Lorawan调试纪要

Lorawan基础概念

1.1 lorawan简介及扩频技术

LoRaWAN是为LoRa远距离通信网络设计的一套通讯协议和系统架构。

Lora 扩频技术：通过注入一个更高频信号将基带信号扩展到更宽的频带，它的基本特点是其传输信息所用信号的带宽远大于信息本身的带宽。

扩频计数常用设置参数及术语：带宽(BandWidth)、SNR(信噪比)、RSSI（接收信号强度指示）、扩频因子（SF）、编码率（CR）等

1.2 Lorawan 网络架构

LoRaWAN的网络实体分为四个部分: 终端节点、网关、LoRaWAN服务器（包含NS、AS）和用户服务器。

End Node: 终端节点一般是各类传感器，进行数据采集，开关控制等。

Gateway: LoRa网关，对收集到的节点数据进行封装转发。

NS（NetworkServer）: 主要负责上下行数据包的完整性校验。

AS（ApplicationServer）: 主要负责OTAA设备的入网激活，应用数据的加解密。

CS（CustomerServer）: 从AS中接收来自节点的数据，进行业务逻辑处理，通过AS提供的API接口向节点发送数据。

1.3 LoRaWAN终端设备分类

根据协议规定有 Class A/B/C 三类终端设备，这三类设备基本覆盖了物联网所有的应用场景。CLASSA/B/C的应用和区别如下：

1.4 LoRaWAN终端设备入网

在LoRaWAN中，node最终和服务器能够正常数据交互，需要先入网，入网的本质，也就是获得一些通信相关的参数，有以下几个：

NwkSKey：用于数据的校验，也就是说在MIC校验时会用到
AppSKey：用于负载的AES加密，也就是说在加密解密时会使用到
DevAddr：是node的短地址，在数据通讯时，使用的是node的短地址
DevEUI：在ABP入网方式的通讯中不会使用，在OTAA方式中会使用到，是由设备在入网前就产生了。在入网时，node将DevEUI上传，然后服务器会将此DevEUI注册并返回一个DevAddr，也就是说DevAddr此时和DevEUI就建立了映射关系，在node后续的通讯中，使用DevAddr。

LoRaWAN入网方式有两种:

ABP (Activation By Personalization，个性化激活)
OTAA(Over-The-Air Activation，空中激活)

1 ABP
ABP是一种简单的入网机制，同时，它也不太安全，适合于建设私网。

这种方法比较简单粗暴，直接配置 DevAddr，NwkSKey，AppSKey 这三个LoRaWAN最终通讯的参数，不再需要join流程。在这种情况下，这个设备是可以直接发应用数据的。

2 OTAA

需要设置的参数

DevEUI(设备唯一标识符, Server与Node预先存储)
AppEUI(应用唯一标识符, Server与Node预先存储)
AppKey(Server和Node都要预先存好, 用于对join_accept message的加解密还有node用于生成AppSKey和NwkSKey)

OTAA方式入网的node，在刚上电的时候，是不处于入网状态的，此时就需要进行入网操作。

如果我们简单的把服务器看做一个整体，那么入网操作的流程是这样的：

node 发送入网请求，即join_request message
GW 收到 node 的数据，上传给服务器
服务器收到入网请求，同意入网，并且将设备在服务器注册，建立长地址与短地址之间的联系，生成通讯密钥，将通讯密钥的参数打包下发给GW，即 Join-accept message
GW 收到服务器的数据，下发给 node
node 根据下发的数据包，得到 DevAddr、APPSKEY、NWKSKEY

1.5 LoRaWAN终端设备数据传输

这是Class A 上下行的时序图，目前接收窗口RX1一般是在上行后1秒开始，接收窗口RX2是在上行后2秒开始。

Class C 和 A 基本是相同的，只是在 Class A 休眠的期间，它都打开了接收窗口RX2

Class B 的时隙则复杂一些，它有一个同步时隙beacon，还有一个固定周期的接收窗口ping时隙。如这个示例中，beacon周期为128秒，ping周期为32秒

