使用LoRaWAN和TTN在IoT實驗室測試RIOT-OS設備

結構概述

• 2 個（或更多）B-L072Z-LRWAN1 LoRa 套件在 IoT-LAB 測試臺上運行
• 物聯網基礎設施
• 一個簡單的網關（或透明橋），由Python 實現，用于從 TTN 基礎設施收集數據并將其發送到谷歌云平臺；
• 谷歌云平臺，提供Cloud IoT 核心和Pub/Sub API，用于管理連接、設備以及與 Web 應用程序交換的消息；
• 使用nodejs + express和一些其他相關框架構建的 web 應用程序；
• 用于存儲的Mongodb NoSQL 數據庫程序；

注意：我的github上提供的代碼適用于我的個人 google 帳戶上的憑據。我沒有上傳密鑰，如果你想運行它，你需要自己設置。

IoT-LAB簡介

IoT-LAB 是一個開放的測試平臺，它提供了一個非常大規模的基礎設施，適用于測試小型無線傳感器設備和異構通信對象。

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它具有分布在法國六個不同地點的 1500 多個無線傳感器節點。節點既可以是固定的，也可以是移動的，并且可以在所有站點中以各種拓撲進行分配。有多種無線傳感器可用，具有不同的處理器架構和不同的無線芯片。

由于我們沒有兼容 LoRa 的硬件，因此使用測試平臺是在真實硬件上進行測試的最佳選擇。

LoRaWAN 技術

LoRaWAN? 規范是一種低功耗、廣域 (LPWA) 網絡協議，旨在將電池供電的“事物”無線連接到區域、國家或全球網絡中的互聯網，并針對關鍵的物聯網 (IoT) 要求，例如雙向定向通信、端到端安全、移動性和本地化服務。它定義了網絡的通信協議和系統架構，而 LoRa 物理層則支持遠程通信鏈路。

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LoRaWAN? 網絡中的節點是異步的，當它們準備好發送數據時進行通信，無論是事件驅動的還是調度的，避免了同步網絡典型的電池消耗。此外，為了優化各種終端應用配置文件，LoRaWAN? 使用不同的設備類別。設備類別權衡網絡下行鏈路通信延遲與電池壽命。

LoRaWAN? 利用兩層安全性：一層用于網絡，一層用于應用程序。網絡安全確保網絡中節點的真實性，而應用安全層確保網絡運營商無權訪問最終用戶的應用數據。AES-128 加密與使用 IEEE EUI64 標識符的密鑰交換一起使用。

TheThingsNetwork 概述和設置

The Things Network 是 LoRa Alliance? 的貢獻者成員，LoRa Alliance? 是一個由 500 多家成員公司組成的非營利性協會，致力于通過開發和推廣低功耗廣域網 (LPWAN) 物聯網來實現大規模部署。 LoRaWAN? 開放標準。

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網關構成了設備和物聯網之間的橋梁，而物聯網的后端系統負責在設備和應用程序之間路由物聯網數據。事實上，諸如 LoRaWAN? 之類的非 IP 協議需要某種形式的路由和處理，然后才能將消息傳遞到應用程序。

TTN 和網橋設置

Things Network Web 界面使這些步驟變得非常簡單：

• 首先，訪問https://www.thethingsnetwork.org/并創建一個帳戶；
• 轉到控制臺并向您的 TTN 帳戶添加一個新應用程序，如果您需要更多信息，請使用此鏈接https://www.thethingsnetwork.org/docs/applications/add.html
• 現在，在您的 TTN 應用程序中為您要使用的每個板注冊一個新設備。保留默認的其他空中激活 (OTAA) 程序。您唯一必須設置的是設備 EUI，讓應用程序為您生成其他參數。如果您需要幫助，請看這里：https ://www.thethingsnetwork.org/docs/devices/registration.html

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第一步完成了！是時候設置網關了。我假設您已經閱讀了第一篇文章“云平臺設置”部分的說明，那么：

