NB-IoT/LoRa窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術第8章

LoRa實驗設備研究與使用教學目標知識目標了解LoRa模組的形態(tài)與實現(xiàn)了解LoRa終端的設計原理與特點了解LoRa網(wǎng)關的架構與安裝使用能力目標具備開闊、靈活的思維能力具備積極、主動的探索精神具備嚴謹、細致的工作態(tài)度8.1LoRa模塊介紹LoRa模塊為基于LPWAN的遠距離無線通信模塊，支持LORAWAN標準協(xié)議，串口數(shù)據(jù)透傳雙向通訊，主要應用在智能抄表、智慧路燈、智慧農(nóng)業(yè)、智能停車、智能安防等領域。8.1.1模塊產(chǎn)品介紹LoRa模塊集成了LoRaWANTM協(xié)議棧，符合LoRaAlliance發(fā)布的LoRaWANTMSpecification1.0.2ClassA\B\C協(xié)議標準與CLAA發(fā)布《TES-003-CLAA對中國470M-510M頻段使用技術要求V1.3.9》的應用規(guī)范。模塊采用串行接口與用戶設備進行數(shù)據(jù)、指令交互，可以方便地為用戶提供快速LoRaWAN網(wǎng)絡接入和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。模塊固件功能框圖如圖8-1所示8.1.1模塊產(chǎn)品介紹圖8-1模塊固件功能框圖開發(fā)板整體由充電電路、DC-DC電源、MCU、lorawan模塊、傳感器、按鍵指示燈、外部擴展液晶接口組成，結構框如圖8-2所示：8.1.2LoRa開發(fā)板介紹開發(fā)板硬件接口如圖8-3所示：8.1.2LoRa開發(fā)板介紹圖8-3開發(fā)板接口說明開發(fā)板接口詳情如表8-4所示：8.1.2LoRa開發(fā)板介紹1LED指示燈8電源選擇按鍵2K1按鍵9串口轉USB接口3K2按鍵10MCU燒寫口4UART2（MCU）àUSB11LCD接口5UART1（MCU）àUSB12GPS模塊（選貼）6LPUART1（NODE）àUSB13GPS天線接口7復位按鍵14Lora天線接口該開發(fā)板含有一個開放的MCU（STM32L476）,學習者可以在這個MCU內進行任意程序的開發(fā)。物聯(lián)網(wǎng)涉及各行各業(yè)，業(yè)務復雜多樣，涉及的物聯(lián)網(wǎng)終端也是多種多樣。很多物聯(lián)網(wǎng)終端廠家能夠提供一體化物聯(lián)網(wǎng)終端，比如：獨立式煙感、智能水表、智能電表、井蓋、地磁等。除此之外，靈活多用的通用傳感器硬件平臺也是物聯(lián)網(wǎng)業(yè)界研究的方向。通過一個通用硬件平臺，實現(xiàn)統(tǒng)一的無線LoRa通訊，提供多種接口適配行業(yè)各種各樣的傳感器，集多種業(yè)務功能于一身，能夠大幅減低傳統(tǒng)行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)化的門檻。8.2

LoRa終端介紹中興克拉正是基于此理念，提供通用傳感裝置平臺GSP（GeneralSensorPlatform），該平臺目標是：通過GSP平臺二次開發(fā)，能夠低成本、快速地滿足客戶定制化需求；能夠滿足三路多種信號的輸入處理和對外控制；滿足絕大部分場景防護等級和多種供電方式。8.2.1

終端概述GSP平臺產(chǎn)品主要組成：主控板、電源板或電池、AES（ApplicationExtendedSubcard）子卡（可選）、AFE（AnalogFrontEnd）子卡（可選）、機殼、LoRa天線、外接各種傳感器。8.2.2

終端功能詳解圖8-4GSP產(chǎn)品外觀圖GSP產(chǎn)品內部結構如圖8-5所示：8.2.2

終端功能詳解圖8-5GSP產(chǎn)品內部結構組成GSP平臺主控板可以滿足三路多種信號直接輸入處理，包括：I2C、UART、ADC、DIO；還可以直接提供2.4V、3.3V、5V、VBAT多種電壓供電。主機性能參數(shù)如表8-5：8.2.2

