查看: 65838|回复: 0

[高级教程] 如何构建适合家庭场景的LoRaWAN系统

[复制链接]

随着物联网（IoT）技术的发展，智能家居逐渐成为现代家庭的宠儿。同时，LoRa作为一种低功耗、远距离的无线通信技术，为家庭物联网场景提供了可靠、高效的解决方案。

然而，基于LoRa技术为智能家居场景设计完整的LoRaWAN系统并不是一件容易的事。它需要我们综合考虑家庭环境的特点、用户的需求以及各种智能设备的互联互通。只有在系统设计和规划阶段充分考虑这些方面，才能保证系统的稳定性、可扩展性和安全性。

在家庭场景中，构建LoRaWAN系统一般涉及以下步骤：

步骤1.系统需求分析
步骤2.网络拓扑设计
步骤3.设备选择
步骤4.设备安装和配置
步骤5.应用服务设计和部署

系统需求分析

在家庭场景搭建LoRaWAN系统时，我们首先需要明确系统需求。在分析系统需求时，可以考虑以下几个方面：

功能需求：确定系统需要实现的基本功能。例如，对于智能浇水系统，要求可能包括测量土壤湿度、自动水控制和定时浇水。对于电力监控系统，需求可能包括家庭用电量的实时监控、用电统计、报警功能。对于智能监控系统，需求可能包括实时监控家庭安全、提供录像回放、远程通知等。
可扩展性要求：考虑系统的可扩展性，以满足未来需求的变化。例如，智能浇水系统是否需要支持多个厂区的监控、电力监控系统是否需要支持多个回路的监控、智能监控系统是否需要支持多个摄像头的部署等。保证系统具有良好的可扩展性，方便日后扩展和升级。
可靠性、稳定性要求：智能家居系统应具有稳定、可靠的特点，保证长期运行和准确监控。考虑传感器精度、系统稳定性、通信可靠性等因素，确保系统能够可靠地执行任务并提供准确的数据。
用户界面要求：设计一个用户友好的界面，使用户能够方便地操作系统并获取相关信息。对于智能浇水系统，请考虑使用移动应用程序或网络界面来提供植物状态显示、浇水设置和其他功能。对于电力监控系统，提供直观的能源使用图表和报告。对于智能监控系统，提供清晰的监控画面和报警通知。
安全和隐私要求：保护用户数据和隐私是智能家居系统设计中的重要考虑因素。确保系统采取适当的安全措施，如数据加密、用户认证等，确保用户信息安全和隐私保护。

以智能浇水系统、电力监控系统、智能监控系统为例，可以进一步明确其要求，例如：

智能浇水系统需求：实时测量土壤湿度，根据预设阈值自动控水，支持定时浇水功能，以及用于远程监控的移动应用程序。

图：智能浇水系统

电力监控系统需求：实时监控家庭用电量，提供能耗统计和报表功能，支持多路监控、报警功能，并与智能电表集成。
智能监控系统需求：实时监控家庭安全，支持多摄像头部署，提供远程实时视频查看，支持视频录制和回放功能，以及移动设备通知和报警功能。

