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基于 Arduino 的户外 LoRa-GPS 跟踪器（原理图+PCB+代码）

来源：电路城

2021-11-16

类别：通信与网络

拍明

原标题：基于 Arduino 的户外 LoRa-GPS 跟踪器（原理图+PCB+代码）

基于Arduino的户外LoRa-GPS跟踪器：从原理到实践的深度解析

在当今物联网（IoT）蓬勃发展的时代，远程数据传输和位置跟踪技术变得越来越重要。无论是资产追踪、野外探险、环境监测还是宠物定位，一个可靠、低功耗、长距离的跟踪解决方案都具有巨大的应用潜力。本文将深入探讨如何设计和构建一个基于 Arduino 的户外 LoRa-GPS 跟踪器，详细阐述其核心元器件的选择、功能、原理图设计考量、PCB 布局优化以及固件编程细节，旨在为您提供一个从理论到实践的全面指南。

项目概述与核心技术

户外 LoRa-GPS 跟踪器旨在实现设备在广阔区域内的位置信息采集与远距离传输。其核心在于结合了全球定位系统（GPS）模块用于精确获取地理坐标，以及 LoRa（Long Range）无线技术用于低功耗、长距离的数据通信。Arduino 平台作为其主控制器，以其易用性、丰富的库支持和活跃的社区，成为快速原型开发和实际部署的理想选择。该跟踪器将能够周期性地获取当前位置，并通过 LoRa 网络发送至接收端（如 LoRaWAN 网关或另一个 LoRa 节点），从而实现远程监控。

核心元器件选择与深度解析

构建一个稳定可靠的 LoRa-GPS 跟踪器，关键在于选择合适的元器件。以下将详细介绍各项核心元器件的选择理由、功能及其在系统中的作用。

1. 微控制器单元 (MCU) - Arduino 兼容开发板

推荐型号： ESP32-WROOM-32 开发板（集成ESP32芯片）

选择理由： 虽然用户提及基于 Arduino，但考虑到户外跟踪器对低功耗、无线连接（LoRa和可能的Wi-Fi/蓝牙用于配置）、处理能力和内存的需求，ESP32 芯片集成的开发板是比传统 Arduino Uno 或 Mega 更优的选择。ESP32 是一款功能强大的双核 32 位微控制器，内置 Wi-Fi 和蓝牙，拥有丰富的 GPIO 端口、ADC、DAC、SPI、I2C、UART 等接口，并且支持 FreeRTOS 实时操作系统，能够轻松处理 GPS 数据解析和 LoRa 模块通信等并发任务。其低功耗模式（如深度睡眠）对于延长电池寿命至关重要。虽然它不是传统的 Arduino 板，但其开发环境与 Arduino IDE 完全兼容，可以使用 Arduino 框架进行编程，满足了“基于 Arduino”的精神。

功能与作用：

数据处理核心： 作为整个跟踪器的大脑，负责协调所有外设的工作。
GPS 数据解析： 通过 UART 接口与 GPS 模块通信，解析 NMEA 协议数据，提取经纬度、海拔、时间等信息。
LoRa 数据封装与传输： 将解析后的 GPS 数据或其他传感器数据封装成 LoRa 协议包，并通过 SPI 接口控制 LoRa 模块进行无线传输。
电源管理： 控制各个模块的供电，并在不需要时将其置于低功耗模式或完全关闭，以最大限度地延长电池寿命。
用户交互与调试： 可能通过串口或板载 LED 提供状态指示，方便调试。
固件存储与执行： 存储并运行跟踪器的控制逻辑代码。

2. LoRa 无线通信模块

推荐型号： Semtech SX1276/SX1278 模块（如基于此芯片的 Ra-02 或 RFM95W 模块）

选择理由： LoRa 技术以其超长距离、低功耗和高抗干扰性成为户外物联网应用的理想选择。Semtech 的 SX127x 系列芯片是 LoRa 技术的基石，广泛应用于各种 LoRa 模块中。选择成熟的模块（如 Ra-02 或 RFM95W）可以简化硬件设计，因为它们通常已经集成了射频前端、晶振和匹配电路。这些模块支持多种频率（如 433MHz、868MHz、915MHz，根据地区法规选择），并提供 SPI 接口与微控制器通信，易于集成。

