4块STM32WL NUCLEO-WL55JC板工作示意图和实物连接图如下：

2．如上图示，当4块STM32WL NUCLEO-WL55JC板上电后，其中一块私有网关(Concentrator)会周期性发出Beacon 和同步信号。而其余三个节点(Sensor)会启动扫描Scan，捕捉合适的Beacon信号进行连接，连接成功后，根据分配的时隙进行数据通信，上传传感器数据到网关(Concentrator)。

3．当4块STM32WL NUCLEO-WL55JC板上电后，将网关(Concentrator)的板子通过ST Link电脑，可以使用STM32CubeMonitor工具，通过AT指令对网关进行控制管理。如下图，就是在以图形界面的方式显示三个节点(Sensor)上传的传感器数据。

三、总结

本文介绍了私有LoRa网络设计原理，内容包括LoRa网络的常见拓扑结构：点对点网络，星状网络和Mesh网络。其中重点介绍了常用的星状网络拓扑的四种工作模式：普通模式，定时问询模式，信道升级模式，同步/异步下行主动模式。而ST提供的STM32WL私有LoRa网络例程中，其在时隙和跳频上的应用则类似定时问询模式和信道升级模式中运行的机制。接着我们介绍了ST提供的STM32WL私有LoRa网络例程实现的原理，以及如何演示STM32CubeMonitor软件监控STM32WL私有LoRa网络的数据通信。

本文目的在于帮助大家了解私有LoRa网络工作原理，并知道如何使用STM32WL来实现小型私有LoRa网络的设计。

本篇笔记解释了为什么客户的STM32WL Sigfox设备没办法通过Chip certificate 按AN5480描述的方法获取Sigfox 证书。