LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的快速實(shí)現(xiàn)

黃一棟

（廈門大洋通信有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

隨著萬物互聯(lián)的到來，越來越多的無線通信終端產(chǎn)品走入大眾的視野，這些產(chǎn)品在短距離[1]應(yīng)用方面大都以Wi-Fi、Zigbee、BLE為主，長距離應(yīng)用方面大都以NBIOT、Sigfox、LoRaWAN為主。不同的無線技術(shù)有不同的應(yīng)用領(lǐng)域，基于物聯(lián)網(wǎng)的特殊性、復(fù)雜性以及多樣性，利用無線技術(shù)來從原型開發(fā)到實(shí)現(xiàn)一個(gè)可用的物聯(lián)監(jiān)測系統(tǒng)需要較長的時(shí)間，而這時(shí)間可能會影響最終項(xiàng)目的落地時(shí)間甚至落后競爭對手。

軟件工程上提倡DRY原則[2]，因此尋找一種能快速開發(fā)出可用的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)對物聯(lián)網(wǎng)廠商來說尤為重要。

得益于LoRaWAN設(shè)備通信標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)關(guān)通信標(biāo)準(zhǔn)。不同家的終端產(chǎn)品、網(wǎng)關(guān)可以在不同平臺上混用。對用戶而言，終端和網(wǎng)關(guān)選擇性多樣，不用綁定固定廠家。因此涌現(xiàn)了很多開源的LoRaWAN終端、網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，這些開源為LoRaWAN的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)提供了極大的便利，縮短了開發(fā)一個(gè)可用的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間和開發(fā)成本。

1 LoRaWAN系統(tǒng)架構(gòu)

LoRaWAN系統(tǒng)架構(gòu)圖1所示，主要由終端、網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器組成。

圖1 LoRaWAN系統(tǒng)架構(gòu)圖

LoRaWAN終端：作為感知探測層，用于采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，執(zhí)行現(xiàn)場指令，是系統(tǒng)末端的執(zhí)行器，也是LoRaWAN系統(tǒng)中個(gè)數(shù)最多的角色，終端按LoRaWAN規(guī)范細(xì)分為3類，含ClassA、ClassB以及ClassC，各適用于不同實(shí)時(shí)性、功耗要求的場合里，電池產(chǎn)品大部分以ClassA為主，實(shí)時(shí)受控產(chǎn)品一般以ClassC為主。

LoRaWAN網(wǎng)關(guān)：網(wǎng)關(guān)作為終端和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的橋接，在LoRaWAN系統(tǒng)里擔(dān)當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)透傳的角色，不做設(shè)備管理等，不像Zigbee/BLE Mesh的入網(wǎng)管理都是直接在網(wǎng)關(guān)設(shè)備上進(jìn)行承擔(dān)處理。

LoRaWAN服務(wù)器：分為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器，其中網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器用于終端設(shè)備的管理、網(wǎng)關(guān)的注冊管理以及對終端產(chǎn)品進(jìn)行自適應(yīng)速率調(diào)節(jié)等，應(yīng)用服務(wù)器側(cè)重在最終產(chǎn)品的應(yīng)用屬性可視化展示，將美觀的UI呈現(xiàn)給用戶。

2 LoRaWAN監(jiān)測系統(tǒng)各組件的快速實(shí)現(xiàn)

2.1 LoRaWAN終端的快速實(shí)現(xiàn)

LoRaWAN終端前幾年主要以MCU+LoRa RF IC來實(shí)現(xiàn)，其中RF IC主要使用Semtech的sx1276、sx1262等，也有SIP封裝的方案如上海翱翔的ASR6501、ASR6502，臺灣群登的S76S、S78S，基于如上方案設(shè)計(jì)的無線模組因芯片體積關(guān)系模組都較大，因此選型當(dāng)下最新的SoC LoRa芯片STM32WLE5CC， 該芯片基于ARM Cortex-M4內(nèi)核，256Kbytes Flash，支持LoRa/FSK調(diào)制方式。溫濕度傳感器選擇中科銀河芯的國產(chǎn)型號GXHT30，該型號軟硬件完全兼容國外SHT30型號。得益于STM的STM32CubeMX軟件，開發(fā)者可以很快地創(chuàng)建基于STM32WL的可用工程模板。終端硬件框圖如圖2所示。

