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文章目录
  1. 1. 物联网IoT协议之LoRaWAN快速入门教程
    1. 1.1. 什么是LoRa
      1. 1.1.1. LoRa节点
      2. 1.1.2. LoRa网关
      3. 1.1.3. 节点容量
    2. 1.2. 什么是LoRaWAN
    3. 1.3. 基于LoRaWAN的运营商？
    4. 1.4. LoRaWAN如何实现低功耗
    5. 1.5. LoRaWAN的通信安全
      1. 1.5.1. NwkKey/(NwkSEncKey/ SNwkSIntKey/ FNwkSIntKey)
      2. 1.5.2. AppKey/AppSKey
    6. 1.6. 节点的入网/激活
      1. 1.6.1. OTAA(Over-The-Air Activation)空中激活
      2. 1.6.2. ABP (Activation By Personalization)人工激活
    7. 1.7. LoRaWAN的实现
      1. 1.7.1. LoRaWAN节点的实现
      2. 1.7.2. LoRaWAN网关的实现
        1. 1.7.2.1. LoRaWAN网关和LoRaWAN节点的通信
        2. 1.7.2.2. LoRaWAN网关和LoRaWAN Server的通信
      3. 1.7.3. 有待完善的LoRaWAN Server
      4. 1.7.4. LoRaWAN Server的开源实现
    8. 1.8. LoRaWAN之Hello World
      1. 1.8.1. 安装ChirpStack(原loraserver)
      2. 1.8.2. 使用ChirpStack(原loraserver)
      3. 1.8.3. 应用程序集成ChirpStack(原loraserver)
        1. 1.8.3.1. RESTful JSON API
        2. 1.8.3.2. mqtt
        3. 1.8.3.3. gRPC

转载请注明 作者:源码先生, 文章链接:https://www.debugself.com/2019/12/08/lorawan_guide/, 请勿用于商业用途

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什么是LoRa

LoRa是一种应用在无线通信的调频技术，其他调频技术还有FSK/GSK、QEM/BPSK等，2009年法国公司Cycleo设计出一种优异的扩频通信算法，后来该公司被美国Semtech公司收购，于2013年推出LoRa芯片。大众熟知的蓝牙、WiFi、ZigBee等都是无线通信技术，相比这三个在上个世纪90时间年代推出的无线通信技术，LoRa是一个后来者，但是LoRa从发布到现在短短几年，火热程度已经超过了前辈们，这归功于LoRa以下优点：

  • 低功耗：物联网嘛，喜欢低功耗；
  • 通信距离远：城镇可达2-5 Km ， 郊区可达15 Km，这个距离直接把ZigBee等前辈拍在沙滩上；
  • 抗干扰强：LoRa抗干扰性能是比较优秀的，但是通信距离远，功耗又低，抗干扰又强，这三者是不可能三角，LoRa也没有这么完美，只是总体性能比较好罢了。

LoRa节点

可以发送/接收LoRa无线信号的设备节点。

LoRa网关

LoRa网关和LoRa节点没有本质区别，都是发送/接收LoRa信号的，但是网关的处理器，内存等资源更丰富，可以用来接收/发送多个节点的数据。多个节点之间相互通信，不是两两直接通信（虽然也可以直接两两通信），而是经过网关中转通信的。网关完成转发数据，统一规划信道资源等功能，拓扑结构如下图：

LoRa网关拓扑结构

节点容量

节点容量是单个网关可以接入节点的数量，有些文章说LoRa节点容量很大，单个LoRa网关可以连接上万个LoRa节点，在源码先生看来这就是Tree New Bee了，LoRa和LoRaWAN在节点容量上没有任何优化，和ZigBee处在同一水平，想单网关连接上万LoRa节点，只能程序员在应用层自己优化了，优化难度很大！

什么是LoRaWAN

WAN是广域网的意思，多个LoRa节点可以通过同一个LoRa网关相互通信，但是如果想要跨网关通信，或者要想组成城域网/广域网，还需要云端的服务器；多个LoRa网关通过TCP/IP连接到云端，实现网关之间的通信，进一步实现更大范围内节点之间的相互通信。拓扑结构如下图：

LoRaWAN拓扑结构

LoRaWAN定义了LoRaWAN节点，LoRaWAN网关，LoraWAN云端Server之间的通信协议，他是一套数据交互的协议标准，与mqtt(详见物联网IoT协议之mqtt快速入门教程)、OPC UA(详见物联网IoT协议之OPC UA快速入门教程)没有本质区别，最终目的一致，都是为了实现不同系统的数据交互。