功能与作用：

远距离无线通信： 实现跟踪器与远端接收设备（如 LoRaWAN 网关或另一个 LoRa 节点）之间的数据传输，传输距离可达数公里甚至数十公里。
低功耗传输： LoRa 调制方式本身具有低功耗特性，配合模块的低功耗模式，有助于延长电池寿命。
数据包发送： 接收来自 ESP32 的数据（如 GPS 坐标），将其调制成 LoRa 信号并通过天线发送出去。
频率选择与配置： 根据地区法规和应用需求，配置工作频率、扩频因子（SF）、带宽（BW）和编码率（CR）等参数，以优化传输性能。

3. GPS 定位模块

推荐型号： U-blox NEO-6M 或 NEO-M8N 模块

选择理由： U-blox 是全球领先的定位技术供应商，其 NEO 系列 GPS 模块以高精度、快速定位、低功耗和良好的性价比而闻名。NEO-6M 是一款经典的入门级 GPS 模块，性能稳定，价格亲民。如果对定位精度和多星座支持有更高要求，NEO-M8N 则是一个更好的选择，它支持 GPS、GLONASS、BeiDou 等多种卫星系统，定位速度更快，精度更高。这些模块通常通过 UART（串口）与微控制器通信，输出标准的 NMEA 0183 协议数据，易于解析。

功能与作用：

卫星信号接收： 接收来自全球定位系统卫星的信号。
位置信息解算： 基于接收到的卫星信号，解算出当前的经度、纬度、海拔、速度、时间等地理信息。
NMEA 数据输出： 将解算出的位置信息以 NMEA 0183 协议格式通过 UART 接口输出给 ESP32。
热启动/冷启动： 支持快速热启动（有历史位置信息时），缩短定位时间。
低功耗模式： 部分模块支持周期性唤醒定位，以降低整体功耗。

4. 电源管理单元

户外跟踪器通常由电池供电，因此高效的电源管理至关重要。

4.1 锂电池

推荐型号： 3.7V 18650 锂离子电池（2000mAh - 3400mAh）

选择理由： 18650 锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、自放电率低等优点，是便携式电子设备的常用电源。其标准电压为 3.7V，与大多数低功耗电子元件兼容。选择合适的容量（mAh）取决于期望的续航时间。

功能与作用：

供电： 为整个跟踪器系统提供电能。
能量存储： 储存电能，确保设备在没有外部电源的情况下长时间运行。

4.2 升压/降压模块 (DC-DC Converter)

推荐型号：

升压模块： MT3608 模块（输入 2V-24V，输出 5V-28V，电流可达 2A）
降压模块： AMS1117-3.3V 线性稳压器（用于 3.3V 供电）或 MP1584EN 降压模块（输入 4.5V-28V，输出 0.8V-20V，电流可达 3A）

选择理由：

MT3608： 如果使用 3.7V 锂电池直接供电，而某些模块（如 ESP32 或 GPS 模块）需要 5V 才能稳定工作或充电管理芯片需要 5V 输入，则需要升压模块。MT3608 是一款高效的升压转换器，体积小巧，输出电流能力强。
AMS1117-3.3V / MP1584EN： ESP32 和 LoRa 模块通常工作在 3.3V。如果主电源（如升压后的 5V 或直接的 3.7V 电池）电压高于 3.3V，则需要降压模块。AMS1117 线性稳压器简单易用，但效率较低，适用于电流需求不大的情况。MP1584EN 是一款高效的开关降压转换器，适用于对效率有更高要求的场景，能够提供更稳定的 3.3V 供电。

功能与作用：

电压转换： 将电池提供的电压转换为各模块所需的稳定工作电压（如 3.3V 或 5V）。
稳压： 确保在电池电压波动时，为敏感的电子元件提供稳定的电源，防止因电压不稳导致的功能异常。
效率优化： 开关型 DC-DC 转换器（如 MT3608 和 MP1584EN）具有高转换效率，能最大限度地减少能量损耗，从而延长电池续航时间。

4.3 锂电池充电管理模块

推荐型号： TP4056 模块

选择理由： TP4056 是一款成熟、廉价且功能完善的单节锂电池充电管理芯片。它集成了充电管理、过放保护、过流保护和短路保护等功能，能够安全有效地为 3.7V 锂电池充电。模块通常带有 Micro USB 接口，方便使用手机充电器进行充电。