加网之后，应用数据就被加密处理了。
LoRaWAN规定数据帧类型有 Confirmed 或者 Unconfirmed 两种，即需要应答和不需要应答类型。厂商可以根据应用需要选择合适的类型。
终端节点每次发送数据包都要随机切换信道，切换信道可以有效降低同频干扰和无线信号衰减。
发送占空比(DutyCycle) 不同国家和地区, 在ISM频段, 每个无线设备允许的最大发送占空比是有限制的, 这样是为了保证公平和防止非法占用信道。以欧洲为例, DutyCycle=1%,如果一个设备发射时间为1s, 则接下来99s它都不能再发射无线信号(但是可以接收)。

1.6 其他

ADR机制： LoRa网络允许终端设备逐一使用所有可用的数据速率。LoRaWAN协议根据该特性对静态终端的数据速率进行调整优化，这就是数据速率自适应(ADR)。

CAD机制：空中唤醒技术。

Lorawan 终端节点实现

推荐节点MCU芯片 STM32L 系列。

本次移植 STM32F103 + SX1276 + LoRaMac-node-4.4.0

根据 lorawan 版本（本文 1.0.2）选择对应版本 LoRaMac-node

注意版本说明 LoRaMac-node-4.4.0 之前的版本不支持 CN470，之后的版本代码结构相对复杂会增加移植适配难度；

主要移植内容：

gpio、spi、rtc、timer、delay等驱动适配
sx1276硬件层适配
其他

采用 CLass C方式与服务器进行交互。

本次移植遇到的问题：

硬件上设计有缺陷，DIO引脚未连接MCU，导致不能实现源码的中断处理，需适配为查询寄存器方式来实现，由此带来了不稳定性；
此MCU的RTC不支持日历寄存器，需软件算法弥补；
此MCU与Lorawan的低功耗处理有点不兼容，已在大部分地方禁止进入低功耗；
Lorawan 网关实现

3.1 源码下载及编译

lora_gateway-5.0.1 网关库

packet_forwarder-4.0.1 包转发

根据情况修改 loragw_spi 中的

define SPI_DEV_PATH "/dev/spidev0.0"

修改 Makefile 交叉编译最后生成网关服务程序 lora_pkt_fwd

3.2 网关所需配置及脚本

网关引脚复位脚本编写

!/bin/sh

This script is intended to be used on IoT Starter Kit platform, it performs

the following actions:

- export/unpexort GPIO7 used to reset the SX1301 chip

Usage examples:

./reset_lgw.sh stop

./reset_lgw.sh start

The reset pin of SX1301 is wired with RPi GPIO7

If used on another platform, the GPIO number can be given as parameter.

if [ -z "$2" ]; then
IOT_SK_SX1301_RESET_PIN=129
else
IOT_SK_SX1301_RESET_PIN=$2
fi

echo "Accessing concentrator reset pin through GPIO$IOT_SK_SX1301_RESET_PIN..."

WAIT_GPIO() {
sleep 0.1
}

iot_sk_init() {
# setup GPIO 7
#echo "$IOT_SK_SX1301_RESET_PIN" > /sys/class/gpio/export; WAIT_GPIO
```
 # set GPIO 7 as output
 #echo "out" > /sys/class/gpio/gpio$IOT_SK_SX1301_RESET_PIN/direction; WAIT_GPIO

 # write output for SX1301 reset
 #echo "1" > /sys/class/gpio/gpio$IOT_SK_SX1301_RESET_PIN/value; WAIT_GPIO
 #echo "0" > /sys/class/gpio/gpio$IOT_SK_SX1301_RESET_PIN/value; WAIT_GPIO

 # set GPIO 7 as input
 #echo "in" > /sys/class/gpio/gpio$IOT_SK_SX1301_RESET_PIN/direction; WAIT_GPIO

 # 按需求使用GPIO控制
 /apps/bin/gpio-tool -o 2 1
 WAIT_GPIO 
 /apps/bin/gpio-tool -o 2 0
 WAIT_GPIO 
 /apps/bin/gpio-tool -i 2 
```
}

