使用LoRaWAN和TTN在IoT实验室测试RIOT-OS设备

结构概述

• 2 个（或更多）B-L072Z-LRWAN1 LoRa 套件在 IoT-LAB 测试台上运行
• 物联网基础设施
• 一个简单的网关（或透明桥），由Python 实现，用于从 TTN 基础设施收集数据并将其发送到谷歌云平台；
• 谷歌云平台，提供Cloud IoT 核心和Pub/Sub API，用于管理连接、设备以及与 Web 应用程序交换的消息；
• 使用nodejs + express和一些其他相关框架构建的 web 应用程序；
• 用于存储的Mongodb NoSQL 数据库程序；

注意：我的github上提供的代码适用于我的个人 google 帐户上的凭据。我没有上传密钥，如果你想运行它，你需要自己设置。

IoT-LAB简介

IoT-LAB 是一个开放的测试平台，它提供了一个非常大规模的基础设施，适用于测试小型无线传感器设备和异构通信对象。

 

 

 

 

1 / 2

 

它具有分布在法国六个不同地点的 1500 多个无线传感器节点。节点既可以是固定的，也可以是移动的，并且可以在所有站点中以各种拓扑进行分配。有多种无线传感器可用，具有不同的处理器架构和不同的无线芯片。

由于我们没有兼容 LoRa 的硬件，因此使用测试平台是在真实硬件上进行测试的最佳选择。

LoRaWAN 技术

LoRaWAN® 规范是一种低功耗、广域 (LPWA) 网络协议，旨在将电池供电的“事物”无线连接到区域、国家或全球网络中的互联网，并针对关键的物联网 (IoT) 要求，例如双向定向通信、端到端安全、移动性和本地化服务。它定义了网络的通信协议和系统架构，而 LoRa 物理层则支持远程通信链路。

 

 

 

 

1 / 3

 

LoRaWAN® 网络中的节点是异步的，当它们准备好发送数据时进行通信，无论是事件驱动的还是调度的，避免了同步网络典型的电池消耗。此外，为了优化各种终端应用配置文件，LoRaWAN® 使用不同的设备类别。设备类别权衡网络下行链路通信延迟与电池寿命。

LoRaWAN® 利用两层安全性：一层用于网络，一层用于应用程序。网络安全确保网络中节点的真实性，而应用安全层确保网络运营商无权访问最终用户的应用数据。AES-128 加密与使用 IEEE EUI64 标识符的密钥交换一起使用。

TheThingsNetwork 概述和设置

The Things Network 是 LoRa Alliance® 的贡献者成员，LoRa Alliance® 是一个由 500 多家成员公司组成的非营利性协会，致力于通过开发和推广低功耗广域网 (LPWAN) 物联网来实现大规模部署。 LoRaWAN® 开放标准。

 

 

 

 

1 / 2

 

网关构成了设备和物联网之间的桥梁，而物联网的后端系统负责在设备和应用程序之间路由物联网数据。事实上，诸如 LoRaWAN® 之类的非 IP 协议需要某种形式的路由和处理，然后才能将消息传递到应用程序。

TTN 和网桥设置

Things Network Web 界面使这些步骤变得非常简单：

• 首先，访问https://www.thethingsnetwork.org/并创建一个帐户；
• 转到控制台并向您的 TTN 帐户添加一个新应用程序，如果您需要更多信息，请使用此链接https://www.thethingsnetwork.org/docs/applications/add.html
• 现在，在您的 TTN 应用程序中为您要使用的每个板注册一个新设备。保留默认的其他空中激活 (OTAA) 程序。您唯一必须设置的是设备 EUI，让应用程序为您生成其他参数。如果您需要帮助，请看这里：https ://www.thethingsnetwork.org/docs/devices/registration.html

 

 

 

 

1 / 2

 

第一步完成了！是时候设置网关了。我假设您已经阅读了第一篇文章“云平台设置”部分的说明，那么：

• 同样这一次，网关被谷歌云平台识别为简单设备，因此您需要将其添加到之前创建的设备集中。这里刷新如何做到这一点：https://cloud.google.com/iot/docs/how-tos/devices?authuser=1;
• 将 root.pem 证书的副本（之前生成的）放在devices_RIOT/gateway文件夹中（或简单地更改所有路径）；
• TTN 使用 AES-128 对称加密，这意味着这一次您需要为对称密钥存储一个简单的字符串。您可以简单地将其作为纯文本保存在变量中，以便查看您的代码的任何人都可以阅读它！让我们做一些更安全的事情。在devices_LoRa/gateway文件夹中创建一个ttn_password.txt文件，然后从 TTN 控制台复制并粘贴密码，如上图所示。
• 恭喜，你找到了关键，现在，就像我们已经做了很多次一样，让我们​​在 gateway_LoRa.py 文件的顶部更改 Google 的设置：

