Docker与ChirpStack在LoRaWan云服务中的应用研究

倪峰，金海峰，苏春芳

（江阴职业技术学院 计算机科学系，江苏 江阴 214405）

0 引 言

LoRa与NB-IoT是目前窄带物联网领域的研究与应用热点。LoRa一种低功耗的广域物联网技术，它采用了扩频调制技术，可实现超远距离的无线传输，且兼顾了低功耗的需求，在智能建筑、智慧城市、智能制造等领域有着广阔的应用前景。Cisco、IBM和Semtech共同发起了LoRaAlliance联盟，制定了LoRaWan标准规范。国内的中兴通讯、腾讯、阿里等企业也纷纷加入LoRaWan的阵营，成立了CLAA联盟，制定适合中国国情的技术标准，成为全球最大的LoRa物联网生态圈。LoRa工作在非授权频段，按照LoRaWan Regional Parameters标准，中国地区有2个ISM免费频段，分别为CN779-787和CN470-510，其中CN779-787最大功率仅为10 dBm，实际利用价值不高，CN470-510最大发射功率可达17 dBm，是部署LoRaWan的最佳频段。

如图1所示，LoRa节点与LoRa网关之间组成星型拓扑结构，网关负责节点数据的透传，网关与LoRaWan Server之间通过IP网络进行通信，LoRaWanServer负责网关接入控制、LoRaWan协议解析、RF数据包的收发、数据加密与解密、数据存储、应用层下行指令的转发等工作。部分网关内嵌了LoRaWanServer功能，但功能较弱。目前TTN、腾讯云、阿里云、华为云等物联网开发平台提供LoRaWanServer功能，也可搭建开源的云服务器如ChirpStack。ChirpStack的前身为著名的开源项目LoRaServer，可通过租用阿里的ECS云服务器、腾讯的CVM云服务器等进行公有云的搭建部署，并实现域名访问，也可在内部网络中搭建私有云平台。ChirpStack的使用非常灵活，且安全性高，主要包括PostgreSQL、Redis、Mosquitto等软件模块，一般部署在Linux环境中，但安装较为烦琐，后续维护卸载不便，为此国内的锐米通信等曾发布开源的LoRaServer一键安装包。随着Docker容器技术的发展，提供了更为便捷、轻量化、可移植的解决方案，在本地配置好的镜像可部署在其他Linux版本的环境中，系统耦合度低，轻便灵活，因此Docker技术目前成为LoRaWan云平台构建的研究热点。本文使用Docker容器技术在Ubuntu上安装部署ChirpStack环境，硬件层选用南京易通汇联的TJ81 LoRa网关和XC20 LoRa节点，节点使用ClassA工作模式，选用OTAA入网方式，网关接收通道的中心频点为475 MHz，发射通道中心频点505 MHz，发射和接收通道左右各5 MHz的带宽。客户端可通过MQTT协议或访问ChirpStack提供的Restful API实现数据的上下行。

图1 LoRa的网络架构

1 基于Docker的ChirpStack云平台构建

虚拟化实现了在当前操作系统中模拟运行其他操作系统的功能，传统的虚拟化技术如VMWare、VisualBox等，依赖于物理CPU和内存，是硬件级别的虚拟化，存在占用资源多、运行慢等缺点。而Docker容器并非模拟完整的操作系统，通过Linux提供的命名空间对不同的容器进行隔离，实现了操作系统级别的虚拟化，通过开源的应用程序容器引擎，将程序和依赖包整合在一个文件中，运行此文件生成一个虚拟容器，程序在此虚拟容器中运行，可发布到任何Linux环境中，容器使用沙箱机制，容器之间不存在任何接口，容器性能开销较低。

Docker由镜像、容器、仓库三部分构成，镜像是一个最小root文件系统，是静态的概念，而容器则是镜像运行时的实体，仓库是代码控制中心，用于保存镜像。如图2所示，Docker使用C/S架构，Docker客户端与本地或者远端主机的守护进程进行通信，守护进程负责构建和维护容器，当需要构建Docker容器时，守护进程从仓库中拉取镜像，镜像可以存放在Docker官方提供的DockerHub中，也可以存放在私有仓库中。守护进程得到镜像后，生成Container容器，容器拥有独立的root文件、进程空间等，用户程序可以在容器中独立运行。也可以将构建好的镜像推送到仓库中，便于在其他主机上部署和使用。

图2 Docker的架构

Docker存储库中保存了安装Docker所需组件，可通过HTTPS方式从Docker存储库上拉取安装包自动安装，安装需要root权限，主要流程如图3所示，相关命令由于篇幅所限不再赘述。

图3 Ubuntu下Docker组件安装流程

安装完Docker后，从github上拉取ChirpStack代码到本机，完成ChirpStack组件的安装。拉取成功后会在用户目录下生成chirpstack-docker目录，在该目录下运行sudo docker-compose up命令，在容器中运行ChirpStack组件。

2 ChirpStack云平台的配置与部署

在Docker容器中运行ChirpStack相应组件，容器中运行了以下进程：（1）chirpstack-network-server：LoRaWan网络服务器。（2）chirpstack-gateway-bridge：LoRaWan网关通信。（3）chirpstack-application-server：LoRaWan应用服务器。（4）mosquitto：MQTT消息代理。（5）redis：会话存储。（6）postgresSQL：数据存储。