終端功能詳解序號參數(shù)類型技術指標1LoRa工作頻率470MHz~510MHz2LoRa通信速率292bps~5.4kbps（@125kHz）3LoRa接收靈敏度SF12≤-138dBm4LoRa發(fā)射功率最大17dBm5LoRa工作模式半雙工，同頻6LoRa天線增益-2dBi7LoRa天線形式外置天線，SMA連接8LoRa天線尺寸Φ10*80mm9傳感器接口M20接口，3個10電源輸入接口M20接口，1個11整機尺寸162*108*46mm12待機功耗10uA13防水防塵IP67LoRa網(wǎng)關是LoRaWAN網(wǎng)絡接入側設備，負責接入各種符合LoRaWAN協(xié)議的各類物聯(lián)網(wǎng)終端。LoRaWAN網(wǎng)關（LoRaWANGateway）在LoRaWAN網(wǎng)絡中的位置如圖8-6所示：8.3

LoRa網(wǎng)關介紹8.3.1

網(wǎng)關概述物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)關IWG200（IoTWirelessGateway）主要功能：接入各類LoRa應用節(jié)點，實現(xiàn)鏈路安全、數(shù)據(jù)加密通訊、壓縮等功能，支持3G/4G及有線FE數(shù)據(jù)回傳，支持WIFI就近無線配置管理，支持GPS/BeiDou定位并提供授時功能，支持220V市電、POE、太陽能等多種方式供電。IWG200主機單元性能參數(shù)如表8-7所示8.3.1

網(wǎng)關概述表8-7IWG200主機單元性能參數(shù)表序號參數(shù)技術指標1工作頻率470MHz~510MHz2通信速率292bps~5.4kbps（@125kHz）3接收靈敏度SF7≤ -126dBmSF10 ≤ -136dBmSF12 ≤ -140dBm4發(fā)射功率17dBm（天線口23dBmMax）5業(yè)務信道8ch上行，1ch下行6工作模式全雙工/半雙工，同頻/異頻7定位功能GPS/BeiDou定位并授時8數(shù)據(jù)回傳3G/4G、FE可選9整機功耗5W（典型值）10工作溫度-40~75℃11整機尺寸180*200*55mm12防水防塵IP6613供電方式可選市電供電、POE供電、光伏供電14無線管理支持WIFI就近管理，遠程版本升級8.3.2

網(wǎng)關安裝說明IWG系統(tǒng)由主機單元IWG200、交流電源模塊單元ADM300、電源防雷模塊單元PIM200、天線套件、天饋避雷器、安裝支架背板等構成，如右圖所示。8.3.2

網(wǎng)關安裝說明IWG200主機接口說明如圖8-8所示。圖8-8IWG200主機接口說明圖8.3.2

網(wǎng)關安裝說明指示燈功能說明如下描述：自檢：系統(tǒng)上電硬件自檢，各LED燈依次閃爍，自檢完成后僅電源燈長亮。PWR：電源指示燈。開機常亮藍色。WNS：MSP指示燈。綠燈常亮：網(wǎng)關和MSP服務器建鏈成功；紅燈常亮：網(wǎng)關和MSP建鏈失敗。WBS：LTE指示燈。綠燈常亮：LTE鏈路正常；綠燈閃爍：LTE鏈路有數(shù)據(jù)；紅燈：LTE鏈路異常；不亮：未插入SIM卡。8.3.3

網(wǎng)絡性能測試IWG200網(wǎng)關安裝完成后，可以用專用測試終端MWTT20進行網(wǎng)關覆蓋性能測試。MWTT20如圖8-13所示：圖8-13測試終端MWTT20測試圖8.3.3

網(wǎng)絡性能測試T20測試終端測試指標含義如下描述：FREQ：發(fā)射使用的頻點SF：發(fā)射使用的擴頻因子PWR：發(fā)射功率FCNU：發(fā)包計數(shù)（0-65535）FCND：收包計數(shù)（0-65535）RSSI：終端接收信號強度指示8.3.3

網(wǎng)絡性能測試SNR：終端接收信噪比UP_LOSS：上行丟包計數(shù)DOWN_LOSS：下行丟包計數(shù)GWN：收到終端數(shù)據(jù)包所有網(wǎng)關的數(shù)量GW_EUI（網(wǎng)關ID）:發(fā)給終端數(shù)據(jù)的網(wǎng)關ID后4個字節(jié)GW_RSSI：網(wǎng)關接收最優(yōu)的信號強度指示GW_SNR：網(wǎng)關接收最優(yōu)的信噪比8.3.3

