物聯(lián)網(wǎng)長(zhǎng)距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)應(yīng)用與開(kāi)發(fā)2.3LoRa協(xié)議棧協(xié)議棧解析與應(yīng)用開(kāi)發(fā)課件

1、第2章 LoRa無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)開(kāi)發(fā)2.3 LoRa協(xié)議棧協(xié)議棧解析與應(yīng)用開(kāi)發(fā)項(xiàng)目場(chǎng)景LoRa無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)ContikiLoRa無(wú)線(xiàn)函數(shù)接口分析傳感器應(yīng)用接口分析項(xiàng)目實(shí)踐項(xiàng)目場(chǎng)景LoRa網(wǎng)絡(luò)相較于其他無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)擁有更遠(yuǎn)的傳輸距離、擁有更好的抗干擾能力以及可控的數(shù)據(jù)收發(fā)數(shù)據(jù)，同時(shí)LoRa節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力可控。因此LoRa模塊在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域擁有很大的使用優(yōu)勢(shì)，在智慧畜牧方面擁有廣泛的應(yīng)用。但正因?yàn)樗倪@些特點(diǎn)使得LoRa模塊的配置變的復(fù)雜，企業(yè)為了方便LoRa模塊的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的快速開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)為其制定了物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧，用戶(hù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議?？梢詫?shí)現(xiàn)快速的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。因此學(xué)習(xí)協(xié)議棧的使用可以實(shí)現(xiàn)LoRa無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的

2、快速開(kāi)發(fā)。任務(wù)目標(biāo)通過(guò)基于LoRa無(wú)線(xiàn)網(wǎng)的畜牧大棚空氣質(zhì)量采集和調(diào)節(jié)項(xiàng)目實(shí)例了解LoRa的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的工作原理和協(xié)議棧的關(guān)鍵接口，學(xué)習(xí)和掌握邏輯接口的使用，掌握應(yīng)用接口的使用，通過(guò)使用應(yīng)用接口能夠?qū)崿F(xiàn)快速的LoRa無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)。LoRa無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)ContikiContiki 兩個(gè)主要機(jī)制：事件驅(qū)動(dòng)和 protothread 機(jī)制，前者是為了降低功耗，后者是為了節(jié)省內(nèi)存。在 Contiki 系統(tǒng)中，事件被分為以下三種類(lèi)型：定時(shí)器事件（timer events）進(jìn)程可以設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，在給定的時(shí)間完成之后生成一個(gè)事件，進(jìn)程一直阻塞直到定時(shí)器終止，才繼續(xù)執(zhí)行。外部事件（external event

3、s）外圍設(shè)備連接到具有中斷功能的微處理器 IO 引腳， 觸發(fā)中斷時(shí)可能生成事件。內(nèi)部事件（internal events）任何進(jìn)程都可以為自身或其它進(jìn)程指定事件。事件驅(qū)動(dòng)LoRa無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)Contiki傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)使用棧保存進(jìn)程上下文，每個(gè)進(jìn)程需要一個(gè)棧，這對(duì)于內(nèi)存極度受限的傳感器設(shè)備將難以忍受。protothread 機(jī)制恰解決了這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)保存進(jìn)程被阻塞處的行數(shù)(進(jìn)程結(jié)構(gòu)體的一個(gè)變量，unsiged short 類(lèi)型，只需兩個(gè)字節(jié))，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)程切換，當(dāng)該進(jìn)程下一次被調(diào)度時(shí)，通過(guò) switch(_LINE_)跳轉(zhuǎn)到剛才保存的點(diǎn)，恢復(fù)執(zhí)行。整個(gè) Contiki 只用一個(gè)棧，當(dāng)進(jìn)程切換時(shí)清空

4、，大大節(jié)省內(nèi)存。 protothread 機(jī)制LoRa無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)ContikiContiki的用戶(hù)進(jìn)程建立較為簡(jiǎn)單。用戶(hù)進(jìn)程的建立有三個(gè)步驟，分別是定義用戶(hù)進(jìn)程，在進(jìn)程列表中添加進(jìn)程信息，編寫(xiě)進(jìn)程實(shí)體。定義用戶(hù)進(jìn)程PROCESS(hello, hello); 進(jìn)程列表中添加進(jìn)程信息struct process * const autostart_processes = &hello,NULL;autostart_start(autostart_processes);編寫(xiě)進(jìn)程實(shí)體PROCESS_THREAD(hello, ev, data) . contiki用戶(hù)進(jìn)程與程序LoRa無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)Cont

5、iki編寫(xiě)進(jìn)程實(shí)體/hello進(jìn)程主體PROCESS_THREAD(hello, ev, data) PROCESS_BEGIN(); /進(jìn)程啟動(dòng)while(1) /進(jìn)程循環(huán)體printf(HelloWorld!rn); /進(jìn)程打印信息etimer_set(&hello_timer, CLOCK_SECOND); /進(jìn)程定時(shí)進(jìn)入執(zhí)行設(shè)置process_status = 2; PROCESS_YIELD(); /進(jìn)程跳轉(zhuǎn)PROCESS_END(); /進(jìn)程結(jié)束LoRa無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)ContikiContiki包含一個(gè)時(shí)鐘模型和5個(gè)定時(shí)器模型(timer, stimer, ctimer, etimer,