图：智能监控系统

网络拓扑设计

明确系统需求后，我们需要设计LoRaWAN网络拓扑。

LoRaWAN网络系统主要由4部分组成：节点、网关、网络服务器、应用服务器。

节点：家庭环境中的各种传感器和控制器（如温湿度传感器、照明控制器等）作为LoRaWAN节点，通过LoRaWAN模块与LoRaWAN网关进行通信。每个节点都有一个唯一的id，供网关和网络服务器识别和管理。
网关： LoRaWAN网关充当中继站，负责接收来自各个节点的数据并将数据转发到网络服务器。在家庭环境中，一般只需要一个网关即可覆盖整个小区。考虑到信号覆盖和干扰问题，网关应安装在合适的位置，如屋顶、阳台等高处。
网络服务器：网络服务器负责处理来自网关的数据、数据去重、节点身份验证、数据解密等。网络服务器可以使用开源项目或商业服务来构建。对于家庭环境，可以将Raspberry Pi等低功耗、低成本设备视为网络服务器。
应用服务器：应用服务器是LoRaWAN网络中的最高层，与网络服务器通信并处理从终端节点传输来的数据。应用服务器根据应用需求对数据进行分析、存储、解析，并提供相应的应用逻辑和功能，如数据显示、报警通知、远程控制等。有些网络服务器提供商同时也是应用服务器提供商。因此，在LoRaWAN网络架构图中，最右侧的应用服务器可以与网络服务器分开托管，也可以与网络服务器集成在一起。

图：LoRaWAN网络

在LoRaWAN网络中，常见的网络拓扑包括点对点和星形配置。

点对点拓扑：
特点：两个节点直接相连，形成一对一的通信链路，无需任何其他中继节点或网关的参与。
适用场景：适用于需要快速、直接、安全的数据传输场景或网络复杂度要求较低的较小规模场景。
星型拓扑：
特点：所有设备节点都直接连接到一个中心节点，即网关。中心节点负责接收和转发来自设备节点的数据，使得通信路径简单清晰。

适用场景：适用于设备分散、节点较少的场景。

图：星型拓扑

设计拓扑时应综合考虑以下因素：

节点分布及数量：根据设备节点的分布范围和数量，选择合适的拓扑结构以满足通信需求。
通信要求：选择能够满足系统实时控制要求、数据传输量、传输时延要求的拓扑结构。
网络覆盖和容错：考虑系统的覆盖和容错要求，选择能够提供良好覆盖和容错的拓扑结构。

在家庭环境中，我们可以根据实际情况设计一个简单且易于管理的拓扑。对于智能浇水系统、电力监控系统、智能监控系统等常见系统，由于节点数量较少且集中在一定范围内，可以选择星型拓扑。例如，在智能浇水系统中，每个浇水设备作为直接连接到网关的节点，简化了通信路径，减少了通信延迟，并允许对每个设备进行实时控制和监控。在电力监控系统中，各种电路监控设备作为连接到网关的节点，通过LoRaWAN网络将数据传输到应用服务器进行监控和统计。在智能监控系统中，每个摄像头设备作为连接到网关的节点，通过LoRaWAN网络将视频流或报警信息传输到应用服务器。

设备选择

在家庭环境中设置 LoRaWAN 系统时，选择正确的设备至关重要。合适的设备保证系统稳定运行，满足家庭物联网的需求。在选择设备时，我们通常会考虑三个方面：节点、网关、服务器。

1.节点选择

在搭建LoRaWAN系统时，我们需要为系统选择合适的LoRaWAN节点。LoRaWAN节点主要包括传感器、执行器、微控制器等。其中，传感器负责数据采集，执行器负责执行控制命令或操作，微控制器负责执行程序、处理数据、管理节点的各种功能。这样，节点设备就可以与LoRaWAN网关进行通信，并将采集到的数据传输到云平台或后端服务器，实现远程监控、控制和管理。

在选择传感器时，我们可以考虑传感器精度、测量范围、响应时间等性能指标。确保传感器能够准确测量所需参数并满足系统要求。此外，还应考虑传感器的可靠性、耐用性和维护成本。选择执行器时，请考虑功能、效率和响应时间等性能指标。确保执行器能够准确、高效地执行命令。选择微控制器时，应选择具有适当计算和存储能力、能够处理传感器数据并执行相应控制逻辑的微控制器。根据家庭场景的复杂程度和功能需求，可以选择合适的微控制器或嵌入式系统。另外，还要考虑控制器的通信接口，以确保与无线模块和其他设备的兼容性。