功能与作用：

锂电池充电： 提供恒流/恒压充电模式，确保锂电池安全高效充电。
充电状态指示： 通常通过 LED 指示充电状态（充电中/充电完成）。
电池保护： 集成过充、过放、过流和短路保护，防止电池损坏或发生危险。

5. 天线

5.1 LoRa 天线

推荐型号： 433MHz/868MHz/915MHz 螺旋弹簧天线或外置 SMA 接口棒状天线

选择理由： LoRa 通信的性能很大程度上取决于天线。螺旋弹簧天线体积小巧，可以直接焊接到 PCB 上，适合紧凑型设计。外置 SMA 接口棒状天线通常增益更高，性能更好，但需要额外的 SMA 连接器和更大的空间。选择哪种取决于对尺寸和性能的权衡。天线的工作频率必须与 LoRa 模块的频率相匹配。

功能与作用：

信号辐射与接收： 将 LoRa 模块发出的射频信号转换为电磁波辐射出去，并将接收到的电磁波转换为射频信号送回模块。
阻抗匹配： 确保天线与 LoRa 模块的射频输出阻抗（通常为 50 欧姆）匹配，以最大限度地传输功率，减少信号反射损耗。

5.2 GPS 天线

推荐型号： 有源陶瓷 GPS 天线（带 IPEX 或 SMA 接口）

选择理由： 有源 GPS 天线内置低噪声放大器（LNA），能够放大微弱的卫星信号，提高 GPS 模块的定位性能和灵敏度，尤其是在信号较弱的环境下。陶瓷天线体积小巧，适合集成。IPEX 接口适合内部连接，SMA 接口适合外置天线。

功能与作用：

卫星信号接收： 接收来自 GPS 卫星的 L1 频段信号。
信号放大（有源天线）： 放大接收到的微弱卫星信号，提高信噪比，改善定位精度和速度。

6. 其他辅助元器件

6.1 杜邦线/连接器

推荐型号： 2.54mm 间距杜邦线、排针、排母、JST 连接器

选择理由： 用于模块与模块之间、模块与 PCB 之间的连接，方便调试和组装。JST 连接器常用于电池连接，具有防反插和更可靠的连接。

功能与作用：

电气连接： 建立各元器件之间的电气通路。
模块化： 方便各模块的插拔和更换，便于维护和升级。

6.2 按钮

推荐型号： 6x6mm 轻触开关

选择理由： 可用于唤醒设备、模式切换或复位等功能。

功能与作用：

用户输入： 提供简单的用户交互界面。
功能控制： 触发特定的程序功能，如进入深度睡眠、发送测试数据等。

6.3 LED 指示灯

推荐型号： 3mm 或 5mm LED（红、绿、蓝）

选择理由： 用于指示设备状态，如电源开启、GPS 定位成功、LoRa 数据发送等。

功能与作用：

状态指示： 提供直观的设备运行状态反馈。
调试辅助： 在开发和测试阶段，通过 LED 闪烁模式帮助判断程序执行流程。

6.4 电阻、电容

推荐型号： 各类贴片或直插电阻、陶瓷电容、电解电容

选择理由： 电阻用于限流、分压、上拉/下拉等；电容用于电源滤波、信号耦合/去耦、储能等。这些是电路设计中最基本的无源元件，根据具体电路需求选择合适的阻值、容值和封装。

功能与作用：

电阻： 控制电流、分压、提供偏置。
电容： 滤除电源噪声、稳定电源、存储电荷、信号耦合。

6.5 结构件与外壳

推荐型号： ABS 或聚碳酸酯防水外壳（IP67 或更高等级）

选择理由： 户外跟踪器必须具备良好的防水、防尘、防震能力，以应对恶劣的户外环境。选择合适的防护等级（如 IP67 表示防尘且可浸入 1 米深的水中 30 分钟而不受影响）的外壳至关重要。

功能与作用：

物理保护： 保护内部电子元件免受水、灰尘、冲击、紫外线和极端温度的影响。
环境适应性： 确保设备在户外环境中长期稳定运行。
美观与集成： 提供一个专业的、集成的外观，并方便安装天线和电池。