按照LoRaWan标准约定，中国地区使用470～510 MHz的频率范围，本文使用的TJ81网关遵循相关协议，因此需要设置相应参数，将chirpstack-docker/dockercompose-env.yml配置文件中的NETWORK_SERVER__BAND__NAME字段以及chirpstack-docker/configuration/chirpstack-network-server/chirpstack-network-server.toml中的network_server.band字段的默认值EU868（欧洲）修改为CN_470_510（中国），并将默认的欧洲频段删除。

ChirpStack提供Web界面便于用户自定义配置，主要业务流程如图4所示。创建Network-server后需将访问地址修改为chirpstack-network-server：8000。创建Gateway-profiles后将其与Network-server关联，同时设置网关监听信道号。本文使用的TJ81 LoRa网关设置的起始频点为472.3 MHz，按照LoRaWan Regional Parameters V1.0标准的约定，设置Gateway-profile对应的信道号为10至17，共8个信道号，匹配TJ81网关所监听的8个物理信道，上行频率范围：472.3 MHz～473.7 MHz，下行频率范围：502.3 MHz～503.7 MHz，信道频率间隔200 kHz。Service-profiles负责管理服务配置文件，用于定义用户和组织在网络服务器上能使用的功能。Device-profiles负责设置设备功能和启动参数，设置LoRaWan MAC version为目前流行的1.0.2版本，设置LoRaWanRegionalParametersversion为版本A。LoRa节点支持OTAA和ABP两种入网方式。OTAA入网方式需要节点向NS发送Joinrequest报文，报文中包含DevEUI、AppEUI和AppKey三个参数，DevEUI为节点的身份唯一标识，AppEUI为应用ID，AppKey用于节点计算会话秘钥。节点发送的Joinrequest报文经网关透传至NS后，若NS判断为合法请求，则会下发Joinaccept报文，经网关转发至节点，节点从中解析出devAddr、appSkey和nwkSkey，其中devAddr为LoRa节点的唯一短地址，其余两个参数用于数据加密使用。相对而言，ABP的入网方式则简单许多，直接将devAddr、appSkey和nwkSkey这三个参数配置给ABP终端节点，这三个加密参数将固定不变，相对而言OTAA终端节点每次入网时会动态改变加密参数，安全性高。可见OTAA入网方式相对复杂，安全性高，而ABP方式简化入网方式，安全性相对较弱，但由于OTAA入网方式需要接收NS的Joinaccept报文，在一些信号较弱的环境中，可能会导致数据丢包的情况发生，而采用ABP入网方式相对稳定，故这两种入网方式有各自的优缺点。节点设备有ClassA、ClassB和ClassC三种类型，ClassA数据上行后短暂打开2个接收窗口，其余时间一直处于休眠状态，优点是省电，但下行数据的实时性受限，若错过本次接收窗口时间，需等到下次数据上行时才能接收下行数据。ClassB具备ClassA的特点，可根据网关接收的时间同步Beacon信标打开接收窗口，其余时间休眠，下行数据的延迟问题有所提高，设备相对省电。ClassC设备的接收窗口时刻处于打开状态，能实时接收下行数据，但最为耗电。本文使用的XC20节点采用ClassA工作模式，采用OTAA入网方式，故在此步骤完成相应设置。接下来创建和命名网关，将网关设备与先前创建的Network-server、Service-profile、Gateway-profile相关联，并输入网关设备的ID。最后创建Application，命名并关联Serviceprofile，并将节点设备添加到Application中，为节点设备配置DevEUI和AppKey，并关联对应的Device-profile。当节点入网后，可在Application中查看到入网数据信息。

图4 ChirpStack部署流程

3 节点数据上下行验证

本文中LoRa节点型号为XC20，使用STM32L431CBT6作为主控芯片，使用SEMTECH的SX1278无线扩频芯片，最大发射功率19 dBm，RSSI -140 dBm，半双工通信，通信距离超过3千米，通过UART进行AT指令交互。网关型号为TJ81，使用SX1301无线扩频芯片，8路上行通道、1路下行通道，半双工通信，最大发射功率24 dBm。网关的起始频点、ID、服务器IP等必须与ChirpStack配置信息一致。先进行入网状态查询，向节点发送“AT+JOIN?”，若返回“+JOIN：1”表示入网成功，可进行数据收发，若返回“+JOIN：0”表示入网失败，则需进行检查排故。入网成功后可进行数据的传输，数据将进行BASE64加密，向节点发送“AT+UNCONMSG=数据”或“AT+CONMSG=数据”即可将数据经网关转发至ChirpStack，区别在于是否需要对上行数据进行应答。如图5所示，节点上行数据后，可在Application中对应的节点下的LoRaWan Frames内实时查阅节点上行数据。如需进行数据下行，则需借助MQTT协议实现，通过MQTTBox工具，可实现Topic的推送和订阅，进行数据的上下行。也可通过MQTT协议开发用户层应用程序。

图5 LoRaWan节点入网与数据响应

4 结 论

本文通过Docker容器技术将ChirpStack部署在Ubuntu系统下，实现了LoRaWan云服务，对比分析了Docker技术与VM技术的特点，对ChirpStack云服务的部署进行了详细阐述，对LoRa节点的入网方式和工作模式进行了分析和选型，实现LoRa节点数据的上下行。经验证，ChirpStack在Docker容器中运行稳定，可方便的部署在本地或阿里云等服务器上。后续将对LoRa的传感层数据采集与传输以及应用层程序的开发做进一步研究。