基于LoRaWAN的运营商？

LoRa的速率比3G/4G低很多，但是基于LoRaWAN的广域网能力，也可以实现类似2G/3G/4G/5G的低速蜂窝网络，其中

  • LoRa节点相当于手机
  • LoRa网关相当于基站
  • LoRaWAN相当于移动核心网

曾经有一个成为类似中国移动/中国联通的运营商的机会摆在你面前，你会不会心动？当然会！所以阿里云推出了”Link WAN物联网络管理平台”，腾讯云推出了的”LPWA 物联网络”，两者都是基于LoRaWAN的。那么LoRaWAN是否能够承载腾讯阿里成为物联网运营商的愿望呢？目前看来困难还是有的：

  • LoRa使用免费的频段，即大家都可以用的频段，这样就存在频段竞争和冲突，无法保证通信质量；而2G/3G/4G/5G使用授权频段通信，通信频段是移动运营商独占的，不存在频段竞争和冲突，从而保证了通信质量；
  • 工信部发布的《微功率短距离无线电发射设备目录和技术要求》对LoRa的发射功率，发送数据的时长都做了限制，大大限制了LoRaWAN的广域网能力。有人说这是为了支持NBIoT而故意打压LoRa，不过源码先生认为这个规范是非常有必要的，试想没有规范的话，免费频段大家都长时间发送大功率信号，而LoRa通信距离又很远，很容易信号相互干扰，最终是谁都通信不了！

虽然LoRaWAN的广域网能力受限，但基于LoRa优秀的低功耗远距离传输，小范围内（如工厂的厂区内）应用LoRaWAN应该还是可以的，目前LoRaWAN依旧很火！

LoRaWAN如何实现低功耗

为了实现节点的低功耗，LoRaWAN把节点分为3种Class：

  • Class A：节点发送数据后，开启两个接收窗口（接收窗口内可以接收网关下行给节点的数据），除此之外的其他时间，节点都进入休眠状态，休眠状态是非常省电的，但休眠状态时节点无法接收网关下行给节点的数据；
  • Class B：除了Class A的功能，节点还会定时开启接收窗口，从而可以定时接收网关数据；
  • Class C：节点会一直开启接收窗口，可以实时接收网关数据

三种Class，功耗依次升高，但实时性也依次提升，用户根据自己的业务需求，自行选择要使用的Class。

LoRaWAN的通信安全

一般通过对数据进行加密来保证通信安全，而LoRaWAN提供了多层数据加密。
如下图虽然MAC Layer包含了Application Layer的数据，但MAC Layer和Application Layer使用独立的密钥分别加密，即使MAC Layer可以看到Application Layer的数据，看到的也是加密后的数据。

LoRaWAN分层结构

LoRaWAN中用的密钥主要有：

NwkKey/(NwkSEncKey/ SNwkSIntKey/ FNwkSIntKey)

节点根据NwkKey生成(NwkSEncKey/ SNwkSIntKey/ FNwkSIntKey)，LoRaWAN使用(NwkSEncKey/ SNwkSIntKey/ FNwkSIntKey)加密/解密MAC层(MAC Layer)的数据。

  • FNwkSIntKey：节点上行数据时，节点使用FNwkSIntKey计算上行数据的MIC校验码；
  • SNwkSIntKey：节点收到云端下行的数据后，节点使用SNwkSIntKey验证下行数据的完整性
  • NwkSEncKey：用来加密/解密 MAC commands

AppKey/AppSKey

节点根据AppKey生成AppSKey,并使用AppSKey加密/解密应用层数据

节点的入网/激活

每个要接入LoRaWAN网络的节点，必须经过入网/激活的过程，节点入网的目的是获得云端分配的DevAddr、AppSKey、NwkSEncKey等通信必须的信息，入网方式分以下两种。

OTAA(Over-The-Air Activation)空中激活

OTAA中，节点的AppSKey和NwkSEncKey信息是临时从云端获取的，节点中需要提前烧录NwkKey和Appkey、JoinEUI等信息，节点向云端发送Join-request message请求，云端返回Join-accept message，节点提取Join-accept message中的DevAddr,JoinNonce等信息，并自己计算生成AppSKey和NwkSEncKey等信息。