原理图设计考量

原理图是硬件设计的蓝图，它定义了所有元器件之间的电气连接。以下是设计 LoRa-GPS 跟踪器原理图时需要重点考虑的几个方面：

1. 微控制器与外设连接

ESP32 与 LoRa 模块 (SX127x)： 通常通过 SPI 接口连接。确保正确连接 SPI 的 MOSI、MISO、SCK、CS（片选）引脚。此外，还需要连接 LoRa 模块的 RST（复位）引脚和 DIOx（中断）引脚，用于接收模块状态变化（如数据发送完成、接收到数据）的中断信号，这对于低功耗操作至关重要。
ESP32 与 GPS 模块 (NEO-6M/M8N)： 通常通过 UART 接口连接。连接 ESP32 的 RXD 到 GPS 模块的 TXD，ESP32 的 TXD 到 GPS 模块的 RXD。注意电压电平匹配，如果 ESP32 是 3.3V，GPS 模块是 5V，可能需要电平转换器（但大多数 GPS 模块兼容 3.3V 逻辑）。
电源引脚： 所有模块都需要正确的 VCC 和 GND 连接。确保电源线足够粗，以承载所需电流。

2. 电源管理电路

电池输入： 锂电池通过 TP4056 充电模块连接。TP4056 的输出（BAT+ 和 BAT-）连接到整个电路的电源输入端。
DC-DC 转换器： 根据需要，将 TP4056 的输出（或直接电池）连接到升压或降压模块的输入端。升压模块的输出通常为 5V，用于给 ESP32 供电（如果 ESP32 板需要 5V 输入）或作为其他 5V 模块的电源。降压模块（如 AMS1117-3.3V 或 MP1584EN）的输入可以是 5V 或电池电压，输出稳定在 3.3V，用于给 ESP32 芯片本身、LoRa 模块和 GPS 模块供电。
电源滤波： 在每个电源输入端（特别是微控制器和射频模块的电源引脚）放置足够的去耦电容（如 0.1uF 陶瓷电容和 10uF/100uF 电解电容），以滤除电源噪声，确保供电稳定。

3. 天线连接

LoRa 天线： LoRa 模块的 RF 输出引脚应通过 50 欧姆阻抗匹配网络（通常由电感和电容组成，模块内部已集成）连接到天线接口（如 IPEX 或 SMA）。确保 RF 走线尽可能短且直，避免锐角弯折。
GPS 天线： 有源 GPS 天线需要 3.3V 或 5V 供电。通常 GPS 模块会提供一个 VCC_ANT 引脚用于此目的。天线信号通过同轴电缆连接到 GPS 模块的 RF 输入引脚。

4. 低功耗设计

模块控制： 在原理图中预留控制引脚，允许 ESP32 独立控制 LoRa 模块和 GPS 模块的电源（通过 MOSFET 或专门的电源管理 IC），在不需要时完全切断其供电，而不是仅仅进入低功耗模式。这能最大限度地降低整体功耗。
上拉/下拉电阻： 确保所有未使用的 GPIO 引脚或需要特定状态的引脚（如 LoRa 模块的 RST 引脚）都有正确的上拉或下拉电阻，防止浮空导致的高功耗。
LED 指示灯： LED 应串联限流电阻，并确保在低功耗模式下关闭，避免不必要的电流消耗。

5. 保护电路

ESD 保护： 在外部接口（如 USB 端口、天线接口）附近放置 ESD 保护器件（如 TVS 二极管），以防止静电放电损坏内部芯片。
反接保护： 在电池输入端添加二极管或 MOSFET 反接保护电路，防止电池反接损坏电路。

PCB 设计与布局优化

PCB（Printed Circuit Board）设计是将原理图转化为实际电路板的关键步骤，其质量直接影响设备的性能和可靠性。

1. 尺寸与外形

外壳适配： PCB 的尺寸和形状必须与所选的防水外壳内部空间完美匹配，并预留固定孔位。
元件高度： 考虑外壳内部高度限制，选择合适的元件封装（如贴片元件优先于直插元件），并合理布局，避免元件过高导致无法合盖。

