司長(zhǎng)明 王長(zhǎng)蓮

摘要：本文探究了一種使用開(kāi)源的LoRaWAN服務(wù)器ChripStack和開(kāi)源的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)ThingsBoard，利用ChripStack提供的“LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)源組件”，實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)關(guān)不同LoRa節(jié)點(diǎn)間的通信，及讀取節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點(diǎn)的功能。

關(guān)鍵詞：開(kāi)源;LoRa;LoRaWAN

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5;TP391.44?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1672-9129（2020）16-0102-01

1 LoRa與LoRaWAN

LoRa（Long Range Radio）是一種遠(yuǎn)距離無(wú)線通信技術(shù)，主要在ISM頻段運(yùn)行，包括433、868、915 MHz等，具有通信距離遠(yuǎn)（最遠(yuǎn)可達(dá)15km），功耗低（10-20電池使用壽命），多節(jié)點(diǎn)（一個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)理論上可連接數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)），抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其總體性能在小范圍內(nèi)（如工廠的廠區(qū)內(nèi)）表現(xiàn)地非常好。

LoRaWAN是基于LoRa遠(yuǎn)距離通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的一套通訊協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)，是一套數(shù)據(jù)交互的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，定義了LoRaWAN節(jié)點(diǎn)，LoRaWAN網(wǎng)關(guān)，LoRaWAN Server之間的通信，可以實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)關(guān)之間的通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)關(guān)下LoRa節(jié)點(diǎn)之間的通信。

2 方案框架及數(shù)據(jù)傳輸流程

本文主要探究的是使用開(kāi)源LoRaWAN服務(wù)器ChripStack和開(kāi)源的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)ThingsBoard相結(jié)合，利用開(kāi)源的物聯(lián)網(wǎng)編程工具Node-RED來(lái)編寫(xiě)控制邏輯，實(shí)現(xiàn)多個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)連接到云端并進(jìn)行不同網(wǎng)關(guān)之間的通信?；贑hripStack的LoRaWAN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1中，LoRa節(jié)點(diǎn)表示通過(guò)傳感器采集環(huán)境信息的設(shè)備，這些可以是：測(cè)量空氣質(zhì)量，溫度，濕度，可燃?xì)獾刃畔⒌脑O(shè)備;LoRa網(wǎng)關(guān)是多個(gè)LoRa節(jié)點(diǎn)之間相互通信的媒介，可以接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)及發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點(diǎn);在LoRa網(wǎng)關(guān)上運(yùn)行的有一個(gè)網(wǎng)關(guān)與Server間的包轉(zhuǎn)發(fā)器，負(fù)責(zé)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，稱(chēng)為Packet Fowarder，一般使用開(kāi)源應(yīng)用Semtech UDP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)器;ChirpStack網(wǎng)關(guān)橋位于數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)和MQTT代理之間，它將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)格式（如Semtech UDP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)器協(xié)議）轉(zhuǎn)換為ChirpStack組件使用的數(shù)據(jù)格式，還提供了與各種云平臺(tái)的集成方式;MQTT是一種基于客戶端-服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議，具有低開(kāi)銷(xiāo)、低帶寬占用、輕量、簡(jiǎn)單、開(kāi)放和易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，使其在M2M通信、物聯(lián)網(wǎng)（IOT）、小型設(shè)備等方面有較廣泛的應(yīng)用，而Pub/Sub broker是MQTT的消息代理服務(wù)器，主要用于中轉(zhuǎn)多個(gè)設(shè)備之間的消息，也稱(chēng)為MQTT的服務(wù)器;ChirpStack網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器是一個(gè)LoRaWAN的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，能夠在網(wǎng)絡(luò)上將連接的設(shè)備激活，并且能夠在設(shè)備要加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)處理加入請(qǐng)求，完成節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)及將數(shù)據(jù)發(fā)送給指定的網(wǎng)關(guān);ChirpStack應(yīng)用服務(wù)器是一個(gè)LoRaWAN應(yīng)用服務(wù)器，可以通過(guò)高性能、開(kāi)源和通用的RPC框架gRPC與ChirpStack網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器完成通信，ChirpStack應(yīng)用服務(wù)器主要提供了用于管理用戶，組織，應(yīng)用程序，網(wǎng)關(guān)和設(shè)備的Web界面和API;ThingsBoard是一個(gè)開(kāi)源的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（MQTT，COAP和HTTP）實(shí)現(xiàn)設(shè)備連接，并支持云和本地部署，能夠收集數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，主要用于數(shù)據(jù)收集、處理、可視化展示以及設(shè)備管理等;Node-RED是IBM在2013年末開(kāi)發(fā)的一個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)較為開(kāi)放的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)工具，它是基于流的編程模型，其可視化編程方法，能夠滿足快速連接硬件和設(shè)備到Web服務(wù)和其他軟件的需求，也被稱(chēng)為物聯(lián)網(wǎng)的“粘合劑”，Node-RED能夠與ChirpStack配合，結(jié)合ThingsBoard平臺(tái)和LoRaWAN網(wǎng)關(guān)設(shè)備，完成對(duì)不同物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景模型下設(shè)備控制邏輯的實(shí)現(xiàn)，達(dá)到可視化編程來(lái)控制物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的目標(biāo)。

具體的數(shù)據(jù)傳輸流程如下：LoRa節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過(guò)傳感器將采集到的數(shù)據(jù)（空氣質(zhì)量、溫度、濕度、光照、可燃?xì)獾龋┌l(fā)送給LoRa網(wǎng)關(guān)（其可以接收/發(fā)送多個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)），LoRa網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)器（Packet Forwarder：常見(jiàn)實(shí)現(xiàn)是Semtech UDP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)器）通過(guò)UDP發(fā)送給ChirpStack網(wǎng)關(guān)網(wǎng)橋，ChirpStack網(wǎng)關(guān)網(wǎng)橋位于數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)和MQTT代理之間，主要將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)器格式轉(zhuǎn)換為ChirpStack組件使用的數(shù)據(jù)格式，ChirpStack網(wǎng)關(guān)網(wǎng)橋使用MQTT協(xié)議通過(guò)消息代理服務(wù)器（Broker）將數(shù)據(jù)發(fā)送給ChirpStack網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)），ChirpStack網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器可以通過(guò)采用高性能RPC框架gRPC將數(shù)據(jù)傳輸給ChirpStack應(yīng)用服務(wù)器，ChirpStack應(yīng)用服務(wù)器將收到的上行鏈路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到一個(gè)或多個(gè)已配置的集成，這里面使用的是Thingsboard，它可以使用ChirpStack應(yīng)用服務(wù)器API來(lái)調(diào)度下行鏈路的相關(guān)LoRa節(jié)點(diǎn)設(shè)備，最終用于分析數(shù)據(jù)、發(fā)出警報(bào)、數(shù)據(jù)可視化以及觸發(fā)相關(guān)操作等。

3 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)作者在新大陸集團(tuán)有限公司企業(yè)一線實(shí)踐經(jīng)歷，探究了一種基于開(kāi)源軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)LoRa遠(yuǎn)距離無(wú)線通信的實(shí)驗(yàn)方案，采用開(kāi)源框架的設(shè)計(jì)能夠幫助學(xué)生學(xué)習(xí)開(kāi)源知識(shí)，加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新性的培養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)技能。

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