基于开源软件的LoRaWAN物联网实验方案探究

司长明 王长莲

摘要：本文探究了一种使用开源的LoRaWAN服务器ChripStack和开源的物联网平台ThingsBoard，利用ChripStack提供的“LoRaWAN网络的开源组件”，实现跨网关不同LoRa节点间的通信，及读取节点数据和发送数据给节点的功能。

关键词：开源;LoRa;LoRaWAN

中图分类号：TN929.5;TP391.44   文献标识码：A   文章编号：1672-9129（2020）16-0102-01

1 LoRa与LoRaWAN

LoRa（Long Range Radio）是一种远距离无线通信技术，主要在ISM频段运行，包括433、868、915 MHz等，具有通信距离远（最远可达15km），功耗低（10-20电池使用寿命），多节点（一个LoRa网关理论上可连接数千个节点），抗干扰能力强等优点，其总体性能在小范围内（如工厂的厂区内）表现地非常好。

LoRaWAN是基于LoRa远距离通信网络设计的一套通讯协议和系统架构，是一套数据交互的协议标准，定义了LoRaWAN节点，LoRaWAN网关，LoRaWAN Server之间的通信，可以实现不同网关之间的通信，进而实现不同网关下LoRa节点之间的通信。

2 方案框架及数据传输流程

本文主要探究的是使用开源LoRaWAN服务器ChripStack和开源的物联网平台ThingsBoard相结合，利用开源的物联网编程工具Node-RED来编写控制逻辑，实现多个LoRa网关连接到云端并进行不同网关之间的通信。基于ChripStack的LoRaWAN拓扑结构图如图1所示。

图1中，LoRa节点表示通过传感器采集环境信息的设备，这些可以是：测量空氣质量，温度，湿度，可燃气等信息的设备;LoRa网关是多个LoRa节点之间相互通信的媒介，可以接收节点数据及发送数据给节点;在LoRa网关上运行的有一个网关与Server间的包转发器，负责接收和发送数据，称为Packet Fowarder，一般使用开源应用Semtech UDP数据包转发器;ChirpStack网关桥位于数据包转发和MQTT代理之间，它将数据包转发格式（如Semtech UDP数据包转发器协议）转换为ChirpStack组件使用的数据格式，还提供了与各种云平台的集成方式;MQTT是一种基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议，具有低开销、低带宽占用、轻量、简单、开放和易于实现的特点，使其在M2M通信、物联网（IOT）、小型设备等方面有较广泛的应用，而Pub/Sub broker是MQTT的消息代理服务器，主要用于中转多个设备之间的消息，也称为MQTT的服务器;ChirpStack网络服务器是一个LoRaWAN的网络服务器，负责管理网络的状态，能够在网络上将连接的设备激活，并且能够在设备要加入网络时处理加入请求，完成节点的入网及将数据发送给指定的网关;ChirpStack应用服务器是一个LoRaWAN应用服务器，可以通过高性能、开源和通用的RPC框架gRPC与ChirpStack网络服务器完成通信，ChirpStack应用服务器主要提供了用于管理用户，组织，应用程序，网关和设备的Web界面和API;ThingsBoard是一个开源的物联网平台，使用行业标准物联网协议（MQTT，COAP和HTTP）实现设备连接，并支持云和本地部署，能够收集数据并对数据进行可视化展示，主要用于数据收集、处理、可视化展示以及设备管理等;Node-RED是IBM在2013年末开发的一个开源项目，现在已经发展成为一个较为开放的物联网开发工具，它是基于流的编程模型，其可视化编程方法，能够满足快速连接硬件和设备到Web服务和其他软件的需求，也被称为物联网的“粘合剂”，Node-RED能够与ChirpStack配合，结合ThingsBoard平台和LoRaWAN网关设备，完成对不同物联网应用场景模型下设备控制逻辑的实现，达到可视化编程来控制物联网设备的目标。

具体的数据传输流程如下：LoRa节点设备通过传感器将采集到的数据（空气质量、温度、湿度、光照、可燃气等）发送给LoRa网关（其可以接收/发送多个节点的数据），LoRa网关将数据通过数据包转发器（Packet Forwarder：常见实现是Semtech UDP数据包转发器）通过UDP发送给ChirpStack网关网桥，ChirpStack网关网桥位于数据包转发和MQTT代理之间，主要将数据包转发器格式转换为ChirpStack组件使用的数据格式，ChirpStack网关网桥使用MQTT协议通过消息代理服务器（Broker）将数据发送给ChirpStack网络服务器（负责管理网络的状态），ChirpStack网络服务器可以通过采用高性能RPC框架gRPC将数据传输给ChirpStack应用服务器，ChirpStack应用服务器将收到的上行链路数据转发到一个或多个已配置的集成，这里面使用的是Thingsboard，它可以使用ChirpStack应用服务器API来调度下行链路的相关LoRa节点设备，最终用于分析数据、发出警报、数据可视化以及触发相关操作等。

3 结语

本文根据作者在新大陆集团有限公司企业一线实践经历，探究了一种基于开源软件来实现LoRa远距离无线通信的实验方案，采用开源框架的设计能够帮助学生学习开源知识，加强学生创新性的培养，增强学生的专业技能。

参考文献：

[1]杨心元，杜丹，王凯.基于LoRaWAN-Server的态势呈现平台设计[J].计算机与网络，2020，46（16）：55-57.

[2]刘映江，胡泽.基于LoRaWAN物联网技术的农田监测系统设计[J].数字通信世界，2017（12）：120.

[3]龚天平.LORA技术实现远距离、低功耗无线数据传输[J].电子世界，2016（10）：115+117.