基于開源軟件的LoRaWAN物聯網實驗方案探究

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和開源的物聯網平臺ThingsBoard，利用ChripStack提供的“LoRaWAN網絡的開源組件”，實現跨網關不同LoRa節點間的通信，及讀取節點數據和發送數據給節點的功能。

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）16-0102-01

1 LoRa與LoRaWAN

LoRa（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），多節點（一個LoRa網關理論上可連接數千個節點），抗干擾能力強等優點，其總體性能在小范圍內（如工廠的廠區內）表現地非常好。

LoRaWAN是基于LoRa遠距離通信網絡設計的一套通訊協議和系統架構，是一套數據交互的協議標準，定義了LoRaWAN節點，LoRaWAN網關，LoRaWAN Server之間的通信，可以實現不同網關之間的通信，進而實現不同網關下LoRa節點之間的通信。

2 方案框架及數據傳輸流程

本文主要探究的是使用開源LoRaWAN服務器ChripStack和開源的物聯網平臺ThingsBoard相結合，利用開源的物聯網編程工具Node-RED來編寫控制邏輯，實現多個LoRa網關連接到云端并進行不同網關之間的通信。基于ChripStack的LoRaWAN拓撲結構圖如圖1所示。

圖1中，LoRa節點表示通過傳感器采集環境信息的設備，這些可以是：測量空氣質量，溫度，濕度，可燃氣等信息的設備;LoRa網關是多個LoRa節點之間相互通信的媒介，可以接收節點數據及發送數據給節點;在LoRa網關上運行的有一個網關與Server間的包轉發器，負責接收和發送數據，稱為Packet Fowarder，一般使用開源應用Semtech UDP數據包轉發器;ChirpStack網關橋位于數據包轉發和MQTT代理之間，它將數據包轉發格式（如Semtech UDP數據包轉發器協議）轉換為ChirpStack組件使用的數據格式，還提供了與各種云平臺的集成方式;MQTT是一種基于客戶端-服務器的消息發布/訂閱傳輸協議，具有低開銷、低帶寬占用、輕量、簡單、開放和易于實現的特點，使其在M2M通信、物聯網（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，主要用于中轉多個設備之間的消息，也稱為MQTT的服務器;ChirpStack網絡服務器是一個LoRaWAN的網絡服務器，負責管理網絡的狀態，能夠在網絡上將連接的設備激活，并且能夠在設備要加入網絡時處理加入請求，完成節點的入網及將數據發送給指定的網關;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，網關和設備的Web界面和API;ThingsBoard是一個開源的物聯網平臺，使用行業標準物聯網協議（MQTT，COAP和HTTP）實現設備連接，并支持云和本地部署，能夠收集數據并對數據進行可視化展示，主要用于數據收集、處理、可視化展示以及設備管理等;Node-RED是IBM在2013年末開發的一個開源項目，現在已經發展成為一個較為開放的物聯網開發工具，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，也被稱為物聯網的“粘合劑”，Node-RED能夠與ChirpStack配合，結合ThingsBoard平臺和LoRaWAN網關設備，完成對不同物聯網應用場景模型下設備控制邏輯的實現，達到可視化編程來控制物聯網設備的目標。

具體的數據傳輸流程如下：LoRa節點設備通過傳感器將采集到的數據（空氣質量、溫度、濕度、光照、可燃氣等）發送給LoRa網關（其可以接收/發送多個節點的數據），LoRa網關將數據通過數據包轉發器（Packet Forwarder：常見實現是Semtech UDP數據包轉發器）通過UDP發送給ChirpStack網關網橋，ChirpStack網關網橋位于數據包轉發和MQTT代理之間，主要將數據包轉發器格式轉換為ChirpStack組件使用的數據格式，ChirpStack網關網橋使用MQTT協議通過消息代理服務器（Broker）將數據發送給ChirpStack網絡服務器（負責管理網絡的狀態），ChirpStack網絡服務器可以通過采用高性能RPC框架gRPC將數據傳輸給ChirpStack應用服務器，ChirpStack應用服務器將收到的上行鏈路數據轉發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來調度下行鏈路的相關LoRa節點設備，最終用于分析數據、發出警報、數據可視化以及觸發相關操作等。

3 結語

本文根據作者在新大陸集團有限公司企業一線實踐經歷，探究了一種基于開源軟件來實現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，加強學生創新性的培養，增強學生的專業技能。

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