網(wǎng)絡性能測試覆蓋距離測試：以網(wǎng)關為中心，逐漸拉遠T20與網(wǎng)關的距離（最遠可以拉遠到15公里，一般是通過駕駛車輛進行路測），根據(jù)上下行的丟包數(shù)據(jù)統(tǒng)計，評估網(wǎng)絡覆蓋情況，極限情況為丟包率不大于10%。8.4.1LoRa網(wǎng)絡服務器概述1.LoRaWAN網(wǎng)絡架構中的網(wǎng)絡服務器LoRaWAN網(wǎng)絡服務器是LoRaWAN的核心網(wǎng)元，負責整個網(wǎng)絡的連接管理和控制，安全接入終端，并將數(shù)據(jù)分發(fā)到用戶應用8.4.1LoRa網(wǎng)絡服務器概述2.網(wǎng)絡服務器角色和功能定義LoRaWAN網(wǎng)絡服務器共有4種角色：NS（NetworkServer，網(wǎng)絡服務器）AS（ApplicationServer，應用服務器）NC（NetworkController，網(wǎng)絡控制服務器）JS（JoinServer，注冊服務器）8.4.2LoRa網(wǎng)絡服務器功能詳解3.網(wǎng)絡服務器功能詳解

LoRaWAN網(wǎng)路服務器作為LoRaWAN的核心連接控制設備，處于整個網(wǎng)絡的中心位置。對終端側，通過網(wǎng)關以星型組網(wǎng)方式接入LoRa終端；對應用側，通過AS網(wǎng)元對外接入客戶服務器CS。LoRaWAN網(wǎng)路服務器實現(xiàn)LoRa協(xié)議棧，將LoRa終端數(shù)據(jù)完成解碼，上行轉發(fā)給CS，同時也將來自CS的數(shù)據(jù)編碼成LoRa協(xié)議幀，下行轉發(fā)給LoRa終端。LoRa網(wǎng)絡服務器InfiLink平臺邏輯功能8.4.2LoRa網(wǎng)絡服務器功能詳解3.1.網(wǎng)絡連接域該域實現(xiàn)對LoRa網(wǎng)關和LoRa終端的連接管理功能：LoRa網(wǎng)關接入連接管理與狀態(tài)監(jiān)控LoRaWAN終端的LoRaWANMAC層協(xié)議處理Mote速率自適應控制Mote連接上下文管理Mote上行消息鑒權/去重/路由Mote下行消息緩存/路由Mote注冊及鑒權放號Mote會話密鑰生成與發(fā)放8.4.2LoRa網(wǎng)絡服務器功能詳解3.2.應用連接域該域實現(xiàn)對各客戶應用服務器的連接管理，數(shù)據(jù)分發(fā)管理功能：應用服務器接口連接管理、狀態(tài)維護和數(shù)據(jù)分發(fā)應用數(shù)據(jù)分發(fā)，包括上行數(shù)據(jù)的發(fā)送和下行數(shù)據(jù)的接收應用的連接接入進入鑒權應用數(shù)據(jù)幀的加解密Mote上行消息緩存8.4.2LoRa網(wǎng)絡服務器功能詳解3.3.網(wǎng)絡管理域該域實現(xiàn)對LoRaWAN整個網(wǎng)絡的管理功能：網(wǎng)路服務器內部各模塊管理維護LoRa網(wǎng)關開通管理和運行狀態(tài)監(jiān)控LoRa網(wǎng)關物理參數(shù)、無線參數(shù)的設置Mote設備管理、運行上下文監(jiān)測LoRa網(wǎng)絡覆蓋分析LoRa網(wǎng)絡負荷監(jiān)控8.4.3網(wǎng)絡服務器連通性測試這部分結合中興克拉的LoRa網(wǎng)絡連接管理平臺（InfiLink）、測試模擬工具LoadTester來介紹LoRaWan網(wǎng)絡服務器的連通性測試過程，該平臺云化部署，免費使用。請登錄官網(wǎng)，聯(lián)系我們，免費下載使用：/web/index.php/service/technology8.4.3網(wǎng)絡服務器連通性測試測試目的

了解和掌握使用LoRa測試終端或測試工具LoadTester進行LoRa網(wǎng)絡連通性測試快速驗證網(wǎng)絡服務器基本的數(shù)據(jù)轉發(fā)功能。測試內容

