LoRaWAN

简介

LoRa （长距离的简称）是一种扩频调制技术，源自啁啾扩频 (CSS) 技术。LoRaWAN 由 LoRa 联盟开发，是 LoRa 网络的系统架构和通信协议规范。LoRaWAN 是一种媒体访问控制 (MAC) 层协议，使 LoRa 在更广泛的应用程序中得以实现。 LoRa 联盟定义了 LoRaWAN 的网络层和系统架构。图 1 描绘了 LoRaWAN 连接流程，不同组件将终端节点连接到云端和应用服务器。

LoRa 不同于蜂窝技术，其终端节点不与特定网关相关联。相反，数据由节点传输并由多个网关接收。每个网关随后通过蜂窝、以太网、卫星、WiFi 等回程线路，将数据包从终端节点转发到基于云的 LoRa 网络服务器 (LNS)。LNS 具备一定的复杂性和智能性，能够管理网络、过滤冗余数据包、执行安全检查和启用自适应数据速率等。因此，对于移动 LoRaWAN 终端设备而言，不存在网关间切换。

应用服务器 (AS) 负责安全地处理、管理和解析传感器应用数据，以及为驱动仪表板 UI 提供数据。

入网服务器 (JS) 管理入网终端设备的空中激活 (OTAA) 流程。JS 对终端设备执行入网流程（双向认证），将终端设备应当连接到哪个 AS 通知给 LNS，并派生会话密钥。 每个 JS 由一个 64 位的全局标识符 AppEUI (或 JoinEUI) 唯一标识。终端设备基于 DevEUI、Join EUI、DevNonce、根密钥 (AppKey、NwkKey ) 在本地派生会话密钥，使得安全密钥不会通过无线交换。JS 向 LNS 传递网络会话密钥并向 AS 传递应用程序会话密钥。终端设备安全地存储各自的根密钥，而等效的匹配密钥则安全地存储在 JS 上。因此，JS 包含其管理的每个终端设备的以下信息：

• DevEUI（终端设备唯一序列标识符）
• 根密钥
• AppKey（应用程序密钥）
• NwkKey （网络密钥）
• 应用程序服务器标识符
• 终端设备服务配置文件

个性化激活 (ABP) 过程相对简化和不安全。在通过个性化激活过程中，入网流程被跳过，并且可以在生成 ID 和密钥时进行个性化。终端设备被绑定到特定的网络或服务，而且其网络地址的一部分由网络标识符 (NetID) 构成，这使得他们在供电后可以立即使用。

LoRaWAN 规范定义了三种终端设备类型：A 类、B 类和 C 类。A 类设备大部分时间处于空闲状态（如节能模式）。当终端设备传感器正在监控的环境发生变化时，设备会唤醒并启动上行链路，将传感器读数传输 (Tx) 到 LNS。终端设备随后监听来自 LNS 的响应，在上次启动上行链路传输 (Tx) 之后的指定时间（1 秒和 2 秒）内，它至多打开两个接收 (Rx) 窗口。LNS 可以在任一 Rx 窗口中发送下行链路消息。B 类设备扩展了A 类设备的 Rx 功能，为来自 LNS 的下行链路消息增加预定的 Rx 窗口。这是通过使用由网关传输的时间同步信标来实现的，同步信标指示终端设备周期性地打开 Rx 窗口。C 类设备始终保持接收 (Rx) 窗口开启，进一步扩展了 A 类设备功能。C 类设备不依赖电池供电，除了在发送 (Tx) 上行链路消息时，始终监听下行链路消息。因此，在 LNS 和终端设备之间的通信中，C 类设备的通信延迟最低。 了解有关 LoRaWAN 1.0.3 的详细描述，请参阅此处。

FreeRTOS 的 LoRaWAN 堆栈

FreeRTOS 为嵌入式软件开发者提供了诸多好处。继续阅读。

如图 2 所示，FreeRTOS 的 LoRaWAN 堆栈使用 LoRaWAN 管理任务对 LoRaWAN 网络的时序约束进行抽象，从而为应用程序层提供更简单的编程模型。它将处理无线中断和 MAC 层事件的问题与用户应用程序分开。这使得应用程序任务能够顺序执行，具有更模块化。这也有助于定义良好的 Helper API。Helper API 可以在不同的应用程序中复用，例如阻塞 API 可以用于加入网络、发送和接收原始数据。如果设备不支持安全配置， 还可以使用用于配置和获取加入证书的 Helper 函数。对于当前版本，仅支持 A 类设备功能。未来版本将支持 B 类 & C 类设备，同时支持应用程序在不同的操作类型之间切换。堆栈还暴露了 无线硬件抽象层 (HAL)，为应用程序提供了直接控制 LoRa 无线模块或调制解调器的能力。HAL 可以用于一个或多个 LoRa 无线电收发器或 LoRa 无线电调制解调器。

FreeRTOS 的 LoRaWAN 堆栈使用 LoRaMac-Node，这是 Semtech 对 LoRaWAN 终端设备协议规范的开源实现。LoRaMac-Node 实现了 LoRaWAN 的 1.0.3 版规范。了解更多有关 LoRaMac-Node 的详细信息，请访问 Semtech 的文档。LoRaWAN 的 FreeRTOS 支持源代码可在此处获得。