基于LoRaWAN协议的组网系统设计与实现

摘要

物联网技术的研究与应用已开展了很多年，智能工业、智能农业、智能家居、智能控制等方面正处在快速发展时期，物联网的应用与它们都有着密切的联系，甚至是相互融合。物联网研究领域有三个重要的因素即信息感知、智能处理、信息互联。物联网在感知和智能方面已经有了很大的进展，而在互联上，目前大多数物联网终端设备主要依赖于互联网和移动互联网等网络连接方式，如2G、3G、4G等，通过WiFi、蓝牙、ZigBee能够实现物与网络的连接，但不能满足当今物联网对终端传输距离、功耗、连接带宽、速率等方面的需求。适用于物联网连接的专有网络协议的缺失，在很大程度上限制了物联网的应用和发展。
　　为了解决物联网联网存在的问题，以LoRa为代表的低功耗广域网络(LPWAN，Low Power Wide Area Network)应运而生。低功耗广域网是一种新型物联网无线接入技术，具有覆盖广、低功耗、低成本、容量大等优点。LoRa作为LPWAN家族的代表，能够良好地解决现阶段物联网的功耗与通信距离等问题，实现了物联网的广域低成本覆盖。
　　本文将深入研究LoRa和相关协议包括LoRaWAN协议和Contiki操作系统协议栈标准，以现有的成熟物联网架构为基础，设计了一种包含网关和终端节点的组网应用系统。本研究课题的硬软件设计尽量满足程序可移植性和终端适用性，方便应用在更多场合的和方便今后的软件升级。
　　本文的主要工作是在STM32主控芯片、SX1278射频芯片和SIM800C芯片设计的硬件平台之上，分析了物联网系统通信组网方案、LoRaWAN协议和Contiki操作系统协议栈。通过LoRaWAN网络协议的应用和Contiki操作系统的移植，实现网关节点与终端节点的单跳星型组网通信，利用GPRS技术完成网关节点与网络服务器间的通信，从而完成了整个组网系统的设计，达到解决传输距离和功耗问题的目的。最后参考LoRa联盟互通性测试标准，对系统进行了测试，包括组网系统的通信距离、功耗比较测试和可靠性测试、上下行链路测试和无线组网测试。分析了本系统的测试结果和性能指标，指出了进一步改进和优化的方向。
　　测试结果表明，本研究课题能够实现通信距离远、功耗低、组网复杂度低、终端远程检测和控制准确，系统交互工作正常，达到了设计目标。

目录

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摘要

第1章 引言

1．1 论文研究背景及选题意义

1．2 低功耗广域网技术发展及现状分析

1．3 研究目标和内容

第2章 无线LoRa技术和LoRaWAN协议

2．1 LoRa技术介绍和分析

2．2 LoRa特点与优势

2．3 LoRaWAN网络协议

2．3．1 LoRaWAN网络体系架构

2．3．2 LoRaWAN信息传输模式

2．4 本章小结

第3章 组网系统总体设计方案与协议

3．1 组网系统架构

3．2 系统网络通信传输协议

3．2．1 PHY层协议

3．2．2 MAC层协议

3．2．3 RDC层协议

3．2．4 Contiki MAC层协议

3．3 Contiki操作系统

3．3．1 概述

3．3．2 事件驱动机制

3．3．3 Protothread线程机制

3．4 本章小结

第4章 组网系统硬件平台设计

4．1 无线节点设计方案

4．2 组网系统硬件平台

4．2．1 微处理器

4．2．2 LoRa射频收发器

4．2．3 GPRS射频收发器

4．3 基于硬件平台的操作系统移植

4．4 本章小结

第5章 组网系统软件设计

5．1 系统应用层数据帧设计

5．2 SX1278软件设计

5．2．1 SX1278初始化

5．2．2 SX1278数据发送与接收

5．3 无线节点软件设计

5．3．1 节点协议栈软件框架

5．3．2 协议栈底层软件设计

5．4 本章小结

第6章 组网系统测试及结果分析

6．1 通信距离和可靠性测试及分析

6．1．1 室外通信距离比较测试

6．1．2 通信可靠性测试及分析

6．2 上行链路测试及结果分析

6．3 下行链路测试及结果分析

6．4 无线组网测试及分析

6．4．1 网关转发上报数据帧测试

6．4．2 终端节点远程控制测试

6．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果