基于開源軟件的LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)實驗方案探究

1、    基于開源軟件的lorawan物聯(lián)網(wǎng)實驗方案探究    司長明 王長蓮摘要：本文探究了一種使用開源的lorawan服務器chripstack和開源的物聯(lián)網(wǎng)平臺thingsboard，利用chripstack提供的“l(fā)orawan網(wǎng)絡的開源組件”，實現(xiàn)跨網(wǎng)關不同lora節(jié)點間的通信，及讀取節(jié)點數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點的功能。關鍵詞：開源;lora;lorawan中圖分類號：tn929.5;tp391.44   文獻標識碼：a   文章編號：1672-9129（2020）16-0102-011 lora與lorawa

2、nlora（long range radio）是一種遠距離無線通信技術，主要在ism頻段運行，包括433、868、915 mhz等，具有通信距離遠（最遠可達15km），功耗低（10-20電池使用壽命），多節(jié)點（一個lora網(wǎng)關理論上可連接數(shù)千個節(jié)點），抗干擾能力強等優(yōu)點，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遠距離通信網(wǎng)絡設計的一套通訊協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)，是一套數(shù)據(jù)交互的協(xié)議標準，定義了lorawan節(jié)點，lorawan網(wǎng)關，lorawan server之間的通信，可以實現(xiàn)不同網(wǎng)關之間的通信，進而實現(xiàn)不同網(wǎng)關下lora節(jié)點之間的通信。2 方案框架及數(shù)據(jù)傳輸

3、流程本文主要探究的是使用開源lorawan服務器chripstack和開源的物聯(lián)網(wǎng)平臺thingsboard相結(jié)合，利用開源的物聯(lián)網(wǎng)編程工具node-red來編寫控制邏輯，實現(xiàn)多個lora網(wǎng)關連接到云端并進行不同網(wǎng)關之間的通信。基于chripstack的lorawan拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖1中，lora節(jié)點表示通過傳感器采集環(huán)境信息的設備，這些可以是：測量空氣質(zhì)量，溫度，濕度，可燃氣等信息的設備;lora網(wǎng)關是多個lora節(jié)點之間相互通信的媒介，可以接收節(jié)點數(shù)據(jù)及發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點;在lora網(wǎng)關上運行的有一個網(wǎng)關與server間的包轉(zhuǎn)發(fā)器，負責接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，稱為packet fowarder

4、，一般使用開源應用semtech udp數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)器;chirpstack網(wǎng)關橋位于數(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的集成方式;mqtt是一種基于客戶端-服務器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議，具有低開銷、低帶寬占用、輕量、簡單、開放和易于實現(xiàn)的特點，使其在m2m通信、物聯(lián)網(wǎng)（iot）、小型設備等方面有較廣泛的應用，而pub/sub broker是mqtt的消息代理服務器，主要用于中轉(zhuǎn)多個設備之間的消息，也稱為mqtt的服務器;chirpstack網(wǎng)絡服務器是一個lorawan

5、的網(wǎng)絡服務器，負責管理網(wǎng)絡的狀態(tài)，能夠在網(wǎng)絡上將連接的設備激活，并且能夠在設備要加入網(wǎng)絡時處理加入請求，完成節(jié)點的入網(wǎng)及將數(shù)據(jù)發(fā)送給指定的網(wǎng)關;chirpstack應用服務器是一個lorawan應用服務器，可以通過高性能、開源和通用的rpc框架grpc與chirpstack網(wǎng)絡服務器完成通信，chirpstack應用服務器主要提供了用于管理用戶，組織，應用程序，網(wǎng)關和設備的web界面和api;thingsboard是一個開源的物聯(lián)網(wǎng)平臺，使用行業(yè)標準物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（mqtt，coap和http）實現(xiàn)設備連接，并支持云和本地部署，能夠收集數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行可視化展示，主要用于數(shù)據(jù)收集、處理、可視化展示

6、以及設備管理等;node-red是ibm在2013年末開發(fā)的一個開源項目，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為一個較為開放的物聯(lián)網(wǎng)開發(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備到web服務和其他軟件的需求，也被稱為物聯(lián)網(wǎng)的“粘合劑”，node-red能夠與chirpstack配合，結(jié)合thingsboard平臺和lorawan網(wǎng)關設備，完成對不同物聯(lián)網(wǎng)應用場景模型下設備控制邏輯的實現(xiàn)，達到可視化編程來控制物聯(lián)網(wǎng)設備的目標。具體的數(shù)據(jù)傳輸流程如下：lora節(jié)點設備通過傳感器將采集到的數(shù)據(jù)（空氣質(zhì)量、溫度、濕度、光照、可燃氣等）發(fā)送給lora網(wǎng)關（其可以接收/發(fā)送多個節(jié)點的數(shù)據(jù)），lor

7、a網(wǎng)關將數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)器（packet forwarder：常見實現(xiàn)是semtech udp數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)器）通過udp發(fā)送給chirpstack網(wǎng)關網(wǎng)橋，chirpstack網(wǎng)關網(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)關網(wǎng)橋使用mqtt協(xié)議通過消息代理服務器（broker）將數(shù)據(jù)發(fā)送給chirpstack網(wǎng)絡服務器（負責管理網(wǎng)絡的狀態(tài)），chirpstack網(wǎng)絡服務器可以通過采用高性能rpc框架grpc將數(shù)據(jù)傳輸給chirpstack應用服務器，chirpstack應用服務器將收到的上行鏈路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到一個或多個已配置的集成，這里面使用的是thingsboard，它可以使用chirpstack應用服務器api來調(diào)度下行鏈路的相關lora節(jié)點設備，最終用于分析數(shù)據(jù)、發(fā)出警報、數(shù)據(jù)可視化以及觸發(fā)相關操作等。3 結(jié)語本文根據(jù)作者在新大陸集團有限公司企業(yè)一線實踐經(jīng)歷，探究了一種基于開源軟件來實現(xiàn)lora遠距離無線通信的實驗方案，采用開源框架的設計能夠幫助學生學習開源知識，加強學生創(chuàng)新性的培養(yǎng)，增強學生的專業(yè)技能。參考文獻：1楊心元，杜丹，王凱.基于lorawan-server的態(tài)勢呈現(xiàn)平臺設計j.計算機與網(wǎng)絡，2020，46（1