《NB-IoTLoRa窄带物联网技术》课件-第8章-LoRa实验设备研究与使用

NB-IoT/LoRa窄带物联网技术第8章

LoRa实验设备研究与使用教学目标知识目标了解LoRa模组的形态与实现了解LoRa终端的设计原理与特点了解LoRa网关的架构与安装使用能力目标具备开阔、灵活的思维能力具备积极、主动的探索精神具备严谨、细致的工作态度8.1LoRa模块介绍LoRa模块为基于LPWAN的远距离无线通信模块，支持LORAWAN标准协议，串口数据透传双向通讯，主要应用在智能抄表、智慧路灯、智慧农业、智能停车、智能安防等领域。8.1.1模块产品介绍LoRa模块集成了LoRaWANTM协议栈，符合LoRaAlliance发布的LoRaWANTMSpecification1.0.2ClassA\B\C协议标准与CLAA发布《TES-003-CLAA对中国470M-510M频段使用技术要求V1.3.9》的应用规范。模块采用串行接口与用户设备进行数据、指令交互，可以方便地为用户提供快速LoRaWAN网络接入和无线数据传输等功能。模块固件功能框图如图8-1所示8.1.1模块产品介绍图8-1模块固件功能框图开发板整体由充电电路、DC-DC电源、MCU、lorawan模块、传感器、按键指示灯、外部扩展液晶接口组成，结构框如图8-2所示：8.1.2LoRa开发板介绍开发板硬件接口如图8-3所示：8.1.2LoRa开发板介绍图8-3开发板接口说明开发板接口详情如表8-4所示：8.1.2LoRa开发板介绍1LED指示灯8电源选择按键2K1按键9串口转USB接口3K2按键10MCU烧写口4UART2（MCU）àUSB11LCD接口5UART1（MCU）àUSB12GPS模块（选贴）6LPUART1（NODE）àUSB13GPS天线接口7复位按键14Lora天线接口该开发板含有一个开放的MCU（STM32L476）,学习者可以在这个MCU内进行任意程序的开发。物联网涉及各行各业，业务复杂多样，涉及的物联网终端也是多种多样。很多物联网终端厂家能够提供一体化物联网终端，比如：独立式烟感、智能水表、智能电表、井盖、地磁等。除此之外，灵活多用的通用传感器硬件平台也是物联网业界研究的方向。通过一个通用硬件平台，实现统一的无线LoRa通讯，提供多种接口适配行业各种各样的传感器，集多种业务功能于一身，能够大幅减低传统行业物联网化的门槛。8.2

LoRa终端介绍中兴克拉正是基于此理念，提供通用传感装置平台GSP（GeneralSensorPlatform），该平台目标是：通过GSP平台二次开发，能够低成本、快速地满足客户定制化需求；能够满足三路多种信号的输入处理和对外控制；满足绝大部分场景防护等级和多种供电方式。8.2.1

终端概述GSP平台产品主要组成：主控板、电源板或电池、AES（ApplicationExtendedSubcard）子卡（可选）、AFE（AnalogFrontEnd）子卡（可选）、机壳、LoRa天线、外接各种传感器。8.2.2

终端功能详解图8-4GSP产品外观图GSP产品内部结构如图8-5所示：8.2.2

终端功能详解图8-5GSP产品内部结构组成GSP平台主控板可以满足三路多种信号直接输入处理，包括：I2C、UART、ADC、DIO；还可以直接提供2.4V、3.3V、5V、VBAT多种电压供电。主机性能参数如表8-5：8.2.2

终端功能详解序号参数类型技术指标1LoRa工作频率470MHz~510MHz2LoRa通信速率292bps~5.4kbps（@125kHz）3LoRa接收灵敏度SF12≤-138dBm4LoRa发射功率最大17dBm5LoRa工作模式半双工，同频6LoRa天线增益-2dBi7LoRa天线形式外置天线，SMA连接8LoRa天线尺寸Φ10*80mm9传感器接口M20接口，3个10电源输入接口M20接口，1个11整机尺寸162*108*46mm12待机功耗10uA13防水防尘IP67LoRa网关是LoRaWAN网络接入侧设备，负责接入各种符合LoRaWAN协议的各类物联网终端。LoRaWAN网关（LoRaWANGateway）在LoRaWAN网络中的位置如图8-6所示：8.3

LoRa网关介绍8.3.1

网关概述物联网无线网关IWG200（IoTWirelessGateway）主要功能：接入各类LoRa应用节点，实现链路安全、数据加密通讯、压缩等功能，支持3G/4G及有线FE数据回传，支持WIFI就近无线配置管理，支持GPS/BeiDou定位并提供授时功能，支持220V市电、POE、太阳能等多种方式供电。IWG200主机单元性能参数如表8-7所示8.3.1

