物聯(lián)網(wǎng)長距離無線通信技術(shù)應用與開發(fā)2.3LoRa協(xié)議棧協(xié)議棧解析與應用開發(fā)課件

1、第2章 LoRa無線通信技術(shù)開發(fā)2.3 LoRa協(xié)議棧協(xié)議棧解析與應用開發(fā)項目場景LoRa無線系統(tǒng)ContikiLoRa無線函數(shù)接口分析傳感器應用接口分析項目實踐項目場景LoRa網(wǎng)絡相較于其他無線傳感網(wǎng)絡擁有更遠的傳輸距離、擁有更好的抗干擾能力以及可控的數(shù)據(jù)收發(fā)數(shù)據(jù)，同時LoRa節(jié)點的計算能力可控。因此LoRa模塊在無線傳感網(wǎng)絡領(lǐng)域擁有很大的使用優(yōu)勢，在智慧畜牧方面擁有廣泛的應用。但正因為他的這些特點使得LoRa模塊的配置變的復雜，企業(yè)為了方便LoRa模塊的物聯(lián)網(wǎng)項目的快速開發(fā)專門為其制定了物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧，用戶通過物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議?？梢詫崿F(xiàn)快速的項目開發(fā)。因此學習協(xié)議棧的使用可以實現(xiàn)LoRa無線網(wǎng)絡的

2、快速開發(fā)。任務目標通過基于LoRa無線網(wǎng)的畜牧大棚空氣質(zhì)量采集和調(diào)節(jié)項目實例了解LoRa的網(wǎng)絡協(xié)議棧的工作原理和協(xié)議棧的關(guān)鍵接口，學習和掌握邏輯接口的使用，掌握應用接口的使用，通過使用應用接口能夠?qū)崿F(xiàn)快速的LoRa無線傳感網(wǎng)絡開發(fā)。LoRa無線系統(tǒng)ContikiContiki 兩個主要機制：事件驅(qū)動和 protothread 機制，前者是為了降低功耗，后者是為了節(jié)省內(nèi)存。在 Contiki 系統(tǒng)中，事件被分為以下三種類型：定時器事件（timer events）進程可以設置一個定時器，在給定的時間完成之后生成一個事件，進程一直阻塞直到定時器終止，才繼續(xù)執(zhí)行。外部事件（external event

3、s）外圍設備連接到具有中斷功能的微處理器 IO 引腳， 觸發(fā)中斷時可能生成事件。內(nèi)部事件（internal events）任何進程都可以為自身或其它進程指定事件。事件驅(qū)動LoRa無線系統(tǒng)Contiki傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)使用棧保存進程上下文，每個進程需要一個棧，這對于內(nèi)存極度受限的傳感器設備將難以忍受。protothread 機制恰解決了這個問題，通過保存進程被阻塞處的行數(shù)(進程結(jié)構(gòu)體的一個變量，unsiged short 類型，只需兩個字節(jié))，從而實現(xiàn)進程切換，當該進程下一次被調(diào)度時，通過 switch(_LINE_)跳轉(zhuǎn)到剛才保存的點，恢復執(zhí)行。整個 Contiki 只用一個棧，當進程切換時清空

4、，大大節(jié)省內(nèi)存。 protothread 機制LoRa無線系統(tǒng)ContikiContiki的用戶進程建立較為簡單。用戶進程的建立有三個步驟，分別是定義用戶進程，在進程列表中添加進程信息，編寫進程實體。定義用戶進程PROCESS(hello, hello); 進程列表中添加進程信息struct process * const autostart_processes = &hello,NULL;autostart_start(autostart_processes);編寫進程實體PROCESS_THREAD(hello, ev, data) . contiki用戶進程與程序LoRa無線系統(tǒng)Cont

5、iki編寫進程實體/hello進程主體PROCESS_THREAD(hello, ev, data) PROCESS_BEGIN(); /進程啟動while(1) /進程循環(huán)體printf(HelloWorld!rn); /進程打印信息etimer_set(&hello_timer, CLOCK_SECOND); /進程定時進入執(zhí)行設置process_status = 2; PROCESS_YIELD(); /進程跳轉(zhuǎn)PROCESS_END(); /進程結(jié)束LoRa無線系統(tǒng)ContikiContiki包含一個時鐘模型和5個定時器模型(timer, stimer, ctimer, etimer,