圖2 LoRaWAN終端框圖

硬件無線模組上，針對不同國家適用的頻段不同，分為低頻頻段和高頻頻段2個(gè)版本，硬件區(qū)別主要在芯片天線出口、RF匹配線路上以及所用天線的差異，該部分基本可以參考STM32WL的參考線路進(jìn)行布局。

LoRaWAN軟件上有基于不同硬件平臺的參考實(shí)現(xiàn)，LoRaWAN聯(lián)盟對此提供了開源參考實(shí)現(xiàn)，該方式相比Zigbee/BLE Mesh等而言讓開發(fā)者更容易快速上手并從零實(shí)現(xiàn)一個(gè)可用的LoRaWAN產(chǎn)品，目前市面上的LoRaWAN商用產(chǎn)品也都是參考LoRaWAN聯(lián)盟的參考實(shí)現(xiàn)，該參考實(shí)現(xiàn)放在github的開源倉庫里，在開源倉庫里直接搜索LoRaMacnode名稱即可找到。

LoRaWAN參考實(shí)現(xiàn)提供了入網(wǎng)功能，入網(wǎng)后的上下行功能以及LoRaWAN Mac層的參考實(shí)現(xiàn)，其他方面的功能實(shí)現(xiàn)，如OTA功能，需要開發(fā)者自行制定統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議。得益于STM32WLE5CC的256KBytes Flash，用戶可以很方便地基于內(nèi)部Flash實(shí)現(xiàn)在線OTA功能，無須再額外添加外部Flash。對應(yīng)用層，LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)不像Zigbee有針對應(yīng)用層協(xié)議定義了Zigbee Cluster Library，簡稱ZCL[3]，ZCL里面的定義詳細(xì)到開關(guān)燈的應(yīng)用層指令如何構(gòu)造。BLE Mesh也和Zigbee一樣對應(yīng)用層進(jìn)行定義，BLE Mesh為應(yīng)用層協(xié)議定義的規(guī)范為Model層規(guī)范，該規(guī)范同樣對如開關(guān)燈的應(yīng)用指令構(gòu)造進(jìn)行了詳細(xì)定義。對應(yīng)用層進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范有助于不同家的設(shè)備可以相互兼容，如A家的開關(guān)燈可以識別B家的開關(guān)按鈕。LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)只針對Phy層和Mac層進(jìn)行定義，上層的應(yīng)用層沒有進(jìn)行規(guī)范，應(yīng)用層需要由實(shí)現(xiàn)者來定義，應(yīng)用層協(xié)議的定義主要側(cè)重在編解碼方面，該部分用于平臺和設(shè)備識別要交互的應(yīng)用層指令。一種可用的應(yīng)用編解碼格式如下表1和表2所示。

表1 應(yīng)用層上行包指令幀格式

表2 應(yīng)用層下行包指令幀格式

上行指令格式如下。該格式可以用在大部分情況，特別是傳感監(jiān)測場合，通過事先對ReportType約定定義好，如該字段為1代表溫度類型，2代表濕度類型等，按這樣就可以基于此不斷擴(kuò)展新型傳感器的上報(bào)支持。

下行指令格式如下。

通過對CmdType進(jìn)行約定，如該字段為1代表開，為0代表關(guān)，來滿足該格式不同下行指令的需求，同時(shí)具有對新指令需求的擴(kuò)展性。