# SETUP
project_id = 'your_project_ID'
registry_id = 'your_register_ID'
cloud_region = 'your_region'
device_id = 'your_device_ID'
sub_topic = 'your_topic'

• 最后，运行它：

python gateway_LoRa.py

物联网实验室设置

首先，您必须设置对 IoT-LAB 服务器的ssh访问权限。这些步骤都很简单，IoT-LAB 教程做的很好，所以我直接给你留了文档链接。https://www.iot-lab.info/tutorials/ssh-access/。

现在，我们已准备好进行设置：

• 首先，建立到 Saclay 站点主机的 ssh 连接：

my_computer$ ssh @saclay.iot-lab.info

是您的帐户 ID，可以在个人资料页面上找到

 

• 连接后，在主文件夹中克隆 RIOT Github 存储库：

@saclay:~$ git clone https://github.com/RIOT-OS/RIOT.git

• 创建并切换到一个新目录（例如“mycode”）：

@saclay:~$ mkdir

@saclay:~$ cd

• 是时候上传代码了。打开一个新终端，然后转到devices_LoRa/device并“安全复制”所有文件：

my_computer$ scp main.c @saclay.iot-lab.info:

my_computer$ scp Makefile @saclay.iot-lab.info:

my_computer$ scp Makefile.ci @saclay.iot-lab.info:

• 由于 RIOT 不支持 SSH 前端默认安装的 arm GCC 版本，我们需要提供一个新版本：

@saclay:~/mycode$ export PATH=/opt/gcc-arm-none-eabi-7-2018-q2-update/bin:$PATH

• 然后验证您是否拥有正确的 GCC 版本：

@saclay:~/mycode$ arm-none-eabi-gcc --version

• 让我们编译，运行：

@saclay:~/mycode$ make clean all

• 现在我们有了程序的可执行和可链接格式（.elf），是时候在 IoT-LAB 测试平台上开始新的实验了。登录并提交实验：

@saclay:~/mycode$ iotlab-auth -u

@saclay:~/mycode$ iotlab-experiment submit -n -d -l , archi=st-lrwan1:sx1276+site=saclay

我知道，我们都希望复制和粘贴所有这些命令，避免键入它们。但是，在这种情况下，请记住设置实验名称、时间和节点数。

• 上一步会返回一个id，注意，一定要保存好，不然丢了就需要重启一切！！或许不是，你很幸运，你可以随时在网站上的“我的实验”下查看它。但是，这不是您需要的唯一 ID，而是一个新的 ID，即与您的实验相关联的节点的数量/数量。要找到它，只需运行：

@saclay:~/mycode$ iotlab-experiment get -i -r

• 完美，此时，我们已经编译了代码并运行了一个实验。让我们在 B-L072Z-LRWAN1 LoRa 套件上刷写可执行文件：

@saclay:~/mycode$ iotlab-node --update bin/b-l072z-lrwan1/device_LORA.elf -l saclay,st-lrwan1,

记得输入正确的节点号！

 

在 IoT-lab 上运行设备

节点正在运行，现在您可以使用 Netcat 访问每个节点，每个终端窗口一个：

@saclay:~/mycode$ nc st-lrwan1- 20000

 

如果由于任何原因，设备出现任何类型的问题，请转到您的 IoT-lab 页面，找到实验和节点，然后重新启动它，如下图所示。

 

现在，转到 TTN Web 控制台上的“应用程序 > appID > 设备 > 设备 ID”并获取设备 EUI、应用程序 EUI 和应用程序密钥信息。因此，在运行的设备上，将它们设置为 RIOT 固件：

> loramac set deveui your_EUI
> loramac set appeui your_EUI
> loramac set appkey your_key

为避免问题也设置数据速率，IoT-LAB 在其网站上建议值为 5：

> loramac set dr 5

最后，加入网络：

> loramac join otaa

 

现在，您可以使用我们在之前分配中使用的相同命令来开始自主发送消息：

> start ...

新仪表板

旧仪表板非常简单，因此我决定进行一些更改并添加新功能。

首先，我决定重组数据库，它现在为每种遥测类型提供一个不同的架构，并为设备提供一个新架构。因此，每个设备都有一组对遥测的引用，它使用 deviceId 作为外键。大大减少了检索时间并增加了系统的一般可扩展性。

它现在可以识别需要连接的新设备并直接添加它们。此外，每当有新消息时，主页上不仅会显示遥测值，还会显示设备的身份。

总之，为了提供令人愉悦的视觉界面，我添加了一些彩色图表来显示最后一小时的值，而旧值和以前一样显示在列表中。

 

结论

该应用程序现在能够从虚拟设备、使用 MQTT-SN 协议的 RIOT-OS 设备以及使用 LoRaWAN® 的新实现中检索数据。此外，借助新的仪表板和新的彩色图表，任何人都可以体会到使用物联网“事物”收集数据的美丽程度。