物联网长距离无线通信技术应用与开发2.2LoRa开发平台和开发工具课件

1、第2章 LoRa无线通信技术开发2.2 LoRa开发平台和开发工具项目场景LoRa 与SX1278LoRa无线协议LoRa开发工具项目实践任务目标以智慧畜牧项目为例对LoRa节点所组建的智慧畜牧网络进行工程编辑和调试，并使用官方和企业调试工具对网络进行调试，并学习和掌握LoRa网络的组网参数含义和网络调试过程。项目场景Ti公司为SX1278 LoRa传感网络开发提供了各种开发环境、网络调试工具等，方便进行产品开发设计及工程运维中的故障调试。在实际物联网应用场景中，智慧畜牧系统的工程现场环境、布局、设施改造等都会传感网调试带了很大影响。通过对各种软件工具的使用，能够优化设备性能和排除故障，让系统

2、稳定运行。LoRa与SX1278SX1278 LoRa芯片主要用于超长距离扩频通信，抗干扰性强，能够最大限度降低电流消耗。借助LoRa专利调制技术，SX1278具有超过-148dBm的高灵敏度，+20dBm的功率输出，传输距离远，可靠性高。同时，相对传统调制技术，LoRa调制技术在抗阻塞和选择方面也具有明显优势，解决了传统设计方案无法同时兼顾距离、抗干扰和功耗的问题。SX1278模块如下图所示。 LoRa与SX1278SX1278包含两个定时基准、一个RC振荡器以及一个32M晶振。射频前端和数字状态机所有重要参数均可通过一个SPI接口进行配置，通过SPI可以访问SX1278的配置寄存器。电气特

3、性：供电电压3.3V，晶振32MHz，低频段169M和433M高频段868M-915M，带宽125K，扩频因子12，纠错率4/6，负载长度64个字节 ，序列长度12个符号(可编程寄存器 序列长度为8)。SPI通信时钟10MHz，引脚变化时间ns级。SX1278功能特性 LoRa与SX1278SX1278芯片只具有LoRa射频功能，一般需要通过MCU来驱动，二者之间通过SPI接口通信。本文采用ST公司的ARM Cortex-M3 STM32F103芯片来作为SX1278射频模组的主处理器，该处理器主要完成三部分内容：SX1278无线射频驱动、传感器外设驱动及应用、LoRa无线协议系统。具体硬件连

4、接示意图如下： LoRa与SX1278SX1278 LoRa无线模组硬件系统如下：LoRa与SX1278SX1278除了是一个射频模块以外，本身还是一个可编程逻辑器件，但逻辑编程需要外接的控制芯片来完成，通过SPI总线向模块的寄存器写入数据，可以实现模块的功能配置，网络配置，数据收发和IO控制等。SX1278的模块操作LoRa无线协议LoRaWAN协议是由LoRa联盟推动的一种低功耗广域网协议，针对低成本、电池供电的传感器进行了优化，包括不同类别的节点，优化了网络延迟和电池寿命。LoRa联盟标准化了LoRaWAN，以确保不同国家的LoRa网络是可以互操作的。LoRa无线协议LoRaWAN协议主

5、要特性具有兼容性不同厂家的不同传感器节点可以接入同一个LoRaWAN网络，在LoRaWAN的协议和数据云平台端的接口是统一的。LoRaWAN区域性规范LoRaWAN规范规定了欧洲、北美、中国、日本、韩国、印度等不同区域的要求。网络容量大通过多信道接入、频率切换、自适应速率LoRaWAN网络相对于基于LoRa物理层的点对点或者点对多点应用数据容量更大，能接入节点更多，可扩展性强。有利于应用开发商开发较大规模应用和持续升级性应用。终端设备的多样性LoRaWAN通过对使用的设备进行分类，以适配不同应用场景，不同设备类别需要平衡下行通讯延迟和电池寿命。安全性好LoRaWAN网络设计了节点接入认证，数据

6、加密等安全机制。这些机制经过业界专家审查，并经过全球各个技术公司的多种应用验证，在安全性上相对于应用开发商的临时协议会高很多。为应用的持续安全提供保障。LoRaWAN的优势LoRaWAN无论在部署还是在对技术设施的要求上，都比已存系统更有成本优势。一图以蔽之。LoRa无线协议LoRa CLAA无线协议的优势按需部署的保障CLAA联盟成员超过90家，涵盖了网络、芯片、模组、终端、应用等产业链各环节，各参与者在低功耗广域网络领域已积累不少经验;作为联盟发起者，中兴通讯深耕政企行业市场多年，对各行业需求的理解也非常深入。统一基站、标准和接口推动共享的接入网CLAA提供标准化、系列化的无线物联网网关(