2.2 LoRaWAN網(wǎng)關(guān)的快速實(shí)現(xiàn)

LoRaWAN網(wǎng)關(guān)在LoRaWAN系統(tǒng)中主要作為終端和服務(wù)器的橋接中介，負(fù)責(zé)接收來自終端設(shè)備的上行數(shù)據(jù)，將其進(jìn)行IP化傳給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，同時(shí)負(fù)責(zé)接收網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的下行指令并下發(fā)給終端。網(wǎng)關(guān)硬件都是基于Semtech的SX1301/SX1302，Semtech提供了基于Linux系統(tǒng)的驅(qū)動移植參考以及網(wǎng)關(guān)參考板，市面也有很多成熟網(wǎng)關(guān)現(xiàn)成SX1301模塊，通過搭配樹莓派可以很快地搭建一個(gè)可用的LoRaWAN網(wǎng)關(guān)[4]，同時(shí)也有很多商用的現(xiàn)成網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)的參考實(shí)現(xiàn)除了提供驅(qū)動模塊的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也提供了網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通信規(guī)約的實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)有市面上的LoRaWAN網(wǎng)關(guān)都支持Semtech定義的網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的通信規(guī)約，各家網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器也都支持該通信規(guī)約，因此不同家的網(wǎng)關(guān)都能支持不同家的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，網(wǎng)關(guān)在使用上就變得簡單易用，通過修改網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器定向地址就可以輕松連上不同家的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)部分可以直接選用現(xiàn)成sx1301模塊配合樹莓派或者商用的網(wǎng)關(guān)，商用網(wǎng)關(guān)一般都有經(jīng)過相關(guān)產(chǎn)品認(rèn)證如3C、CE、FCC認(rèn)證等，對出口型的用戶來說可以省去很多與認(rèn)證相關(guān)的工作。網(wǎng)關(guān)可以直接選用Sandbox 的LoRaGoPort、Semtech的SX1302CSS915GW1、IMST的Lite Gateway等。

2.3 LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器的快速實(shí)現(xiàn)

得益于LoRaWAN的開放生態(tài)，不管是終端，還是網(wǎng)關(guān)，甚至是LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器都有不少開源實(shí)現(xiàn)方案供參考，如The Things Network（業(yè)界簡稱TTN）、ChirpStack（前身LoRaServer）、ChirpStack的開源Licence是MIT類型，允許任意二次開發(fā)，不用承擔(dān)商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，因此ChirpStack的開源實(shí)現(xiàn)在不少商用上能看到其身影。也有部分網(wǎng)關(guān)直接把開源的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器集成到網(wǎng)關(guān)內(nèi)部，方便部署在一些不連通外網(wǎng)的場合。

LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器為應(yīng)用服務(wù)器對接提供了HTTP RestAPI[5]、MQTT[6]等多種整合方式，因此應(yīng)用服務(wù)器也能利用很多成熟的框架來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測側(cè)重采集終端的數(shù)據(jù)展示，因此應(yīng)用服務(wù)器功能側(cè)重?cái)?shù)據(jù)展示，數(shù)據(jù)展示方面也有很多實(shí)現(xiàn)快速整合的開源方案，如Node-Red以及互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)運(yùn)營后臺應(yīng)用的數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)Grafana[7]，Grafana可視化系統(tǒng)開源免費(fèi)，可自己部署到服務(wù)器上，最重要的是Grafana要可視化展示的數(shù)據(jù)源可以直接在Grafana配置要展示的數(shù)據(jù)庫就可以。因此，只要在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器可視化系統(tǒng)中間，自己開發(fā)一個(gè)中間件，通過中間件把網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的LoRaWAN終端數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫就可以完成可視化系統(tǒng)的快速實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)庫有多種開源實(shí)現(xiàn)，如MySql、Mongodb等。

2.3.1 LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的部署實(shí)現(xiàn)

服務(wù)器一般都部署在Linux系統(tǒng)，如CentOS、Ubuntu等，早些年部署開源方案的服務(wù)器都需要配置一堆環(huán)境才能部署好，花費(fèi)時(shí)間可能幾小時(shí)甚至幾天都有。這幾年隨著docker的興起，服務(wù)器部署與前幾年相比，快捷方便了許多，基本1h內(nèi)就可基于docker部署運(yùn)作起來。如下以開源ChirpStack服務(wù)器在Ubuntu的部署實(shí)現(xiàn)為例。

