如何使用Microchip模塊實(shí)現(xiàn)LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

LoRaWAN提供的性能特性與滿足物聯(lián)網(wǎng)。除了擴(kuò)展的工作范圍和低功耗要求外，LoRaWAN還提供安全，靈活的通信選項(xiàng)。然而，實(shí)施LoRaWAN解決方案所需的硬件和軟件可能成為專注于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用本身的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的主要障礙。

本文將詳細(xì)介紹Microchip Technology在第1部分中介紹的RN2903 LoRa模塊，以及展示如何將其與一些額外的硬件和軟件一起使用，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程，低功耗的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)。

快速啟動(dòng)套件

Microchip Technology的RN2903 LoRa模塊近在咫尺用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的插件LoRaWAN硬件解決方案。即便如此，它仍然只是完整LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的基石，開(kāi)發(fā)人員仍然必須考慮支持硬件和軟件系統(tǒng)。 Microchip通過(guò)全面的評(píng)估套件滿足了這一需求，該套件提供了為物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)LoRaWAN所需的其他元件。

如第1部分所述，Microchip Technology的RN2903支持915 MHz的LoRaWAN兼容通信，旨在實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。 Microchip模塊經(jīng)過(guò)全面認(rèn)證，包含實(shí)現(xiàn)LoRaWAN連接所需的所有組件（圖1）。模塊的命令處理器使用板載LoRaWAN固件來(lái)完全支持LoRaWAN A類協(xié)議。板載EEPROM為L(zhǎng)oRaWAN配置參數(shù)提供存儲(chǔ)，通過(guò)減少主機(jī)和模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸來(lái)增強(qiáng)性能并提高安全性。

圖1：Microchip的LoRa模塊通過(guò)其板載命令處理器，LoRaWAN協(xié)議棧，無(wú)線電收發(fā)器和串口為L(zhǎng)oRaWAN連接提供了一個(gè)插入式解決方案連接。 （圖像來(lái)源：Microchip Technology）

Microchip RN2903模塊提供專用UART接口，用于與外部MCU主機(jī)通信。此外，該模塊還包含14個(gè)GPIO引腳，開(kāi)發(fā)人員可使用模塊固件對(duì)其進(jìn)行編程，以監(jiān)控或控制外部設(shè)備，如開(kāi)關(guān)和LED。最后，該模塊提供一個(gè)RF信號(hào)引腳，便于連接到簡(jiǎn)單的套筒偶極天線。

模塊的命令處理器根據(jù)從外部主機(jī)MCU通過(guò)其UART接口接收的命令執(zhí)行LoRaWAN事務(wù)。與任何網(wǎng)絡(luò)通信方法一樣，LoRaWAN消息以特定格式發(fā)送和接收。對(duì)于LoRaWAN，LoRa聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)在字節(jié)級(jí)別詳細(xì)說(shuō)明了這些格式。 RN2903模塊提供了一種直觀的基于文本的方法，可將LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)字節(jié)級(jí)格式抽象為一組帶有可選參數(shù)的關(guān)鍵字命令。

Microchip定義了三種類型的關(guān)鍵字：

< li>用于LoRaWAN MAC配置和控制的mac命令

針對(duì)PHY無(wú)線電層的無(wú)線電命令

sys命令用于其他模塊功能，例如提供模塊固件版本信息或訪問(wèn)模塊的EEPROM存儲(chǔ)

例如：

mac tx uncnf 30 23A5

在端口30上發(fā)送一條消息，數(shù)據(jù)值為“ 2,3,4,5-“ 。 “uncnf”選項(xiàng)表示設(shè)備未請(qǐng)求來(lái)自網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的確認(rèn)?；蛘?，使用“cnf”選項(xiàng)表示設(shè)備期望網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器確認(rèn)收到。 LoRa模塊負(fù)責(zé)在將此消息發(fā)送到其網(wǎng)關(guān)以便傳送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之前加密該消息。

radio tx 6d657373616765

傳輸包含值[0x6d] [0x65] [0x73] [0x73] [0x61] [0x67] [0x65]（示例文本字符串“message”，十六進(jìn)制）

sys set nvm 100 FF

將值0xFF存儲(chǔ)在EEPROM中用戶分區(qū)的地址0x100

IoT器件設(shè)計(jì)

通過(guò)其串行接口，RN2903幾乎不需要額外的組件來(lái)實(shí)現(xiàn)LoRaWAN-兼容的物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)計(jì)。 Microchip憑借其RN2903 LoRa Mote進(jìn)一步加速了開(kāi)發(fā)速度。 Microchip LoRa Mote旨在展示其LoRa模塊功能，提供實(shí)現(xiàn)兼容LoRaWAN的無(wú)線傳感器所需的全套硬件和軟件。