iot_sk_term() {
# cleanup GPIO 7
if [ -d /sys/class/gpio/gpio$IOT_SK_SX1301_RESET_PIN ]
then
echo "$IOT_SK_SX1301_RESET_PIN" > /sys/class/gpio/unexport; WAIT_GPIO
fi
}

case "$1" in
start)
iot_sk_term
iot_sk_init
;;
stop)
iot_sk_term
;;
*)
echo "Usage: $0 {start|stop} []"
exit 1
;;
esac

exit 0

网关服务启动脚本编写
#!/bin/sh

echo "start lora gateway"
cd /apps/wh_lora
./reset_lgw.sh start
./lora_pkt_fwd &

网关全局配置文件编写(CN470)
设置对应区域频段信息，可参照官网示例
{
"SX1301_conf": {
"lorawan_public": true,
"clksrc": 1, /* radio_1 provides clock to concentrator /
"antenna_gain": 0, / antenna gain, in dBi /
"radio_0": {
"enable": true,
"type": "SX1255",
"freq": 470600000,
"rssi_offset": -166.0,
"tx_enable": true,
"tx_freq_min": 460000000,
"tx_freq_max": 506000000
},
"radio_1": {
"enable": true,
"type": "SX1255",
"freq": 471400000,
"rssi_offset": -166.0,
"tx_enable": false
},
"chan_multiSF_0": {
/ Lora MAC channel, 125kHz, all SF, 470.3 MHz /
"enable": true,
"radio": 0,
"if": -300000
},
"chan_multiSF_1": {
/ Lora MAC channel, 125kHz, all SF, 470.5 MHz /
"enable": true,
"radio": 0,
"if": -100000
},
"chan_multiSF_2": {
/ Lora MAC channel, 125kHz, all SF, 470.7 MHz /
"enable": true,
"radio": 0,
"if": 100000
},
"chan_multiSF_3": {
/ Lora MAC channel, 125kHz, all SF, 470.9 MHz /
"enable": true,
"radio": 0,
"if": 300000
},
"chan_multiSF_4": {
/ Lora MAC channel, 125kHz, all SF, 471.1 MHz /
"enable": true,
"radio": 1,
"if": -300000
},
"chan_multiSF_5": {
/ Lora MAC channel, 125kHz, all SF, 471.3 MHz /
"enable": true,
"radio": 1,
"if": -100000
},
"chan_multiSF_6": {
/ Lora MAC channel, 125kHz, all SF, 471.5 MHz /
"enable": true,
"radio": 1,
"if": 100000
},
"chan_multiSF_7": {
/ Lora MAC channel, 125kHz, all SF, 471.7 MHz /
"enable": true,
"radio": 1,
"if": 300000
},
"chan_Lora_std": {
/ Lora MAC channel, 250kHz, SF7, 470.5 MHz */
"enable": true,
"radio": 0,
"if": -100000,
"bandwidth": 250000,
"spread_factor": 7
},