驗證LoRaWAN網(wǎng)絡服務器的數(shù)據(jù)轉發(fā)功能，包括LoRa終端的注冊幀、上行數(shù)據(jù)幀、下行數(shù)據(jù)幀的收發(fā)過程。8.4.3網(wǎng)絡服務器連通性測試測試步驟：(1)設置InfiLink對外接入LoRa網(wǎng)關和CS的通信地址，啟動InfiLink服務器所有網(wǎng)元進程，包括NS、AS、JS等進程；(2)編輯LoadTester測試腳本文件commandfile.txt，設置好InfiLink通信地址，分配測試用LoRa網(wǎng)關、應用和終端，并設定測試時長；(3)啟動LoadTester開始測試；(4)LoadTester會依據(jù)測試腳本順序完成LoRa網(wǎng)關、應用和終端在InfiLink網(wǎng)絡服務器的開通和模擬LoRa終端注冊，并在設定的時長和發(fā)包頻率，持續(xù)模擬LoRa終端上下行數(shù)據(jù)收發(fā)和CS的數(shù)據(jù)收發(fā)。(5)觀察LoadTester測試終端界面，可驗證InfiLink數(shù)據(jù)轉發(fā)是否正常；8.5.1

LoRa應用管理平臺概述

LoRa應用管理平臺為LoRa物聯(lián)網(wǎng)應用提供統(tǒng)一綜合性平臺支撐和管理框架，對于上層業(yè)務應用屏蔽底層數(shù)據(jù)協(xié)議的差異，使得各類應用系統(tǒng)可以快速部署和運行。主要設計目標包括如下幾點：提供統(tǒng)一的項目應用管理和開通功能，實現(xiàn)應用管理的集中化、快速化；提供統(tǒng)一的項目應用管理和業(yè)務管理入口，方便系統(tǒng)訪問和操作維護；提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)解析框架和解析插件，靈活支持各類傳感器數(shù)據(jù)解析和設備接入；提供統(tǒng)一的業(yè)務流程和消息分發(fā)框架，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可擴展性、靈活性提供統(tǒng)一的能力開放接口，支持不同系統(tǒng)互聯(lián)互通，促進物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)蓬勃發(fā)展。8.5.2

LoRa應用管理平臺框架

LoRa物聯(lián)網(wǎng)應用管理平臺通常采用分層架構設計，同時引入微服務設計思路和理念，支持分布式部署。應用管理平臺的服務形態(tài)通常表現(xiàn)為PaaS平臺或SaaS平臺，以降低物聯(lián)網(wǎng)上層業(yè)務應用的開發(fā)和部署難度。8.5.3

LoRa應用管理平臺功能（項目管理）1.項目配置：物聯(lián)網(wǎng)應用管理平臺通常采取以項目為單位的管理模式，即首先創(chuàng)建一個項目，然后基于項目進行設備配置和管理；2.應用配置：LoRa物聯(lián)網(wǎng)中，應用可依據(jù)應用標識（AppEUI）來區(qū)分，不同的AppEUI對應不同的應用。一個項目可包含一個或多個應用。3.終端配置：LoRa設備配置主要是配置帶有LoRa模組的傳感終端，基礎信息包括設備標識（MoteEUI）、設備應用根密鑰（AppKey）、行為模板、服務模板、設備類型（A/B/C類）、LoRa版本等。4.網(wǎng)關配置：LoRa網(wǎng)關配置主要是配置網(wǎng)關的標識（GWEUI）、網(wǎng)關認證密鑰（GWKey）、網(wǎng)關名稱、網(wǎng)關安裝位置等信息。設備和應用配置完成并開通后，支持通過應用平臺對其進行管理和維護，包括設備狀態(tài)的查詢、維護，設備的增、刪、改、查、導入、導出等。8.5.4

LoRa應用管理平臺功能（應用管理）業(yè)務應用管理功能包括拓撲展示、數(shù)據(jù)查詢分析、門限預警、指令下發(fā)、策略控制等。拓撲展示數(shù)據(jù)查詢分析門限預警策略控制與指令下發(fā)8.6.1智能滴灌端到端設計實驗智能滴灌系統(tǒng)是基于LoRa網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)技術，通過土壤溫濕度傳感器實時監(jiān)控土壤的濕度指標。云端服務器根據(jù)濕度指標值判斷是否在合理區(qū)間，通過智能滴灌系統(tǒng)，自動調整土壤溫濕度，改善土壤環(huán)境。8.6.2LoRa網(wǎng)絡環(huán)境搭建步驟核心網(wǎng)部署：包括JS、NS、AS、GWIF、GWM、CSIF、OMC、BIF等服務模塊。網(wǎng)關部署：是連接LoRa傳感終端設備和LoRa核心網(wǎng)之間的關鍵系統(tǒng)。應用平臺部署：實現(xiàn)傳感設備的開通管理、數(shù)據(jù)解析、設備控制等系列化功能。傳感器設備選型：見下表設備數(shù)量說明GSP平臺設備1通用傳感器平臺AES20DTU101溫