7、IWG)、统一应用标准和接口规范，即装即用，所有联盟成员基于此类设备和规范部署的基站均为全国型CLAA网络的一部分，具有在全国范围内可共享的技术基础。全国性云化核心网扩展了共享的范围CLAA提供免费的全国性核心网，所有应用终端和传感器都可以通过CLAA基站接入该核心网，正是因为这个全国性云化核心网络的存在，让不同用户海量设备有了共享的管理平台支撑，所有终端均可在这个弹性云端接入后实现全网服务，把可共享的范围扩展到全国各行业中。多层次合作模式让多方有利可图CLAA已推出面对独立运营商、大型战略合作伙伴、中小型客户和专业渠道商四类合作者的商业模式，基本涵盖了不同层次的业务范畴，可以说是产业联盟中建

8、立起合作的游戏规则。LoRa无线协议LoRa私有协议采用SX127x网关的私有协议主要用于低成本的小规模组网，由于SX127x仅支持单通道的LoRa无线数据收发，所以需要在设计上实现节点的分时复用。LoRa私有协议对应的项目具有一些要求： 1）节点数目较少；2）上报和下发通信具有定时规律；3）对带宽的要求很低。LoRa私有协议节点分时复用逻辑图如下：LoRa无线协议LoRa网络参数根据LoRa模块的网络特性，必须保持LoRa组网条件的几个参数必须相同，分别为：网络ID、基频频率（FP）、扩频因子（SF）、带宽（BW）、编码率（CR）。通过工程源码可以直接修改LiteB-LR节点的网络参数，打开

9、工程文件zonesion - LoRa - contiki-conf.h，相关网络参数如下。/*LoRa网络标识*/#define LoRa_NET_ID 0 x32 / 应用组ID：0 x010 xFE#define LoRa_PS 15 / 前导码长度：4-100#define LoRa_PV 15 / 发射功率：0-20#define LoRa_HOP 0 / 跳频开关：0-1#defineLoRa_HOPTAB 431,435,431,435,431,435,431,435,431,435 / 跳频表/* 基频*/#define LoRa_FP 433 / 基频/* */#define

10、 LoRa_SF 8 / 扩频因子：6-12#define LoRa_CR 1 / 编码率：1-4对应：4/5、4/6、4/7、4/8#define LoRa_BW 5 / 带宽：0-9LoRa开发工具IAR开发工具LiteB-LR无线节点集成ARM Cortex-M3 STM32F103处理器，可以采用IAR Embedded Workbench for ARM开发环境进行软件开发。LoRa开发工具J-Flash ARM工具J-Flash ARM工具是IAR提供的烧写工具，通过该工具可以实现STM32F103芯片的擦除和代码程序的固化，J-Flash ARM工具如下图所示:LoRa开发工具Z

11、CloudTools协议工具（Android端）CloudTools工具是一款企业开发一款无线传感网综合分析测试工具，提供网络拓扑图、数据包分析、传感器信息采集和控制、传感器历史数据查询等功能。ZCloudTools调试工具界面如下：LoRa开发工具ZCloudTools协议工具（PC端）PC端调试工具为ZCloudWebTools，该工具可直接在PC的浏览器上运行，功能于ZCloudTools工具类似。ZCloudWebTools工具界面如下：LoRa开发工具xLabTools调试工具LoRa AP连接到xLabTools工具上时可以查看网络信息和该LoRa AP所组建的网络下的节点反馈的信

12、息，并能够通过调试窗口向网络内各节点发送数据；将终端节点或路由节点连接到xLabTools工具上时可以实现对终端节点数据的监测，并能够通过工具向LoRa AP发送指令。LoRa开发工具PortHelper调试工具PortHelper是一款功能强大的程序调试工具，该工具除了基本的串口调试功能外还集成有串口监视器、USB调试器、网络调试器、网络服务器、蓝牙调试器以及一些辅助的代码开发工具。此处使用到的就是PortHelper的串口调试功能。PortHelper串口调试界面如下：LoRa开发工具LoRaUtility参数计算工具通过网络参数的设置，可以让LoRa通信达到项目最优，可以通过LoRa网络配置工具LoRaUtility来进行网络参数设置。1）LoRa数据速率DR计算公式：DR = SF*(BW/2SF)*CR2）理解LoRa无线传输空中消耗时间。开发实践LoRa网络参数设置了解LoRa无线协议源码结构，通过contiki-conf.h文件修改LoRa网络参数。开发实践J-Flash ARM烧写程序通过J-Flash ARM工具可以对节点程序进行固化烧写。开发实践ZCloudTools网络拓扑1.ZCloudTools可以完成LoRa网络拓扑图的监测。2.ZCloudTools可以完成节点应用层数据包的监测。开发实践xLabTools分析数据1）xLab