6、 and rtimer) 5種timer簡(jiǎn)述如下：timer、stimer提供了最簡(jiǎn)單的時(shí)鐘操作,即檢查時(shí)鐘周期是否已經(jīng)結(jié)束。程序從timer中讀出狀態(tài),判斷時(shí)鐘是否過(guò)期。tmiers 是使用的系統(tǒng)時(shí)鐘的ticks,而stimers是使用的秒。Ctimer回調(diào)定時(shí)器，驅(qū)動(dòng)某一個(gè)回調(diào)函數(shù)。etimer事件定時(shí)器，驅(qū)動(dòng)某一個(gè)事件。Rtimer實(shí)時(shí)時(shí)鐘。 Contiki定時(shí)器LoRa無(wú)線(xiàn)函數(shù)接口分析LoRa協(xié)議棧工程主要包含三個(gè)文件夾。LoRa appLoRa無(wú)線(xiàn)應(yīng)用層api at-uart.c調(diào)試串口初始化 at.c提供給串口調(diào)試的AT交互協(xié)議 lora-net.cLoRa無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)api接口

7、zxbee-sys-command.c處理下行的用戶(hù)命令 zxbee.c無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)包封包、解包 devLoRa射頻驅(qū)動(dòng)及部分硬件驅(qū)動(dòng) sx1278-a.cLoRa無(wú)線(xiàn)進(jìn)程 sx1278-io.cLoRa SPI總線(xiàn)驅(qū)動(dòng) sx1278.cLoRa無(wú)線(xiàn)射頻驅(qū)動(dòng) sensorLoRa節(jié)點(diǎn)傳感器驅(qū)動(dòng) autoapps.cContiki操作系統(tǒng)進(jìn)程列表 sensor.c傳感器進(jìn)程、驅(qū)動(dòng)及應(yīng)用 contiki-conf.hLoRa網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置 contiki-conf.cContiki操作系統(tǒng)入口LoRa無(wú)線(xiàn)函數(shù)接口分析LoRa無(wú)線(xiàn)協(xié)議運(yùn)行于Contiki操作系統(tǒng)，在系統(tǒng)啟動(dòng)后會(huì)運(yùn)行LoRa無(wú)線(xiàn)進(jìn)程進(jìn)行無(wú)線(xiàn)

8、協(xié)議的處理，并執(zhí)行：LoRa射頻初始化、LoRa網(wǎng)絡(luò)參數(shù)初始化、循環(huán)監(jiān)聽(tīng)無(wú)線(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)響應(yīng)。LoRa無(wú)線(xiàn)相關(guān)主要程序文件如下：函數(shù)名稱(chēng)函數(shù)說(shuō)明sx1278-a.c啟動(dòng)LoRa無(wú)線(xiàn)協(xié)議進(jìn)程，完成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的初始化，循環(huán)監(jiān)聽(tīng)無(wú)線(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)響應(yīng)sx1278-io.cSX1278 LoRa射頻模塊SPI總線(xiàn)讀寫(xiě)驅(qū)動(dòng)sx1278.cSX1278 LoRa射頻模塊驅(qū)動(dòng)lora-net ()LoRa無(wú)線(xiàn)協(xié)議初始化，無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)api接口LoRa無(wú)線(xiàn)函數(shù)接口分析智云框架下SX1278模塊的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)均在sensor.c文件下進(jìn)行。sensor.c文件中為上層應(yīng)用開(kāi)發(fā)設(shè)置了五個(gè)接口函數(shù)，這五個(gè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)接口函數(shù)

9、功能描述如下表所示：智云傳感器框架函數(shù)名稱(chēng)函數(shù)說(shuō)明sensorInit()傳感器硬件初始化sensorUpdate()傳感器數(shù)據(jù)定時(shí)上報(bào)sensorControl()傳感器/執(zhí)行器控制函數(shù)sensorCheck ()傳感器預(yù)警監(jiān)測(cè)及處理函數(shù)ZXBeeInfRecv()解析接收到的傳感器控制命令函數(shù)PROCESS_THREAD(sensor, ev, data)傳感器進(jìn)程（處理傳感器上報(bào)、傳感器預(yù)警監(jiān)測(cè)）LoRa無(wú)線(xiàn)函數(shù)接口分析智云框架下LoRa無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)示例程序基于Contiki系統(tǒng)框架開(kāi)發(fā)，詳細(xì)程序流程圖如下：智云傳感器程序解析項(xiàng)目實(shí)踐畜牧氣體采集和調(diào)節(jié)硬件框圖設(shè)計(jì)如下：硬件功能設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)踐L

10、oRa無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)示例程序LoRaApiTest基于LoRa無(wú)線(xiàn)協(xié)議框架開(kāi)發(fā)的詳細(xì)程序流程圖如下：軟件邏輯設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)踐通信協(xié)議設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)LoRa節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程與本地的識(shí)別，需要設(shè)計(jì)一套約定的通訊協(xié)議，約定的通信協(xié)議可以被遠(yuǎn)程設(shè)備和本地節(jié)點(diǎn)識(shí)別。根據(jù)項(xiàng)目特性設(shè)計(jì)通信協(xié)議如下：數(shù)據(jù)方向協(xié)議格式說(shuō)明上行（節(jié)點(diǎn)往應(yīng)用發(fā)送數(shù)據(jù)）gas=XX表示采集的氣體濃度值下行（應(yīng)用往節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令）cmd=XX為0表示關(guān)閉風(fēng)扇，1表示開(kāi)啟風(fēng)扇。項(xiàng)目實(shí)踐運(yùn)行LoRaApiTest工程，通過(guò)IAR工具的進(jìn)行程序的開(kāi)發(fā)、調(diào)試，設(shè)置 斷點(diǎn)理解LoRa無(wú)線(xiàn)框架程序調(diào)用關(guān)系。項(xiàng)目實(shí)踐LiteB-LR節(jié)點(diǎn)每隔20s會(huì)上傳一次氣體數(shù)據(jù)到應(yīng)用層（氣體數(shù)據(jù)是通過(guò)隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生）。同時(shí)通過(guò)ZCloudTools工具發(fā)送風(fēng)扇控制