ABP (Activation By Personalization)人工激活

ABP中，节点需要的DevAddr、AppSKey、NwkSEncKey等信息，不是从云端获取的，而是提前在云端配置好，并烧录到节点固件中，节点使用这些信息可以直接和云端通信，省去了OTAA中的Join-request流程。

LoRaWAN的实现

LoRaWAN的标准由LoRa Alliance发布，可以从其官网下载标准文档：

LoRaWAN节点的实现

LoRaWAN节点的实现请参考Semtech提供的示例代码：https://github.com/Lora-net/LoRaMac-node

LoRaWAN网关的实现

LoRaWAN网关和LoRaWAN节点的通信

网关需要接收节点数据，以及发送数据给节点，网关通过操作网关上的LoRa芯片实现，示例代码见 https://github.com/Lora-net/lora_gateway

LoRaWAN网关和LoRaWAN Server的通信

网关需要把节点数据上报给云端的LoRaWAN Server，以及接收云端下行给节点的数据。

网关作为节点和云端Server的转发中转站，网关不解析节点数据，也没有业务逻辑，网关起到透传的作用，所以LoRaWAN标准只规定了节点和云端Server之间的通信协议，并没有规定网关和云端Server之间的通信协议。但是网关和云端Server要通信，还是要有通信协议的，目前常用的通信协议是semtech公司定制的packet_forwarder( https://github.com/Lora-net/packet_forwarder/blob/master/PROTOCOL.TXT)。

packet_forwarder使用UDP通信，网关中需要提前配置云端的UDP Server地址和端口。

  • 网关上报数据给云端：网关发送PUSH_DATA命令上报数据给云端
  • 网关接收云端下行的数据：网发发送PULL_DATA询问云端是否有下行数据；由于UDP是无连接的，云端LoRaWAN Server只有在收到网关PULL_DATA命令时才可以知晓网关IP，但是公网中的NAT会很快淘汰网关的IP，所以网关必须定时发送PULL_DATA，否则云端无法下行数据给网关。

基于packet_forwarder的使用示例见 https://github.com/Lora-net/packet_forwarder 。

有待完善的LoRaWAN Server

LoRaWAN标准规范中，把Server划分为如下几个部分

名称 说明
Join Server 完成节点入网的服务器
NetWork Server 完成节点交互的服务器
Application Server 开放接口给第三方应用调用

其中NetWork Server 又进一步细化为

名称 说明
Serving NS (sNS) 完成节点和服务器之间的MAC命令交互
Home NS (hNS) 管理节点DevEUI、节点属性、Server属性等
Forwarding NS (fNS) 管理网关，完成节点数据发送给指定的网关

LoRaWAN标准规范中，只定义了上面的各种Server的功能，却没有定义各个Server交互的通信协议，更没有定义各个Server对外的API。这造成LoRaWAN看起来有标准，但实质上云端LoRaWAN Server并没有标准可执行。当前市面上的LoRaWAN Server，除了前面提到的阿里云和腾讯云，还有TTN(https://www.thethingsnetwork.org/)、ChirpStack(https://www.chirpstack.io/)等，他们都基于LoRaWAN，而且符合LoRaWAN标准的节点理论上都可以接入这些Server，但是由于云端Server没有标准，**各家的LoRaWAN网关接入协议、应用接口都不一致，无法相互兼容**。

另外，不管是Semtech公司还是LoRaWAN联盟，都没有提供LoRaWAN Server的实现示例！LoRaWAN节点入网，上报数据等都必须依赖LoRaWAN Server，而官方没有提供LoRaWAN Server示例，这让那些不具备开发LoRaWAN Server的实力的小公司，想用LoRaWAN却用不了，只能抛弃LoRaWAN而使用自定义协议，而自定义协议相比LoRaWAN，有以下优点：

  • LoRaWAN协议比较复杂，自定义协议可以很简单，上手快
  • LoRaWAN中必须有LoRaWAN Server，自定义协议可以不依赖LoRaWAN Server，省去云端Server部署，也节省成本

至此，源码先生不得不说，LoRaWAN Server还有很多地方有待完善，源码先生一度怀疑官方根本没有花精力去推广LoRaWAN生态啊？！

LoRaWAN Server的开源实现

ChirpStack(https://www.chirpstack.io/)是一个开源的LoRaWAN Server实现，基于非常宽松的MIT协议，ChirpStack之前叫loraserver(https://www.loraserver.io/)，作者说是LoRa被Semtech注册为商标了，所以在2019年11月份改名为ChirpStack。