2. 元件布局

功能分区： 将功能相近的元件（如电源管理、微控制器、LoRa 模块、GPS 模块）集中放置，形成独立的区域，有助于减少相互干扰。
电源路径： 核心电源路径（如电池输入、DC-DC 转换器、3.3V 稳压输出）应尽可能短而粗，以降低阻抗，减少电压降。
射频区域： LoRa 模块和天线应放置在 PCB 的边缘，远离数字电路和高频噪声源。射频走线应尽可能短、直，并保持 50 欧姆阻抗匹配，通常需要下方有完整的地平面作为参考。
GPS 天线： GPS 天线应放置在 PCB 上方，远离其他高频元件，避免信号遮挡和干扰。如果使用陶瓷天线，其下方不应有地平面，或者需要开窗处理，以确保天线性能。
连接器与接口： USB 接口、电池连接器、天线连接器等应放置在 PCB 边缘，方便外部连接。
散热： 对于大电流或发热元件（如 DC-DC 转换器、线性稳压器），应在 PCB 上预留足够的铜皮面积作为散热区域，或考虑添加散热片。

3. 走线策略

电源线与地线： 电源线和地线应尽可能宽，形成低阻抗通路。建议使用大面积铜皮作为地平面，以提供良好的接地参考和屏蔽效果。
信号线： 数字信号线应避免长距离平行走线，以减少串扰。高速信号线（如 SPI 的 SCK、MOSI、MISO）应尽量短。
差分信号： 如果有差分信号（如 USB 数据线），应进行差分对走线，并保持等长。
射频走线： LoRa 模块到天线的射频走线是关键。应使用 50 欧姆阻抗控制走线（通过调整走线宽度和与地平面的距离），并确保走线下方有完整的地平面。避免锐角弯折，尽量使用圆弧或 45 度角。
过孔： 尽量减少信号线上的过孔数量，特别是在高速和射频走线上。电源和地线可以使用多个过孔，以降低阻抗。

4. 层数选择

双层板： 对于简单的 LoRa-GPS 跟踪器，双层板通常足够。一层用于信号走线，另一层主要作为地平面，同时承载少量信号线。
四层板： 如果空间非常紧张，或者对射频性能和 EMC（电磁兼容性）有更高要求，可以考虑四层板。通常布局为：顶层（信号/元件）、内层 1（地平面）、内层 2（电源平面）、底层（信号/元件）。四层板能提供更好的信号完整性和抗干扰能力。

5. 丝印与阻焊

元件标识： 在丝印层上清晰地标注元件位号（如 R1、C1、U1）和元件方向（如二极管、电解电容的极性），方便焊接和调试。
接口标识： 标注连接器的功能（如 VCC、GND、RX、TX）。
阻焊： 阻焊层覆盖除焊盘和过孔外的所有铜皮，防止短路和氧化。