                        "chan_FSK": {
                    /* FSK 100kbps channel, 470.5 MHz */
                                "enable": true,
                                "radio": 0,
                                "if": -100000,
                                "bandwidth": 250000,
                                "datarate": 100000
                        },
        "tx_lut_0": {
            /* TX gain table, index 0 */
            "pa_gain": 0,
            "mix_gain": 8,
            "rf_power": -6,
            "dig_gain": 0
        },
        "tx_lut_1": {
            /* TX gain table, index 1 */
            "pa_gain": 0,
            "mix_gain": 10,
            "rf_power": -3,
            "dig_gain": 0
        },
        "tx_lut_2": {
            /* TX gain table, index 2 */
            "pa_gain": 0,
            "mix_gain": 12,
            "rf_power": 0,
            "dig_gain": 0
        },
        "tx_lut_3": {
            /* TX gain table, index 3 */
            "pa_gain": 1,
            "mix_gain": 8,
            "rf_power": 3,
            "dig_gain": 0
        },
        "tx_lut_4": {
            /* TX gain table, index 4 */
            "pa_gain": 1,
            "mix_gain": 10,
            "rf_power": 6,
            "dig_gain": 0
        },
        "tx_lut_5": {
            /* TX gain table, index 5 */
            "pa_gain": 1,
            "mix_gain": 12,
            "rf_power": 10,
            "dig_gain": 0
        },
        "tx_lut_6": {
            /* TX gain table, index 6 */
            "pa_gain": 1,
            "mix_gain": 13,
            "rf_power": 11,
            "dig_gain": 0
        },
        "tx_lut_7": {
            /* TX gain table, index 7 */
            "pa_gain": 2,
            "mix_gain": 9,
            "rf_power": 12,
            "dig_gain": 0
        },
        "tx_lut_8": {
            /* TX gain table, index 8 */
            "pa_gain": 1,
            "mix_gain": 15,
            "rf_power": 13,
            "dig_gain": 0
        },
        "tx_lut_9": {
            /* TX gain table, index 9 */
            "pa_gain": 2,
            "mix_gain": 10,
            "rf_power": 14,
            "dig_gain": 0
        },
        "tx_lut_10": {
            /* TX gain table, index 10 */
            "pa_gain": 2,
            "mix_gain": 11,
            "rf_power": 17,
            "dig_gain": 0
        },
        "tx_lut_11": {
            /* TX gain table, index 11 */
            "pa_gain": 3,
            "mix_gain": 9,
            "rf_power": 20,
            "dig_gain": 0
        },
        "tx_lut_12": {
            /* TX gain table, index 12 */
            "pa_gain": 3,
            "mix_gain": 10,
            "rf_power": 23,
            "dig_gain": 0
        },
        "tx_lut_13": {
            /* TX gain table, index 13 */
            "pa_gain": 3,
            "mix_gain": 11,
            "rf_power": 25,
            "dig_gain": 0
        },
        "tx_lut_14": {
            /* TX gain table, index 14 */
            "pa_gain": 3,
            "mix_gain": 12,
            "rf_power": 26,
            "dig_gain": 0
        },
        "tx_lut_15": {
            /* TX gain table, index 15 */
            "pa_gain": 3,
            "mix_gain": 14,
            "rf_power": 27,
            "dig_gain": 0
        }
    },

    "gateway_conf": {
        "gateway_ID": "AE02000218041014",
        /* change with default server address/ports, or overwrite in local_conf.json */
        
        "server_address": "10.99.20.253",
        "serv_port_up": 1700,
        "serv_port_down": 1700,
        /* adjust the following parameters for your network */
        "keepalive_interval": 30,
        "stat_interval": 300,
        "push_timeout_ms": 1000,
        /* forward only valid packets */
        "forward_crc_valid": true,
        "forward_crc_error": false,
        "forward_crc_disabled": false,
        "autoquit_threshold": 5
    }
}

Lorawan 服务器实现

详见《lora服务器ChirpStack部署》

联合调试

启动服务器，浏览器输入 http://10.99.20.253:8080

# 进入 chirpstack-docker
docker-compose up

启动网关服务

./loraserver_start.sh

运行节点（联系发送）

在服务器页面查看上行数据如下：

posted @ 2025-06-20 11:01 silencehuan 阅读(180) 评论(0) 收藏举报

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silencehuan

Lorawan调试纪要

define SPI_DEV_PATH "/dev/spidev0.0"

!/bin/sh

This script is intended to be used on IoT Starter Kit platform, it performs

the following actions:

- export/unpexort GPIO7 used to reset the SX1301 chip

Usage examples:

./reset_lgw.sh stop

./reset_lgw.sh start

The reset pin of SX1301 is wired with RPi GPIO7

If used on another platform, the GPIO number can be given as parameter.

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