ChirpStack 原loraserver架构图

LoRaWAN之Hello World

下面以ChirpStack(原loraserver)的安装和使用作为LoRaWAN的Hello World吧。

安装ChirpStack(原loraserver)

chirpstack官网(https://www.chirpstack.io/overview/)提供了多种安装的方式，这里选择安装步骤最简单的Docker Compose方式。

以Ubuntu系统为例，首先要安装docker和Docker Compose（docker已经是云端开发的基础设施，不了解docker的话，有必要借此学习下docker的用法）。

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sudo apt-get install docker
sudo curl -L "https://github.com/docker/compose/releases/download/1.25.0/docker-compose-$(uname -s)-$(uname -m)" -o /usr/local/bin/docker-compose
sudo chmod +x /usr/local/bin/docker-compose

下载chirpstack对应的docker-compose.yml

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git clone https://github.com/brocaar/chirpstack-docker.git
cd chirpstack-docker

为了在国内使用，需要把chirpstack-docker\configuration\chirpstack-network-server\chirpstack-network-server.toml中的EU_863_870修改为CN_470_510，这是国内的免费频段，并注释掉所有extra_channels，如下图：

ChirpStack docker-compose配置

启动chirpstack

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docker-compose up -d

使用ChirpStack(原loraserver)

通过http://you_host_ip:8080/访问chirpstack的Web界面，用户名和密码默认都是admin。

首先要添加Network-servers，如下图。

添加Network-servers

填入如下图的信息，提示添加Network-servers成功。

添加Network-servers

chirpstack-network-server:8000是docker内部的域名地址(chirpstack-network-server这个名字是docker-compose.yml中配置的)，此处docker部署，必须填chirpstack-network-server:8000。

添加Service-profiles，如下图。

添加Service-profiles

填入如下图的信息，提示添加Service-profiles成功。

添加Service-profiles

添加Device-profiles，如下图。

添加Device-profiles

添加ABP Device-profiles

在Device-profiles中，需要指定使用的入网方式，上图中默认为ABP的入网方式，如果要修改为OTAA的方式，可参考下图。

添加OTAA Device-profiles

添加Applications，如下图。

添加Applications
添加Applications

注意，上面的Network-servers、Service-profiles、Application等概念是ChirpStack(原loraserver)对LoRaWAN的实现方式，但LoRaWAN标准中并没有规定Network-servers、Service-profiles等概念。

选择刚才创建的App，点击进入。

进入Applications

进入App界面后，可以看到添加节点/Devices的按钮。

添加LoRa节点
添加LoRa节点

上面添加的是ABP节点，APB节点需要手动激活(即入网)，具体激活方式见下图。

激活ABP LoRa节点

云端配置完成，把DevEUI、AppSKey等信息烧录到节点，节点通过网关上报数据，可以在chirpstack网页上查看上报的数据。

查看LoRa节点数据

应用程序集成ChirpStack(原loraserver)

应用程序如何从LoRaWAN Server获取节点的数据，如何发送命令给节点呢？LoRaWAN标准中规定了Application Server，第三方应用程序通过Application Server的接口，可以读取LoRaWAN节点的数据，可以发送数据给LoRaWAN节点。

ChirpStack(原loraserver)的Application Server提供了多种形式的接口。

RESTful JSON API

RESTful风格的HTTP API，访问http://you_host_ip:8080/api可以查看所有HTTP API，应用程序通过HTTP，可以调用ChirpStack的所有功能，包括

  • Network-servers的增删改查
  • Service-profiles的增删改查
  • Device-profiles的增删改查
  • Applications的增删改查
  • 节点(设备)的增删改查
  • 读取节点数据
  • 给节点发送命令数据

mqtt

相比HTTP，mqtt使用长连接，实时性更好。通过mqtt，可以实现如下功能

  • 获取节点数据：订阅主题’application/[applicationID]/device/[devEUI]/rx’可以收到节点上报给云端的数据
  • 给节点发送数据命令：通过向主题’application/[applicationID]/device/[devEUI]/tx’发布消息，可以给节点发送数据

具体mqtt消息格式见 https://www.chirpstack.io/application-server/integrate/sending-receiving/mqtt/

gRPC

见 https://www.chirpstack.io/application-server/integrate/grpc/