同时，在选择传感器和控制器时，要考虑其供电方式。您可以选择电池供电、插入式或混合供电方式，并根据设备的功耗和使用需求决定合适的供电方式。

例如，智能浇水系统、电力监控系统、智能监控系统，可以根据具体情况进行节点选择，例如：

2.网关选择

在LoRaWAN系统中，网关是连接终端节点设备和网络服务器的关键设备。它充当数据采集、转发以及终端设备连接互联网的桥梁。常见的网关有“单通道网关”、“多通道网关”、“室内网关”、“室外网关”等不同类型。选择时还可以考虑以下因素：

频段支持：确保所选网关支持您所在地区使用的 LoRaWAN 频段。不同地区和国家规定不同，欧洲频段为868MHz，美国频段为915MHz，中国频段为470MHz。
网络兼容性：根据您计划使用的 LoRaWAN 网络提供商选择兼容的网关。不同的提供商可能有不同的网络配置和要求。
网络连接方式：根据您的家庭网络架构和需求选择合适的连接方式，例如以太网或Wi-Fi。
安全可靠：选择可靠供应商的网关，安全性、稳定性好。

关于LoRaWAN网关设备选型的更多详细信息，可以参考这篇文章：哪些设备可以用作Lorawan网关？

对于智能浇水系统、电力监控系统、智能监控系统等家庭场景，单通道网关中的树莓派是一个不错的选择。该设备不仅价格实惠，而且具有强大的计算能力和丰富的GPIO和通用接口，可以连接各种传感器和执行器。

图：Raspberry Pi 4B 单板计算机

3.网络服务器选择

网络服务器是LoRaWAN网络的核心组件，负责管理和控制整个网络。它从网关接收数据并执行数据解析、验证和路由。选择网络服务器时，请考虑以下因素：

兼容性：确保网络服务器与所选的LoRaWAN网关和终端设备兼容。不同制造商的设备可能使用不同的协议和通信标准，因此请选择支持匹配设备的网络服务器。
功能和可扩展性：评估网络服务器的功能和可扩展性，以确保它满足您的需求。一些网络服务器可能提供更高级的数据处理、设备管理和安全功能，例如数据解析、设备注册和身份验证、数据分析和可视化。
用户界面和管理工具：考虑网络服务器的用户界面和管理工具是否易于使用。直观且功能丰富的管理界面可以帮助您轻松配置和监控 LoRaWAN 网络。
可靠稳定：确保您选择可靠稳定的网络服务器，保证数据传输的稳定可靠。网络服务器应具有高可用性和冗余特性，以应对故障和异常情况。
支持和社区：考虑网络服务器提供商的支持和社区支持。活跃的社区可以提供技术支持、文档、教程和示例代码资源，帮助您解决问题并快速入门。

选择服务器时，通常有三种方法。第一种是使用像 LattePanda 这样的 SBC 作为本地服务器。第二种是使用Raspberry Pi网关本身作为本地服务器，也可以使用nodeRED进行图形化编程。第三种是使用一些常见的LoRaWAN网络服务器提供商提供的服务器。例子包括The Things Network、ChirpStack、Tektelic、Semtech等。对于智能浇水系统、电力监控系统、智能监控系统等家庭场景，我们可以选择ChirpStack服务器设备。

设备安装与配置

1. 网络服务器设置

选择合适的网络服务器设备后，还需要进行设置。以ChirpStack为例，设置过程如下：

步骤1、准备软硬件环境：

确保您拥有基于 Linux 的服务器，例如 Ubuntu 18.04 或更高版本。此外，还需要 Linux 命令行操作的基本知识。

步骤 2. 安装 Docker 和 Docker Compose：

所有 ChirpStack 组件都可以使用 Docker 容器进行部署。

在服务器上安装Docker：参考Docker官方文档
安装Docker Compose：参考Docker Compose官方文档

步骤 3. 部署 ChirpStack：

下载 ChirpStack 的 Docker Compose 文件
编辑docker-compose.yml文件，根据自己的实际网络环境配置相关参数
运行 docker-compose up -d 启动 ChirpStack 服务