Microchip RN2903 LoRa Mote和RN2483 LoRa Mote各自組合各自具有Microchip PIC18LF45K50 8位MCU的LoRa模塊，用作傳感器操作和LoRaWAN協(xié)議執(zhí)行的主處理器。此外，Mote還包括用于采集樣本數(shù)據(jù)的光和溫度傳感器，以及用于用戶反饋的LCD顯示器。 Mote通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)USB接口連接到主機(jī)，可以訪問(wèn)LoRa模塊的UART接口。

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，工程師可以通過(guò)發(fā)送mac，radio和sys命令字符串來(lái)執(zhí)行LoRaWAN操作。模塊使用Mote的USB連接。在運(yùn)行時(shí)期間，在IoT設(shè)備主機(jī)上運(yùn)行的代碼將根據(jù)IoT應(yīng)用程序的需要發(fā)出命令和處理響應(yīng)。對(duì)于LoRaWAN應(yīng)用，Microchip提供了一個(gè)帶有Mote硬件的擴(kuò)展C軟件庫(kù)。例如，應(yīng)用程序級(jí)例程MOTEapp.c收集傳感器數(shù)據(jù)并通過(guò)LoRaWAN連接傳輸數(shù)據(jù)，處理RN2903預(yù)期的低級(jí)mac命令（清單1）。

復(fù)制

。 。 。

moteApp_clearBuffers（）;

//確保端口在允許的范圍內(nèi)

//為T(mén)x準(zhǔn)備DataBuffer

light = 0;

溫度= 0;

NOP（）;

//測(cè)量傳感器

moteApp_setSensorsInput（）;

uint8_t sizeOfUpdate = 0;

light = moteApp_convertSensorValue（moteApp_getLightValue（））;

oled_putString（moteApp_getLightString（），6,1）;

sizeOfUpdate = moteApp_addToDataBuffer（moteApp_getLightString（），4）;

temperature = moteApp_convertSensorValue（moteApp_getTempValue（））;

temperature = ADC_TempConversion（temperature） ;

moteApp_add8bToDataBuffer（溫度，4 + moteApp_lightStringSize（）+ 1）;

//執(zhí)行正常操作

//獲取隨機(jī)頻道

randomPortNum = TMR2_ReadTimer（）;

//為T(mén)x準(zhǔn)備DataBuffer

moteApp_add8bToDataBuffer（randomPortNum，0）;

dataBuffer [3] = 0x20;

NOP （）;

sendDataCommand（“mac tx uncnf”，dataBuffer，12）;

清單1：Microchip提供的C軟件演示了一個(gè)示例IoT應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序從Mote的光和溫度傳感器收集數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)構(gòu)建消息（ add8bToDataBuffer ）并使用mac tx命令發(fā)送消息（ sendDataCommand ）。 （代碼來(lái)源：Microchip Technology）

應(yīng)用級(jí)開(kāi)發(fā)

隨著基于關(guān)鍵字的簡(jiǎn)化命令方法，Microchip LoRa模塊和相關(guān)的Mote開(kāi)發(fā)板大大簡(jiǎn)化了LoRaWAN端的開(kāi)發(fā)設(shè)備。然而，即使系統(tǒng)級(jí)Mote板及其相關(guān)軟件也只能處理LoRaWAN層次結(jié)構(gòu)中最低的終端設(shè)備級(jí)別。完整的LoRaWAN兼容網(wǎng)絡(luò)需要額外的硬件組件，包括兼容的網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。

此外，在實(shí)施物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序時(shí)，開(kāi)發(fā)人員必須處理LoRa聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)僅解決的問(wèn)題。標(biāo)準(zhǔn)OSI堆棧的最低級(jí)別。因此，開(kāi)發(fā)人員需要完成額外的網(wǎng)絡(luò)層，從位于LoRaWAN MAC標(biāo)準(zhǔn)所尋址的數(shù)據(jù)鏈路層之上的OSI網(wǎng)絡(luò)層開(kāi)始。

Microchip通過(guò)硬件和軟件開(kāi)發(fā)套件滿足了這一需求實(shí)現(xiàn)完整的LoRaWAN兼容網(wǎng)絡(luò)，包括終端設(shè)備，網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。 Microchip RN2903 LoRa網(wǎng)絡(luò)評(píng)估套件和RN2483 LoRa網(wǎng)絡(luò)評(píng)估套件將一對(duì)Motes與Microchip的LoRaWAN網(wǎng)關(guān)板捆綁在一起。該板由LoRaWAN網(wǎng)關(guān)核心板和配有天線和電纜的相關(guān)無(wú)線電子卡組成。

