《NB-IoTLoRa窄帶物聯網技術》課件-第8章-LoRa實驗設備研究與使用

NB-IoT/LoRa窄帶物聯網技術第8章

LoRa實驗設備研究與使用教學目標知識目標了解LoRa模組的形態與實現了解LoRa終端的設計原理與特點了解LoRa網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標準協議，串口數據透傳雙向通訊，主要應用在智能抄表、智慧路燈、智慧農業、智能停車、智能安防等領域。8.1.1模塊產品介紹LoRa模塊集成了LoRaWANTM協議棧，符合LoRaAlliance發布的LoRaWANTMSpecification1.0.2ClassA\B\C協議標準與CLAA發布《TES-003-CLAA對中國470M-510M頻段使用技術要求V1.3.9》的應用規范。模塊采用串行接口與用戶設備進行數據、指令交互，可以方便地為用戶提供快速LoRaWAN網絡接入和無線數據傳輸等功能。模塊固件功能框圖如圖8-1所示8.1.1模塊產品介紹圖8-1模塊固件功能框圖開發板整體由充電電路、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開發板介紹開發板硬件接口如圖8-3所示：8.1.2LoRa開發板介紹圖8-3開發板接口說明開發板接口詳情如表8-4所示：8.1.2LoRa開發板介紹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。物聯網涉及各行各業，業務復雜多樣，涉及的物聯網終端也是多種多樣。很多物聯網終端廠家能夠提供一體化物聯網終端，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網業界研究的方向。通過一個通用硬件平臺，實現統一的無線LoRa通訊，提供多種接口適配行業各種各樣的傳感器，集多種業務功能于一身，能夠大幅減低傳統行業物聯網化的門檻。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，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產品外觀圖GSP產品內部結構如圖8-5所示：8.2.2

終端功能詳解圖8-5GSP產品內部結構組成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。主機性能參數如表8-5：8.2.2

終端功能詳解序號參數類型技術指標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網關是LoRaWAN網絡接入側設備，負責接入各種符合LoRaWAN協議的各類物聯網終端。LoRaWAN網關（LoRaWANGateway）在LoRaWAN網絡中的位置如圖8-6所示：8.3

LoRa網關介紹8.3.1

網關概述物聯網無線網關IWG200（IoTWirelessGateway）主要功能：接入各類LoRa應用節點，實現鏈路安全、數據加密通訊、壓縮等功能，支持3G/4G及有線FE數據回傳，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主機單元性能參數如表8-7所示8.3.1

網關概述表8-7IWG200主機單元性能參數表序號參數技術指標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發射功率17dBm（天線口23dBmMax）5業務信道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數據回傳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

網關安裝說明IWG系統由主機單元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

網關安裝說明指示燈功能說明如下描述：自檢：系統上電硬件自檢，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：網關和MSP服務器建鏈成功；紅燈常亮：網關和MSP建鏈失敗。WBS：LTE指示燈。綠燈常亮：LTE鏈路正常；綠燈閃爍：LTE鏈路有數據；紅燈：LTE鏈路異常；不亮：未插入SIM卡。8.3.3

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

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

網絡性能測試SNR：終端接收信噪比UP_LOSS：上行丟包計數DOWN_LOSS：下行丟包計數GWN：收到終端數據包所有網關的數量GW_EUI（網關ID）:發給終端數據的網關ID后4個字節GW_RSSI：網關接收最優的信號強度指示GW_SNR：網關接收最優的信噪比8.3.3