• 同樣這一次，網關被谷歌云平臺識別為簡單設備，因此您需要將其添加到之前創建的設備集中。這里刷新如何做到這一點：https://cloud.google.com/iot/docs/how-tos/devices?authuser=1;
• 將 root.pem 證書的副本（之前生成的）放在devices_RIOT/gateway文件夾中（或簡單地更改所有路徑）；
• TTN 使用 AES-128 對稱加密，這意味著這一次您需要為對稱密鑰存儲一個簡單的字符串。您可以簡單地將其作為純文本保存在變量中，以便查看您的代碼的任何人都可以閱讀它！讓我們做一些更安全的事情。在devices_LoRa/gateway文件夾中創建一個ttn_password.txt文件，然后從 TTN 控制臺復制并粘貼密碼，如上圖所示。
• 恭喜，你找到了關鍵，現在，就像我們已經做了很多次一樣，讓我們??在 gateway_LoRa.py 文件的頂部更改 Google 的設置：

# 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，運行它：

python gateway_LoRa.py

物聯網實驗室設置

首先，您必須設置對 IoT-LAB 服務器的ssh訪問權限。這些步驟都很簡單，IoT-LAB 教程做的很好，所以我直接給你留了文檔鏈接。https://www.iot-lab.info/tutorials/ssh-access/。

現在，我們已準備好進行設置：

• 首先，建立到 Saclay 站點主機的 ssh 連接：

my_computer$ ssh @saclay.iot-lab.info

是您的帳戶 ID，可以在個人資料頁面上找到

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• 連接后，在主文件夾中克隆 RIOT Github 存儲庫：

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

• 創建并切換到一個新目錄（例如“mycode”）：

@saclay:~$ mkdir

@saclay:~$ cd

• 是時候上傳代碼了。打開一個新終端，然后轉到devices_LoRa/device并“安全復制”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 前端默認安裝的 arm GCC 版本，我們需要提供一個新版本：

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

• 然后驗證您是否擁有正確的 GCC 版本：

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

• 讓我們編譯，運行：

@saclay:~/mycode$ make clean all

• 現在我們有了程序的可執行和可鏈接格式（.elf），是時候在 IoT-LAB 測試平臺上開始新的實驗了。登錄并提交實驗：

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

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

我知道，我們都希望復制和粘貼所有這些命令，避免鍵入它們。但是，在這種情況下，請記住設置實驗名稱、時間和節點數。

• 上一步會返回一個id，注意，一定要保存好，不然丟了就需要重啟一切??！或許不是，你很幸運，你可以隨時在網站上的“我的實驗”下查看它。但是，這不是您需要的唯一 ID，而是一個新的 ID，即與您的實驗相關聯的節點的數量/數量。要找到它，只需運行：

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

• 完美，此時，我們已經編譯了代碼并運行了一個實驗。讓我們在 B-L072Z-LRWAN1 LoRa 套件上刷寫可執行文件：

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

記得輸入正確的節點號！

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在 IoT-lab 上運行設備

節點正在運行，現在您可以使用 Netcat 訪問每個節點，每個終端窗口一個：

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

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如果由于任何原因，設備出現任何類型的問題，請轉到您的 IoT-lab 頁面，找到實驗和節點，然后重新啟動它，如下圖所示。

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現在，轉到 TTN Web 控制臺上的“應用程序 > appID > 設備 > 設備 ID”并獲取設備 EUI、應用程序 EUI 和應用程序密鑰信息。因此，在運行的設備上，將它們設置為 RIOT 固件：

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

為避免問題也設置數據速率，IoT-LAB 在其網站上建議值為 5：

> loramac set dr 5

最后，加入網絡：

> loramac join otaa

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現在，您可以使用我們在之前分配中使用的相同命令來開始自主發送消息：

> start ...

新儀表板

舊儀表板非常簡單，因此我決定進行一些更改并添加新功能。

首先，我決定重組數據庫，它現在為每種遙測類型提供一個不同的架構，并為設備提供一個新架構。因此，每個設備都有一組對遙測的引用，它使用 deviceId 作為外鍵。大大減少了檢索時間并增加了系統的一般可擴展性。

它現在可以識別需要連接的新設備并直接添加它們。此外，每當有新消息時，主頁上不僅會顯示遙測值，還會顯示設備的身份。

總之，為了提供令人愉悅的視覺界面，我添加了一些彩色圖表來顯示最后一小時的值，而舊值和以前一樣顯示在列表中。

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結論

該應用程序現在能夠從虛擬設備、使用 MQTT-SN 協議的 RIOT-OS 設備以及使用 LoRaWAN? 的新實現中檢索數據。此外，借助新的儀表板和新的彩色圖表，任何人都可以體會到使用物聯網“事物”收集數據的美麗程度。

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