步骤 4. 配置 ChirpStack：

打开浏览器并访问 ChirpStack Web 界面 (http://:8080)
按照提示创建管理员帐户
登录后，创建新的组织、服务配置文件和设备配置文件
添加LoRaWAN网关设备并配置网关与ChirpStack服务器之间的连接

2. 网关软件安装与配置

设置完网络服务器后，我们需要将网关设备Raspberry Pi正确安装在合适的位置，通常选择信号覆盖良好的地点，并将Raspberry Pi连接到家庭网络或互联网。然后，我们可以安装软件并配置Raspberry Pi与网络服务器进行通信。这里，我们选择安装与ChirpStack网络服务器兼容的ChirpStack Gateway OS网关软件。

软件安装步骤如下：

步骤1.在Raspberry Pi上安装ChirpStack Gateway OS：选择适合Raspberry Pi的ChirpStack Gateway OS版本并将其刻录到SD卡或其他适用的存储介质上。然后将其插入网关并启动。

步骤 2. 配置 ChirpStack 网关桥：在 Raspberry Pi 上，配置 ChirpStack 网关桥以连接到 ChirpStack 网络服务器。这通常涉及设置正确的网络地址和端口，以及根据需要配置身份验证信息。

步骤 3. 启动 ChirpStack Gateway Bridge 服务：配置完成后，启动 ChirpStack Gateway Bridge 服务。这将允许 Raspberry Pi 与 ChirpStack 网络服务器进行通信。

网关配置如下：

在ChirpStack Network Server中添加并配置Raspberry Pi：登录ChirpStack Network Server的Web界面，然后在“网关”部分添加Raspberry Pi并配置参数，包括：

步骤1、通信频率和数据速率：设置Raspberry Pi与节点之间的通信参数，以保证有效通信。

步骤2.网络身份和密钥：配置Raspberry Pi的唯一标识符（例如EUI）以及与网络服务器通信所需的密钥（例如AppEUI和AppKey）。

步骤3. 云服务器设置：指定要连接的云服务器并提供相应的连接信息（例如服务器地址和端口）。

步骤4.安全设置：启用适当的安全措施，例如数据加密和身份验证，以确保数据的机密性和完整性。

3. 节点配置

设置完网络服务器并安装配置网关后，我们需要安装配置节点的各种设备。

步骤 1. 添加应用程序：在 ChirpStack 应用程序服务器中创建一个新应用程序。进入“应用程序”页面，单击“创建”按钮，输入应用程序名称和描述，然后单击“创建应用程序”按钮。

步骤 2. 添加设备配置文件：在创建的应用程序中，转到“设备配置文件”选项卡，单击“创建”按钮。在弹出的表单中，输入设备配置文件名称并选择 LoRaWAN MAC 版本和区域参数版本。根据需要配置 ADR（自适应数据速率）、B 类设备和 C 类设备参数。完成后单击“创建设备配置文件”按钮。

步骤3.注册设备：在创建的应用程序中，转到“设备”选项卡，单击“创建”按钮。在弹出的表单中，输入设备的EUI（全局唯一标识符，通常标记在设备上）、名称、描述，然后选择新创建的设备配置文件。完成后单击“创建设备”按钮。

步骤 4. 配置 LoRaWAN 密钥：在注册的设备详细信息页面中，单击“密钥 (LoRaWAN)”选项卡。根据设备的激活方法（OTAA 或 ABP）配置适当的密钥。OTAA激活，输入AppKey；对于 ABP 激活，请输入 NwkSKey、AppSKey 和 DevAddr。完成后单击“更新设备密钥”按钮。

步骤5.配置节点设备：在实际的LoRaWAN节点设备上，根据设备的功能和接口配置激活方法、密钥等参数。确保节点设备的配置与 ChirpStack 中的设置匹配。

步骤6.测试连接：将LoRaWAN节点设备连接至电源并启动。设备应尝试与网关建立连接。在ChirpStack应用服务器中，您可以在设备详情页的“设备数据”选项卡中查看设备的数据传输记录，以验证连接是否成功。