克隆服務(wù)器docker資源并進(jìn)入下載的目錄

在ChirpStack上注冊網(wǎng)關(guān)設(shè)備后，隨后在網(wǎng)關(guān)的配置文件中修改網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的定向地址到該部署服務(wù)器的地址后，網(wǎng)關(guān)即可連接上部署好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。

給終端設(shè)備供電并開機(jī)，終端設(shè)備會自行通過網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行交互并完成入網(wǎng)操作，隨后按周期上報(bào)當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)。

2.3.2 中間件的快速實(shí)現(xiàn)

ChirpStack網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器提供了MQTT對接支持，因此中間件可以通過實(shí)現(xiàn)MQTT Client來訂閱服務(wù)器的數(shù)據(jù)，基于此中間件便可以通過訂閱相應(yīng)的MQTT主題來獲得LoRaWAN終端上報(bào)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

中間件需要訂閱的Topic規(guī)則如下。

中間件可以通過很多種開發(fā)語言來實(shí)現(xiàn)，如C#、Golang、JavaScript等，使用基于JavaScript的NodeJS可以很快地實(shí)現(xiàn)一個(gè)MQTT中間件，該中間件主要功能為從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器訂閱LoRaWAN終端的上報(bào)數(shù)據(jù)，并將其寫入MySql數(shù)據(jù)庫中以供應(yīng)用服務(wù)器的可視化系統(tǒng)展示使用。

2.3.3 應(yīng)用服務(wù)器展示系統(tǒng)的部署實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用服務(wù)的可視化展示系統(tǒng)使用開源方案Grafana來快速實(shí)現(xiàn)，Grafana開源可視化展示系統(tǒng)的部署實(shí)現(xiàn)也和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器一樣易用快捷，僅需幾個(gè)步驟就可以部署運(yùn)行起來，如下以Grafana部署到Ubuntu服務(wù)器上為例。

在服務(wù)器上部署組件

通過運(yùn)行sudo /bin/systemctl start grafana-server啟動Grafana展示系統(tǒng)，在瀏覽器輸入服務(wù)器IP地址加端口號3000后即可看到展示系統(tǒng)。

配置Grafana可視化系統(tǒng)要展示的數(shù)據(jù)源為MySql，新建要展示的溫度和濕度DashBoard展示面板，同時(shí)對展示面板要展示的屬性和MySql的數(shù)據(jù)字段進(jìn)行關(guān)聯(lián)后即可進(jìn)行展示，LoRaWAN溫濕度終端的展示效果如圖3所示。

圖3 LoRaWAN終端當(dāng)前最新溫度濕度信息展示

該系統(tǒng)還可以根據(jù)不同時(shí)間維度來查看歷史數(shù)據(jù)，如最近一周、最近一個(gè)月、最近一年等，很適合物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化及分析。

3 結(jié)論

該文提出的基于無線LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的快速實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)說明了LoRaWAN終端模塊的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法以及提供了一種可用于不同傳感類型監(jiān)測的統(tǒng)一可拓展應(yīng)用層通信協(xié)議，提供了LoRaWAN網(wǎng)關(guān)的快速實(shí)現(xiàn)方法以及幾種可用現(xiàn)成網(wǎng)關(guān)參考，對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的開源實(shí)現(xiàn)進(jìn)行說明以及實(shí)際部署運(yùn)行說明，最后對應(yīng)用服務(wù)器可視化監(jiān)測系統(tǒng)快速實(shí)現(xiàn)的中間件實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行說明，并對應(yīng)用監(jiān)測展示系統(tǒng)的最終實(shí)際部署運(yùn)行進(jìn)行說明，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特別是無線物聯(lián)網(wǎng)方面存在復(fù)雜多樣性、細(xì)分領(lǐng)域繁多、開發(fā)周期長的特點(diǎn)，希望該文能為快速切入物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)，特別是LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)的愛好者開發(fā)者提供參考。