LoRaWAN学习心得

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LoRaWAN学习心得

1.学习历程

在前面学习了Linux高级编程的基础上，开始对硬件正式有所交集，以前学习Linux可能只知道某些传感器的数据存放在哪个文件夹下，读取相应的数据就完事，大部分是应用层方面的实现，而不知道这些传感器的数据具体是怎么来的。学习了stm32单片机之后，与硬件打交道，离底层又更近了一步。

当然开始学习stm32的时候，只是照着一些资料依葫芦画瓢，并没有真正理解实现的原理。只知道跟着资料一顿操作之后，如果烧录程序进入开发板，能够实现相应的功能就万事大吉。这样的学习只能解决有教程的问题，而如果想要独立实现某功能，会很困难。

后面在学习了流水灯，蜂鸣器，按键，声音传感器，光强传感器等基本期间的使用之后，逐渐进入一些协议的学习，比如一线协议的DHT11温湿度传感器，DS18B20温度传感器的工作原理；I2C协议SHT30温湿度传感器的工作原理，OLED显示屏的基本使用；串口的输出，使用esp8266连接WIFI利用MQTT协议实现温湿度上报云平台，了解NB-IoT基本原理等；到后来学习SPI协议，利用SX1278LoRa模块实现两个模块透传，实现LoRaWAN网络结构的温湿度上报。其实对于像单片机这种与硬件打交道来说，底层的原理都是死的，无非就是引脚的配置和使能，使用哪些协议，告诉CPU这个“大蜘蛛”，现在要哪几个脚去干什么，其他的过程都差不太多，当然很重要的一点是原理图和芯片datasheet的了解。就像LoRaWAN的学习，其实并不是要让你去写整个LoRaWAN的体系结构，从寄存器开始写到应用层，而是要学会模块驱动的移植，协议栈的移植，以及实现整个网络体系中需要终端节点干的事，比如数据的采集，数据的发送以及接收等基本功能，也不需要自己去写底层驱动，操作寄存器等，重要的是理解每一环的作用和实现的原理。

2.关于LoRaWAN

LoRaWan 网络架构
下图是 LoRa以及LoRaWAN在通用的物联网架构中的位置：

•LoRa：是无线接入技术，在物联网架构中，LoRa 处于物联网的无线终端感知层和网络传输层。因此 LoRa 本身并不是物联网的全部，只是物联网的一部分。

•LoRa 终端：通过传感器采集物体的信息，并通过 LoRa 无线空口技术，把数据传输给 LoRa 无线基站。

•LoRa 无线基站：提供对 LoRa 终端的无线接入和汇聚，LoRa 无线基站通过以太局域网或 2G/4G/5G 的公共移动通信网，连接到 LoRaWAN 广域网络服务器。

•LoRaWAN 服务器：可以管理多个 LoRa 无线基站，同时充当 LoRa 终端连接物联网云平台的网关。

下图是 LoRa 联盟推荐的 LoRaWAN网络架构：

•LoRa Node：LoRa 终端节点

•Concentrator：实现对 LoRa 终端节点提供接入和汇聚功能的 LoRa 基站(网关)。

•Network Server：LoRa 的核心网，用于管理 LoRa 网络中所有的 LoRa 节点。

•Application Server：由不同业务领域的服务器组成，并通过 Web 或手机接入的方式向用户提供业务服务。

与通用物联网架构的区别是，在此架构中，没有一个显式的、支持各种物联网无线接入的、通用的物联网云平台层。该云平台可以从 ApplicationServer 中分离出来，处于 Network Server 和 Application Server 之间。可以与 Network Server 一起部署。

当然目前我学习的主要是LoRaWAN节点的开发，主要负责终端节点采集数据以及数据的发送和接收，主要掌握A类和C类节点的开发使用。其实这两类节点的差别并不是很大，毕竟C类是在A类的基础上实现的，只是C类在数据接收方面更灵敏，但是功耗更大。

3.学习心得
从刚开始了解SPI协议，了解SPI协议需要哪些引脚，各自的功能，SPI工作的四种模式，SPI主设备是怎么和从设备进行数据交换，通过短接MISO和MOSI引脚进行SPI的回环测试等等。然后是SX1278模块的驱动移植，通过在semtech官网下载对应模块的驱动文件，对照着官方的介绍以及查找的资料进行驱动的移植，当然SX1278模块和MCU之间的连通主要用到的是SPI协议，只不过除了SPI的四根线以外还有VCC,GND,DIO0和RESET，需要在移植的驱动文件里对着自己单片机配置的相应引脚进行更改，对于不需要用到的文件或者配置只需要删除和注释就行了。很重要的是要查找资料，修改LoRa模块的发射频率等一些配置参数，因为在不同的地区这些参数都不一样，这一点在LoRaWAN协议栈的移植过程中也很重要，最后需要在主函数里调用发射/接收函数，实现自己想要的功能即可。当然一次就成功的几率很小，会有很多看似不重要的参数决定着本质上的问题，比如说SX1278的SPI支持最大速率等。

在实现LoRa两个模块消息点对点的通信之后，开始对LoRaWAN的协议栈进行移植。这次可比SX1278驱动移植困难更多，因为虽然官方有协议栈移植的说明文件，但是很多自己单片机用不到的文件或者函数需要修改，不然一编译满屏的报错，需要对着一个个错误进行修改，这个有一定的工作量，首先需要实现ping-pong固定频率测试，就相当于升级版的LoRa模块互传，只不过两个模块都可以作为主(从)设备，且收发频率固定。

之后进行LoRa模块节点与网关通信，首先需要了解节点的类型，以及各种节点的工作模式和原理，然后是节点入网的激活，数据在收发过程中，关于地区，频点，信道等方面的参数都需要自己去查找资料进行修改，数据从应用层到物理层的封装过程需要了解，数据的加密方式等，虽然关于协议栈方面不需要自己写很多的代码，但是需要自己查看源码，查找相应资料进行理解。很多东西给你封装好了不一定是好事，虽然使用方便了，但是对于学习来说，更需要花时间和精力去挖掘底层的原理。

在LoRaWAN入网，信道选择，收发信息等过程中，运用了很多网络和通信有关的知识，比如说OTAA/ABP激活方式，发送时进行信道冲突避免的ALOHA协议算法(duty-cycle)，ADR自动优化传输速率，CAD检测前导码机制，AES-128加密算法，SF扩频因子，和TCP/IP协议类似的MAC/PHY数据包分层封装/解封的机制等等，想要理解整个LoRaWAN网络结构，除了了解协议栈函数的调用实现相应功能，配置相应的参数以外，关于通信方面也需要深入研究，特别是数据在发送过程中的调制，解调，加密，怎样让数据收发效率最高，可靠性最高，都是需要研究的问题。

整个LoRaWAN网络架构还只是学习了部分，且正在继续挖掘深层原理中，仍需努力！