固件编程（Arduino 代码）

固件是跟踪器的灵魂，它控制着硬件的运行逻辑。以下是基于 Arduino IDE 的 ESP32 平台固件代码结构和关键功能实现。

```cpp
// 引入必要的库文件
#include <SPI.h> // 用于LoRa模块的SPI通信
#include <LoRa.h> // LoRa库，通常是RadioHead或ESP32 LoRa库
#include <TinyGPS++.h> // 用于解析GPS NMEA数据
#include <HardwareSerial.h> // ESP32的硬件串口，用于GPS模块通信
#include <esp_sleep.h> // ESP32的深度睡眠功能

// ====================================================================
//                          硬件引脚定义
// ====================================================================

// LoRa模块引脚定义 (根据实际连接调整)
#define LORA_CS_PIN    18   // LoRa模块的片选引脚 (CS/NSS)
#define LORA_RST_PIN   14   // LoRa模块的复位引脚 (RST)
#define LORA_DIO0_PIN  26   // LoRa模块的DIO0引脚 (中断引脚)

// GPS模块串口定义 (ESP32有多个硬件串口，选择一个未被USB占用的)
// 这里使用UART2，对应GPIO16 (RX) 和 GPIO17 (TX)
#define GPS_RX_PIN     16   // GPS模块的TX连接到ESP32的RX
#define GPS_TX_PIN     17   // GPS模块的RX连接到ESP32的TX
HardwareSerial SerialGPS(2); // 创建一个HardwareSerial对象用于GPS

// LED指示灯引脚 (可选)
#define STATUS_LED_PIN 2    // 板载LED或自定义LED引脚

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//                          LoRa配置参数
// ====================================================================

// LoRa工作频率 (根据地区法规选择，例如：中国433MHz，欧洲868MHz，北美915MHz)
#define LORA_FREQUENCY 433E6 // 433MHz

// LoRa扩频因子 (SF) - 影响距离和数据速率，SF7最快，SF12最慢但距离最远
#define LORA_SF        7

// LoRa带宽 (BW) - 影响数据速率和灵敏度，125kHz是常用值
#define LORA_BW        125E3 // 125kHz

// LoRa编码率 (CR) - 影响抗干扰能力，4/5是常用值
#define LORA_CR        5 // 4/5

// 发射功率 (dBm) - 越大距离越远，但功耗也越大，注意法规限制
#define LORA_TX_POWER  20 // 20dBm (最大值，约100mW)

// ====================================================================
//                          GPS配置
// ====================================================================

// GPS串口波特率 (通常为9600)
#define GPS_BAUD_RATE  9600

// TinyGPS++ 对象
TinyGPSPlus gps;

// ====================================================================
//                          功耗管理与定时器
// ====================================================================

// 每次发送数据之间的睡眠时间 (秒)
// 这是一个关键参数，直接影响电池续航
#define SLEEP_DURATION_SECONDS 300 // 每5分钟发送一次数据

// ====================================================================
//                          全局变量
// ====================================================================

unsigned long lastGPSTime = 0; // 记录上次成功获取GPS数据的时间
const unsigned long GPS_TIMEOUT_MS = 60000; // GPS定位超时时间 (1分钟)

// ====================================================================
//                          函数声明
// ====================================================================

void setupLoRa();
void setupGPS();
void getGPSData();
void sendLoRaData(String data);
void enterDeepSleep();
void blinkLED(int times, int delayMs);

// ====================================================================
//                          SETUP 函数
// ====================================================================

void setup() {
  Serial.begin(115200); // 初始化USB串口用于调试输出
  Serial.println("LoRa-GPS Tracker Starting...");

  // 初始化LED引脚
  pinMode(STATUS_LED_PIN, OUTPUT);
  blinkLED(3, 100); // 启动时LED闪烁3次

  setupLoRa(); // 初始化LoRa模块
  setupGPS();  // 初始化GPS模块

  Serial.println("Setup Complete. Entering loop...");
}

// ====================================================================
//                          LOOP 函数
// ====================================================================

void loop() {
  // 尝试获取GPS数据
  getGPSData();

  // 检查是否成功获取到有效的GPS数据
  if (gps.location.isValid() && gps.location.age() < GPS_TIMEOUT_MS) {
    // 构造要发送的数据字符串
    String latitude = String(gps.location.lat(), 6);   // 纬度，保留6位小数
    String longitude = String(gps.location.lng(), 6);  // 经度，保留6位小数
    String altitude = String(gps.altitude.meters(), 2); // 海拔，保留2位小数
    String satellites = String(gps.satellites.value()); // 卫星数量

    String payload = "Lat:" + latitude + ",Lon:" + longitude + ",Alt:" + altitude + ",Sat:" + satellites;