网关概述表8-7IWG200主机单元性能参数表序号参数技术指标1工作频率470MHz~510MHz2通信速率292bps~5.4kbps（@125kHz）3接收灵敏度SF7≤ -126dBmSF10 ≤ -136dBmSF12 ≤ -140dBm4发射功率17dBm（天线口23dBmMax）5业务信道8ch上行，1ch下行6工作模式全双工/半双工，同频/异频7定位功能GPS/BeiDou定位并授时8数据回传3G/4G、FE可选9整机功耗5W（典型值）10工作温度-40~75℃11整机尺寸180*200*55mm12防水防尘IP6613供电方式可选市电供电、POE供电、光伏供电14无线管理支持WIFI就近管理，远程版本升级8.3.2

网关安装说明IWG系统由主机单元IWG200、交流电源模块单元ADM300、电源防雷模块单元PIM200、天线套件、天馈避雷器、安装支架背板等构成，如右图所示。8.3.2

网关安装说明IWG200主机接口说明如图8-8所示。图8-8IWG200主机接口说明图8.3.2

网关安装说明指示灯功能说明如下描述：自检：系统上电硬件自检，各LED灯依次闪烁，自检完成后仅电源灯长亮。PWR：电源指示灯。开机常亮蓝色。WNS：MSP指示灯。绿灯常亮：网关和MSP服务器建链成功；红灯常亮：网关和MSP建链失败。WBS：LTE指示灯。绿灯常亮：LTE链路正常；绿灯闪烁：LTE链路有数据；红灯：LTE链路异常；不亮：未插入SIM卡。8.3.3

网络性能测试IWG200网关安装完成后，可以用专用测试终端MWTT20进行网关覆盖性能测试。MWTT20如图8-13所示：图8-13测试终端MWTT20测试图8.3.3

网络性能测试T20测试终端测试指标含义如下描述：FREQ：发射使用的频点SF：发射使用的扩频因子PWR：发射功率FCNU：发包计数（0-65535）FCND：收包计数（0-65535）RSSI：终端接收信号强度指示8.3.3

网络性能测试SNR：终端接收信噪比UP_LOSS：上行丢包计数DOWN_LOSS：下行丢包计数GWN：收到终端数据包所有网关的数量GW_EUI（网关ID）:发给终端数据的网关ID后4个字节GW_RSSI：网关接收最优的信号强度指示GW_SNR：网关接收最优的信噪比8.3.3

网络性能测试覆盖距离测试：以网关为中心，逐渐拉远T20与网关的距离（最远可以拉远到15公里，一般是通过驾驶车辆进行路测），根据上下行的丢包数据统计，评估网络覆盖情况，极限情况为丢包率不大于10%。8.4.1LoRa网络服务器概述1.LoRaWAN网络架构中的网络服务器LoRaWAN网络服务器是LoRaWAN的核心网元，负责整个网络的连接管理和控制，安全接入终端，并将数据分发到用户应用8.4.1LoRa网络服务器概述2.网络服务器角色和功能定义LoRaWAN网络服务器共有4种角色：NS（NetworkServer，网络服务器）AS（ApplicationServer，应用服务器）NC（NetworkController，网络控制服务器）JS（JoinServer，注册服务器）8.4.2LoRa网络服务器功能详解3.网络服务器功能详解

LoRaWAN网路服务器作为LoRaWAN的核心连接控制设备，处于整个网络的中心位置。对终端侧，通过网关以星型组网方式接入LoRa终端；对应用侧，通过AS网元对外接入客户服务器CS。LoRaWAN网路服务器实现LoRa协议栈，将LoRa终端数据完成解码，上行转发给CS，同时也将来自CS的数据编码成LoRa协议帧，下行转发给LoRa终端。LoRa网络服务器InfiLink平台逻辑功能8.4.2LoRa网络服务器功能详解3.1.网络连接域该域实现对LoRa网关和LoRa终端的连接管理功能：LoRa网关接入连接管理与状态监控LoRaWAN终端的LoRaWANMAC层协议处理Mote速率自适应控制Mote连接上下文管理Mote上行消息鉴权/去重/路由Mote下行消息缓存/路由Mote注册及鉴权放号Mote会话密钥生成与发放8.4.2LoRa网络服务器功能详解3.2.应用连接域该域实现对各客户应用服务器的连接管理，数据分发管理功能：应用服务器接口连接管理、状态维护和数据分发应用数据分发，包括上行数据的发送和下行数据的接收应用的连接接入进入鉴权应用数据帧的加解密Mote上行消息缓存8.4.2LoRa网络服务器功能详解3.3.网络管理域该域实现对LoRaWAN整个网络的管理功能：网路服务器内部各模块管理维护LoRa网关开通管理和运行状态监控LoRa网关物理参数、无线参数的设置Mote设备管理、运行上下文监测LoRa网络覆盖分析LoRa网络负荷监控8.4.3网络服务器连通性测试这部分结合中兴克拉的LoRa网络连接管理平台（InfiLink）、测试模拟工具LoadTester来介绍LoRaWan网络服务器的连通性测试过程，该平台云化部署，免费使用。请登录官网，联系我们，免费下载使用：/web/index.php/service/technology8.4.3网络服务器连通性测试测试目的

