物联网长距离无线通信技术应用与开发2.3LoRa协议栈协议栈解析与应用开发课件

1、第2章 LoRa无线通信技术开发2.3 LoRa协议栈协议栈解析与应用开发项目场景LoRa无线系统ContikiLoRa无线函数接口分析传感器应用接口分析项目实践项目场景LoRa网络相较于其他无线传感网络拥有更远的传输距离、拥有更好的抗干扰能力以及可控的数据收发数据，同时LoRa节点的计算能力可控。因此LoRa模块在无线传感网络领域拥有很大的使用优势，在智慧畜牧方面拥有广泛的应用。但正因为他的这些特点使得LoRa模块的配置变的复杂，企业为了方便LoRa模块的物联网项目的快速开发专门为其制定了物联网协议栈，用户通过物联网协议栈可以实现快速的项目开发。因此学习协议栈的使用可以实现LoRa无线网络的

2、快速开发。任务目标通过基于LoRa无线网的畜牧大棚空气质量采集和调节项目实例了解LoRa的网络协议栈的工作原理和协议栈的关键接口，学习和掌握逻辑接口的使用，掌握应用接口的使用，通过使用应用接口能够实现快速的LoRa无线传感网络开发。LoRa无线系统ContikiContiki 两个主要机制：事件驱动和 protothread 机制，前者是为了降低功耗，后者是为了节省内存。在 Contiki 系统中，事件被分为以下三种类型：定时器事件（timer events）进程可以设置一个定时器，在给定的时间完成之后生成一个事件，进程一直阻塞直到定时器终止，才继续执行。外部事件（external event

3、s）外围设备连接到具有中断功能的微处理器 IO 引脚， 触发中断时可能生成事件。内部事件（internal events）任何进程都可以为自身或其它进程指定事件。事件驱动LoRa无线系统Contiki传统的操作系统使用栈保存进程上下文，每个进程需要一个栈，这对于内存极度受限的传感器设备将难以忍受。protothread 机制恰解决了这个问题，通过保存进程被阻塞处的行数(进程结构体的一个变量，unsiged short 类型，只需两个字节)，从而实现进程切换，当该进程下一次被调度时，通过 switch(_LINE_)跳转到刚才保存的点，恢复执行。整个 Contiki 只用一个栈，当进程切换时清空

4、，大大节省内存。 protothread 机制LoRa无线系统ContikiContiki的用户进程建立较为简单。用户进程的建立有三个步骤，分别是定义用户进程，在进程列表中添加进程信息，编写进程实体。定义用户进程PROCESS(hello, hello); 进程列表中添加进程信息struct process * const autostart_processes = &hello,NULL;autostart_start(autostart_processes);编写进程实体PROCESS_THREAD(hello, ev, data) . contiki用户进程与程序LoRa无线系统Cont

5、iki编写进程实体/hello进程主体PROCESS_THREAD(hello, ev, data) PROCESS_BEGIN(); /进程启动while(1) /进程循环体printf(HelloWorld!rn); /进程打印信息etimer_set(&hello_timer, CLOCK_SECOND); /进程定时进入执行设置process_status = 2; PROCESS_YIELD(); /进程跳转PROCESS_END(); /进程结束LoRa无线系统ContikiContiki包含一个时钟模型和5个定时器模型(timer, stimer, ctimer, etimer,

6、 and rtimer) 5种timer简述如下：timer、stimer提供了最简单的时钟操作,即检查时钟周期是否已经结束。程序从timer中读出状态,判断时钟是否过期。tmiers 是使用的系统时钟的ticks,而stimers是使用的秒。Ctimer回调定时器，驱动某一个回调函数。etimer事件定时器，驱动某一个事件。Rtimer实时时钟。 Contiki定时器LoRa无线函数接口分析LoRa协议栈工程主要包含三个文件夹。LoRa appLoRa无线应用层api at-uart.c调试串口初始化 at.c提供给串口调试的AT交互协议 lora-net.cLoRa无线数据收发api接口

7、zxbee-sys-command.c处理下行的用户命令 zxbee.c无线数据包封包、解包 devLoRa射频驱动及部分硬件驱动 sx1278-a.cLoRa无线进程 sx1278-io.cLoRa SPI总线驱动 sx1278.cLoRa无线射频驱动 sensorLoRa节点传感器驱动 autoapps.cContiki操作系统进程列表 sensor.c传感器进程、驱动及应用 contiki-conf.hLoRa网络参数配置 contiki-conf.cContiki操作系统入口LoRa无线函数接口分析LoRa无线协议运行于Contiki操作系统，在系统启动后会运行LoRa无线进程进行无线

8、协议的处理，并执行：LoRa射频初始化、LoRa网络参数初始化、循环监听无线收发数据响应。LoRa无线相关主要程序文件如下：函数名称函数说明sx1278-a.c启动LoRa无线协议进程，完成无线网络参数的初始化，循环监听无线收发数据响应sx1278-io.cSX1278 LoRa射频模块SPI总线读写驱动sx1278.cSX1278 LoRa射频模块驱动lora-net ()LoRa无线协议初始化，无线数据收发api接口LoRa无线函数接口分析智云框架下SX1278模块的物联网项目开发均在sensor.c文件下进行。sensor.c文件中为上层应用开发设置了五个接口函数，这五个应用开发接口函数

9、功能描述如下表所示：智云传感器框架函数名称函数说明sensorInit()传感器硬件初始化sensorUpdate()传感器数据定时上报sensorControl()传感器/执行器控制函数sensorCheck ()传感器预警监测及处理函数ZXBeeInfRecv()解析接收到的传感器控制命令函数PROCESS_THREAD(sensor, ev, data)传感器进程（处理传感器上报、传感器预警监测）LoRa无线函数接口分析智云框架下LoRa无线节点示例程序基于Contiki系统框架开发，详细程序流程图如下：智云传感器程序解析项目实践畜牧气体采集和调节硬件框图设计如下：硬件功能设计项目实践L

10、oRa无线节点示例程序LoRaApiTest基于LoRa无线协议框架开发的详细程序流程图如下：软件逻辑设计项目实践通信协议设计为了实现LoRa节点的数据能够实现远程与本地的识别，需要设计一套约定的通讯协议，约定的通信协议可以被远程设备和本地节点识别。根据项目特性设计通信协议如下：数据方向协议格式说明上行（节点往应用发送数据）gas=XX表示采集的气体浓度值下行（应用往节点发送指令）cmd=XX为0表示关闭风扇，1表示开启风扇。项目实践运行LoRaApiTest工程，通过IAR工具的进行程序的开发、调试，设置 断点理解LoRa无线框架程序调用关系。项目实践LiteB-LR节点每隔20s会上传一次气体数据到应用层（气体数据是通过随机数产生）。同时通过ZCloudTools工具发送风扇控制