在軟件方面，該套件使用Microchip LoRa技術(shù)評(píng)估套件，該套件提供所有軟件組件需要完全評(píng)估示例LoRa系統(tǒng)（圖2）。

圖2：Microchip的LoRa網(wǎng)絡(luò)評(píng)估套件和軟件套件實(shí)現(xiàn)了完整的LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，包括終端設(shè)備（Mote板），網(wǎng)關(guān)（核心板） ）和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（mchplora）。 （圖像來(lái)源：Microchip Technology）

Suite提供了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（mchplora）作為docker容器，旨在在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中的虛擬機(jī)上運(yùn)行。網(wǎng)關(guān)板通過(guò)USB連接到開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，并與Mote板無(wú)線通信。 Mote板通過(guò)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的USB連接到基于java的開(kāi)發(fā)實(shí)用程序。

Microchip LoRa開(kāi)發(fā)套件旨在與評(píng)估套件配合使用，提供全面的Java套件，提供更廣泛的服務(wù)比Mote C庫(kù)更好。例如，要發(fā)送MAC傳輸，Development Suite會(huì)將基礎(chǔ)事務(wù)抽象為 macTX 類的簡(jiǎn)單 execute 方法（清單2）。

復(fù)制

void macTXSendAction（）

{

if（this.application.device.updateValueFlag）

this.application.device.wanPojo.setData（this.data.getText（））;

if（this.application.device.updateValueFlag）{

this.application.device .wanPojo.setPortNumber（this.portNumber.getText（））;

}

ICommand macTX = CommandFactory.getCommand（CommandFactory.mactx）;

DeviceModel currDev = this.application.device;

macTX.setDataModel（currDev）;

< p>

列表任務(wù)=新的ArrayList（）;

task.add（macTX）;

if（currDev！= null）

this.application.mvcController.execute（task）;

else

System.err.println（“當(dāng)前設(shè)備未設(shè)置”）;

}

清單2：Microchip LoRa開(kāi)發(fā)套件提供了一個(gè)完整的LoRaWAN環(huán)境，包括一組抽象的LoRaWAN事務(wù)的Java包（jar文件）例如mac tx到一組簡(jiǎn)單的軟件調(diào)用，例如 macTXSendAction（）。 （代碼來(lái)源：Microchip Technology）

在清單2中， CommandFactory 是在 LoRaDevUtility.jar 中定義的類，用于定義

public static String mactx =“mac tx”;

然后創(chuàng)建相應(yīng)類的實(shí)例，在本例中為 macTx 類對(duì)象，當(dāng)工廠被稱為 CommandFactory.mactx ：

if（command.compareTo（mactx）== 0）

返回新的macTX（）;

LoRaDevUtility.jar 中的 macTX.class 提供運(yùn)行時(shí)配置值和各種服務(wù)功能，如數(shù)據(jù)包驗(yàn)證以及類的主要實(shí)用程序方法， execute 。 execute 方法以所需格式創(chuàng)建所需的mac tx命令字符串，傳輸消息（ WriteI2cData ），然后獲取響應(yīng)：

< span>復(fù)制

command = new StringBuilder（）。append（“mac tx”）。append（（（DeviceModel）this.server）.wanPojo.getIsConformed（））。append（“”）。append（（ （DeviceModel）this.server）.wanPojo.getPortNumber（））。append（“”）。append（（（DeviceModel）this.server）.wanPojo.getData（）。replace（“0x”，“”））。toString （）;

byte [] data = command.getBytes（）;

（（DeviceModel）this.server）.getController（）。transport.WriteI2cData（this.processPacket.pack（data） ），null，this.timeout）;

byte [] read = null;

read = super.readResponseData（）;

結(jié)論

高效連接是由大量低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備組成的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的基本要求。 LoRaWAN提供有效的物聯(lián)網(wǎng)連接解決方案，以最低的功率要求提供遠(yuǎn)程操作。與任何連接選項(xiàng)一樣，實(shí)現(xiàn)本身就是一項(xiàng)重大任務(wù)，使開(kāi)發(fā)人員不再主要關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用本身。

基于Microchip Technology的RN2903 LoRa模塊，Microchip Technology的LoRa網(wǎng)絡(luò)評(píng)估套件及隨附LoRa Development Suite提供完整的LoRaWAN應(yīng)用程序。通過(guò)預(yù)先認(rèn)證的硬件和軟件的組合，開(kāi)發(fā)人員可以快速開(kāi)發(fā)出能夠?qū)崿F(xiàn)15公里無(wú)線范圍和10年電池壽命的物聯(lián)網(wǎng)連接解決方案。