    Serial.print("GPS Data: ");
    Serial.println(payload);

    // 发送LoRa数据
    sendLoRaData(payload);

    // 成功发送后进入深度睡眠
    enterDeepSleep();
  } else {
    Serial.println("Waiting for valid GPS data...");
    // 如果长时间未获取到有效GPS数据，可以考虑进入短暂睡眠或重试
    // 为了节省功耗，即使没有GPS数据也进入睡眠，等待下次唤醒重试
    delay(5000); // 短暂等待，避免无限循环占用CPU
    enterDeepSleep(); // 强制进入睡眠，即使GPS未定位成功，避免耗尽电池
  }
}

// ====================================================================
//                          辅助函数实现
// ====================================================================

/**
 * @brief 初始化LoRa模块
 */
void setupLoRa() {
  Serial.println("Initializing LoRa...");

  // 设置LoRa模块的SPI引脚
  LoRa.setPins(LORA_CS_PIN, LORA_RST_PIN, LORA_DIO0_PIN);

  // 初始化LoRa模块
  if (!LoRa.begin(LORA_FREQUENCY)) {
    Serial.println("LoRa initialization failed! Check wiring and frequency.");
    while (1); // LoRa初始化失败，程序停止
  }

  // 设置LoRa参数
  LoRa.setSpreadingFactor(LORA_SF);
  LoRa.setSignalBandwidth(LORA_BW);
  LoRa.setCodingRate4(LORA_CR);
  LoRa.setTxPower(LORA_TX_POWER); // 设置发射功率

  Serial.println("LoRa initialized successfully.");
  Serial.print("Frequency: "); Serial.print(LORA_FREQUENCY / 1E6); Serial.println(" MHz");
  Serial.print("Spreading Factor: "); Serial.println(LORA_SF);
  Serial.print("Bandwidth: "); Serial.print(LORA_BW / 1E3); Serial.println(" kHz");
  Serial.print("Coding Rate: 4/"); Serial.println(LORA_CR + 4); // CR_4_5, CR_4_6, etc.
  Serial.print("Tx Power: "); Serial.print(LORA_TX_POWER); Serial.println(" dBm");
}

/**
 * @brief 初始化GPS模块串口
 */
void setupGPS() {
  Serial.println("Initializing GPS Serial...");
  SerialGPS.begin(GPS_BAUD_RATE, SERIAL_8N1, GPS_RX_PIN, GPS_TX_PIN);
  Serial.println("GPS Serial initialized.");
}

/**
 * @brief 获取GPS数据
 * 此函数会阻塞，直到获取到有效数据或超时
 */
void getGPSData() {
  Serial.println("Attempting to get GPS data...");
  lastGPSTime = millis(); // 记录开始时间

  // 循环读取GPS串口数据并解析，直到获取到有效定位或超时
  while (millis() - lastGPSTime < GPS_TIMEOUT_MS) {
    while (SerialGPS.available()) {
      gps.encode(SerialGPS.read()); // 将串口数据喂给TinyGPS++解析器
    }

    if (gps.location.isValid() && gps.location.age() < GPS_TIMEOUT_MS) {
      Serial.println("GPS Fix acquired!");
      blinkLED(1, 500); // GPS定位成功，LED闪烁一次
      return; // 成功获取数据，退出函数
    }
    delay(100); // 短暂延时，避免CPU空转
  }
  Serial.println("GPS timeout or no valid data received.");
  blinkLED(5, 50); // GPS超时，LED快速闪烁5次
}

/**
 * @brief 通过LoRa发送数据
 * @param data 要发送的字符串数据
 */
void sendLoRaData(String data) {
  Serial.print("Sending LoRa packet: ");
  Serial.println(data);

  // LoRa.beginPacket() 准备发送数据包
  LoRa.beginPacket();
  LoRa.print(data); // 将数据写入数据包
  LoRa.endPacket(); // 结束数据包并发送

  Serial.println("LoRa packet sent.");
  blinkLED(2, 100); // LoRa发送成功，LED闪烁两次
}

/**
 * @brief 使ESP32进入深度睡眠模式以节省功耗
 */
void enterDeepSleep() {
  Serial.print("Entering deep sleep for ");
  Serial.print(SLEEP_DURATION_SECONDS);
  Serial.println(" seconds...");

  // 设置唤醒源为定时器
  esp_sleep_enable_timer_wakeup(SLEEP_DURATION_SECONDS * 1000000ULL); // 参数为微秒

  // 关闭所有不必要的GPIO，以进一步降低功耗
  // 注意：某些引脚可能需要保持状态，根据实际电路决定
  for (int i = 0; i < 40; i++) { // 遍历所有GPIO (ESP32有近40个GPIO)
    if (i != LORA_CS_PIN && i != LORA_RST_PIN && i != LORA_DIO0_PIN &&
        i != GPS_RX_PIN && i != GPS_TX_PIN && i != STATUS_LED_PIN) {
      // 确保不影响正在使用的引脚
      pinMode(i, INPUT_PULLDOWN); // 将未使用的引脚设置为下拉输入，防止浮空
    }
  }
  digitalWrite(STATUS_LED_PIN, LOW); // 确保LED在睡眠前关闭

  Serial.flush(); // 等待所有串口数据发送完毕
  esp_deep_sleep_start(); // 进入深度睡眠
  // 程序执行到这里将不会返回，ESP32会重启
}

/**
 * @brief LED闪烁函数
 * @param times 闪烁次数
 * @param delayMs 每次闪烁的延时 (毫秒)
 */
void blinkLED(int times, int delayMs) {
  for (int i = 0; i < times; i++) {
    digitalWrite(STATUS_LED_PIN, HIGH);
    delay(delayMs);
    digitalWrite(STATUS_LED_PIN, LOW);
    delay(delayMs);
  }
}