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

LoRaWAN網路服務器作為LoRaWAN的核心連接控制設備，處于整個網絡的中心位置。對終端側，通過網關以星型組網方式接入LoRa終端；對應用側，通過AS網元對外接入客戶服務器CS。LoRaWAN網路服務器實現LoRa協議棧，將LoRa終端數據完成解碼，上行轉發給CS，同時也將來自CS的數據編碼成LoRa協議幀，下行轉發給LoRa終端。LoRa網絡服務器InfiLink平臺邏輯功能8.4.2LoRa網絡服務器功能詳解3.1.網絡連接域該域實現對LoRa網關和LoRa終端的連接管理功能：LoRa網關接入連接管理與狀態監控LoRaWAN終端的LoRaWANMAC層協議處理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會話密鑰生成與發放8.4.2LoRa網絡服務器功能詳解3.2.應用連接域該域實現對各客戶應用服務器的連接管理，數據分發管理功能：應用服務器接口連接管理、狀態維護和數據分發應用數據分發，包括上行數據的發送和下行數據的接收應用的連接接入進入鑒權應用數據幀的加解密Mote上行消息緩存8.4.2LoRa網絡服務器功能詳解3.3.網絡管理域該域實現對LoRaWAN整個網絡的管理功能：網路服務器內部各模塊管理維護LoRa網關開通管理和運行狀態監控LoRa網關物理參數、無線參數的設置Mote設備管理、運行上下文監測LoRa網絡覆蓋分析LoRa網絡負荷監控8.4.3網絡服務器連通性測試這部分結合中興克拉的LoRa網絡連接管理平臺（InfiLink）、測試模擬工具LoadTester來介紹LoRaWan網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，聯系我們，免費下載使用：/web/index.php/service/technology8.4.3網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網絡連通性測試快速驗證網絡服務器基本的數據轉發功能。測試內容

驗證LoRaWAN網絡服務器的數據轉發功能，包括LoRa終端的注冊幀、上行數據幀、下行數據幀的收發過程。8.4.3網絡服務器連通性測試測試步驟：(1)設置InfiLink對外接入LoRa網關和CS的通信地址，啟動InfiLink服務器所有網元進程，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會依據測試腳本順序完成LoRa網關、應用和終端在InfiLink網絡服務器的開通和模擬LoRa終端注冊，并在設定的時長和發包頻率，持續模擬LoRa終端上下行數據收發和CS的數據收發。(5)觀察LoadTester測試終端界面，可驗證InfiLink數據轉發是否正常；8.5.1

LoRa應用管理平臺概述

LoRa應用管理平臺為LoRa物聯網應用提供統一綜合性平臺支撐和管理框架，對于上層業務應用屏蔽底層數據協議的差異，使得各類應用系統可以快速部署和運行。主要設計目標包括如下幾點：提供統一的項目應用管理和開通功能，實現應用管理的集中化、快速化；提供統一的項目應用管理和業務管理入口，方便系統訪問和操作維護；提供統一的數據解析框架和解析插件，靈活支持各類傳感器數據解析和設備接入；提供統一的業務流程和消息分發框架，提升系統的穩定性、可擴展性、靈活性提供統一的能力開放接口，支持不同系統互聯互通，促進物聯網生態蓬勃發展。8.5.2

LoRa應用管理平臺框架

LoRa物聯網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通常表現為PaaS平臺或SaaS平臺，以降低物聯網上層業務應用的開發和部署難度。8.5.3

LoRa應用管理平臺功能（項目管理）1.項目配置：物聯網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物聯網中，應用可依據應用標識（AppEUI）來區分，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.網關配置：LoRa網關配置主要是配置網關的標識（GWEUI）、網關認證密鑰（GWKey）、網關名稱、網關安裝位置等信息。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）業務應用管理功能包括拓撲展示、數據查詢分析、門限預警、指令下發、策略控制等。拓撲展示數據查詢分析門限預警策略控制與指令下發8.6.1智能滴灌端到端設計實驗智能滴灌系統是基于LoRa網聯網技術，通過土壤溫濕度傳感器實時監控土壤的濕度指標。云端服務器根據濕度指標值判斷是否在合理區間，通過智能滴灌系統，自動調整土壤溫濕度，改善土壤環境。8.6.2LoRa網絡環境搭建步驟核心網部署：包括JS、NS、AS、GWIF、GWM、CSIF、OMC、BIF等服務模塊。網關部署：是連接LoRa傳感終端設備和LoRa核心網之間的關鍵系統。應用平臺部署：實現傳感設備的開通管理、數據解析、設備控制等系列化功能。傳感器設備選型：見下表設備數量說明GSP平臺設備1通用傳感器平臺AES20DTU101溫