了解和掌握使用LoRa测试终端或测试工具LoadTester进行LoRa网络连通性测试快速验证网络服务器基本的数据转发功能。测试内容

验证LoRaWAN网络服务器的数据转发功能，包括LoRa终端的注册帧、上行数据帧、下行数据帧的收发过程。8.4.3网络服务器连通性测试测试步骤：(1)设置InfiLink对外接入LoRa网关和CS的通信地址，启动InfiLink服务器所有网元进程，包括NS、AS、JS等进程；(2)编辑LoadTester测试脚本文件commandfile.txt，设置好InfiLink通信地址，分配测试用LoRa网关、应用和终端，并设定测试时长；(3)启动LoadTester开始测试；(4)LoadTester会依据测试脚本顺序完成LoRa网关、应用和终端在InfiLink网络服务器的开通和模拟LoRa终端注册，并在设定的时长和发包频率，持续模拟LoRa终端上下行数据收发和CS的数据收发。(5)观察LoadTester测试终端界面，可验证InfiLink数据转发是否正常；8.5.1

LoRa应用管理平台概述

LoRa应用管理平台为LoRa物联网应用提供统一综合性平台支撑和管理框架，对于上层业务应用屏蔽底层数据协议的差异，使得各类应用系统可以快速部署和运行。主要设计目标包括如下几点：提供统一的项目应用管理和开通功能，实现应用管理的集中化、快速化；提供统一的项目应用管理和业务管理入口，方便系统访问和操作维护；提供统一的数据解析框架和解析插件，灵活支持各类传感器数据解析和设备接入；提供统一的业务流程和消息分发框架，提升系统的稳定性、可扩展性、灵活性提供统一的能力开放接口，支持不同系统互联互通，促进物联网生态蓬勃发展。8.5.2

LoRa应用管理平台框架

LoRa物联网应用管理平台通常采用分层架构设计，同时引入微服务设计思路和理念，支持分布式部署。应用管理平台的服务形态通常表现为PaaS平台或SaaS平台，以降低物联网上层业务应用的开发和部署难度。8.5.3

LoRa应用管理平台功能（项目管理）1.项目配置：物联网应用管理平台通常采取以项目为单位的管理模式，即首先创建一个项目，然后基于项目进行设备配置和管理；2.应用配置：LoRa物联网中，应用可依据应用标识（AppEUI）来区分，不同的AppEUI对应不同的应用。一个项目可包含一个或多个应用。3.终端配置：LoRa设备配置主要是配置带有LoRa模组的传感终端，基础信息包括设备标识（MoteEUI）、设备应用根密钥（AppKey）、行为模板、服务模板、设备类型（A/B/C类）、LoRa版本等。4.网关配置：LoRa网关配置主要是配置网关的标识（GWEUI）、网关认证密钥（GWKey）、网关名称、网关安装位置等信息。设备和应用配置完成并开通后，支持通过应用平台对其进行管理和维护，包括设备状态的查询、维护，设备的增、删、改、查、导入、导出等。8.5.4

LoRa应用管理平台功能（应用管理）业务应用管理功能包括拓扑展示、数据查询分析、门限预警、指令下发、策略控制等。拓扑展示数据查询分析门限预警策略控制与指令下发8.6.1智能滴灌端到端设计实验智能滴灌系统是基于LoRa网联网技术，通过土壤温湿度传感器实时监控土壤的湿度指标。云端服务器根据湿度指标值判断是否在合理区间，通过智能滴灌系统，自动调整土壤温湿度，改善土壤环境。8.6.2LoRa网络环境搭建步骤核心网部署：包括JS、NS、AS、GWIF、GWM、CSIF、OMC、BIF等服务模块。网关部署：是连接LoRa传感终端设备和LoRa核心网之间的关键系统。应用平台部署：实现传感设备的开通管理、数据解析、设备控制等系列化功能。传感器设备选型：见下表设备数量说明GSP平台设备1通用传感器平台AES20DTU101温