6、 and rtimer) 5種timer簡述如下：timer、stimer提供了最簡單的時鐘操作,即檢查時鐘周期是否已經(jīng)結(jié)束。程序從timer中讀出狀態(tài),判斷時鐘是否過期。tmiers 是使用的系統(tǒng)時鐘的ticks,而stimers是使用的秒。Ctimer回調(diào)定時器，驅(qū)動某一個回調(diào)函數(shù)。etimer事件定時器，驅(qū)動某一個事件。Rtimer實時時鐘。 Contiki定時器LoRa無線函數(shù)接口分析LoRa協(xié)議棧工程主要包含三個文件夾。LoRa appLoRa無線應用層api at-uart.c調(diào)試串口初始化 at.c提供給串口調(diào)試的AT交互協(xié)議 lora-net.cLoRa無線數(shù)據(jù)收發(fā)api接口

7、zxbee-sys-command.c處理下行的用戶命令 zxbee.c無線數(shù)據(jù)包封包、解包 devLoRa射頻驅(qū)動及部分硬件驅(qū)動 sx1278-a.cLoRa無線進程 sx1278-io.cLoRa SPI總線驅(qū)動 sx1278.cLoRa無線射頻驅(qū)動 sensorLoRa節(jié)點傳感器驅(qū)動 autoapps.cContiki操作系統(tǒng)進程列表 sensor.c傳感器進程、驅(qū)動及應用 contiki-conf.hLoRa網(wǎng)絡參數(shù)配置 contiki-conf.cContiki操作系統(tǒng)入口LoRa無線函數(shù)接口分析LoRa無線協(xié)議運行于Contiki操作系統(tǒng)，在系統(tǒng)啟動后會運行LoRa無線進程進行無線

8、協(xié)議的處理，并執(zhí)行：LoRa射頻初始化、LoRa網(wǎng)絡參數(shù)初始化、循環(huán)監(jiān)聽無線收發(fā)數(shù)據(jù)響應。LoRa無線相關(guān)主要程序文件如下：函數(shù)名稱函數(shù)說明sx1278-a.c啟動LoRa無線協(xié)議進程，完成無線網(wǎng)絡參數(shù)的初始化，循環(huán)監(jiān)聽無線收發(fā)數(shù)據(jù)響應sx1278-io.cSX1278 LoRa射頻模塊SPI總線讀寫驅(qū)動sx1278.cSX1278 LoRa射頻模塊驅(qū)動lora-net ()LoRa無線協(xié)議初始化，無線數(shù)據(jù)收發(fā)api接口LoRa無線函數(shù)接口分析智云框架下SX1278模塊的物聯(lián)網(wǎng)項目開發(fā)均在sensor.c文件下進行。sensor.c文件中為上層應用開發(fā)設置了五個接口函數(shù)，這五個應用開發(fā)接口函數(shù)

9、功能描述如下表所示：智云傳感器框架函數(shù)名稱函數(shù)說明sensorInit()傳感器硬件初始化sensorUpdate()傳感器數(shù)據(jù)定時上報sensorControl()傳感器/執(zhí)行器控制函數(shù)sensorCheck ()傳感器預警監(jiān)測及處理函數(shù)ZXBeeInfRecv()解析接收到的傳感器控制命令函數(shù)PROCESS_THREAD(sensor, ev, data)傳感器進程（處理傳感器上報、傳感器預警監(jiān)測）LoRa無線函數(shù)接口分析智云框架下LoRa無線節(jié)點示例程序基于Contiki系統(tǒng)框架開發(fā)，詳細程序流程圖如下：智云傳感器程序解析項目實踐畜牧氣體采集和調(diào)節(jié)硬件框圖設計如下：硬件功能設計項目實踐L

10、oRa無線節(jié)點示例程序LoRaApiTest基于LoRa無線協(xié)議框架開發(fā)的詳細程序流程圖如下：軟件邏輯設計項目實踐通信協(xié)議設計為了實現(xiàn)LoRa節(jié)點的數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)遠程與本地的識別，需要設計一套約定的通訊協(xié)議，約定的通信協(xié)議可以被遠程設備和本地節(jié)點識別。根據(jù)項目特性設計通信協(xié)議如下：數(shù)據(jù)方向協(xié)議格式說明上行（節(jié)點往應用發(fā)送數(shù)據(jù)）gas=XX表示采集的氣體濃度值下行（應用往節(jié)點發(fā)送指令）cmd=XX為0表示關(guān)閉風扇，1表示開啟風扇。項目實踐運行LoRaApiTest工程，通過IAR工具的進行程序的開發(fā)、調(diào)試，設置 斷點理解LoRa無線框架程序調(diào)用關(guān)系。項目實踐LiteB-LR節(jié)點每隔20s會上傳一次氣體數(shù)據(jù)到應用層（氣體數(shù)據(jù)是通過隨機數(shù)產(chǎn)生）。同時通過ZCloudTools工具發(fā)送風扇控制