【腾讯连连IoT开发大赛】灵活多变的LoRaWAN通信节点方案

目录

• 引言
• 硬件实施
  • 外壳
  • 主板
  • 功能单元
• 设备注册
  • 注册网关
  • 注册节点
  • 配置节点
• 验证通信

引言

本设计的思路是打造一种可以快速扩展的LoRaWAN节点硬件平台。它应该满足以下一些特性：

• 支持标准LoRaWAN通信协议，能接入各网关生产厂家不同种类的网关；
• 硬件上模块化设计，接口标准化，用户可以通过更换传感器、控制器的种类，实现不同的功能；比如：
  • 配合PIR传感器或毫米波模块，它可以用于室内安防、防盗报警；
  • 接入温湿度、VOC、空气质量等传感器，它可以用于室内环境监控；
  • 接入RGB灯带，可以成为氛围灯控制器。
• 开源、简单、易上手。本产品的定位是一款应用级的终端产品，考虑到现今物联网的主要用户是青中年人群，如果“硬件组装 --> 程序下载 --> 安装部署”这一流程可以由爸爸妈妈带着家里小宝贝一起参与，这样能增加产品的亲和力，提升家的温度。

成品效果图

节点部分由以下三部分组成：

• 外壳 -- 提供一个漂亮的外观和基础的防护；
• 主板 -- 主板上具有MCU、LoRa、按键、指示灯等功能单元，提供计算、协议解析、通信、交互等功能；
  • 主板具有统一的尺寸，应对不同应用场景可能对MCU性能的需求；
  • 主板上在统一位置预留标准化的接口，方便接插不同的传感器或执行器；
  • 预留编程接口，并支持Arduino、Python等通用、强大的编程语言，用户可以进行二次开发。
• 功能单元 -- 具有统一的接口，可以根据实际需求在种类繁多的传感器、执行器中选择，并方便更换。

硬件实施

外壳

样品外壳为3D打印的版本，3D打印文件：https://share.weiyun.com/0mGK1ZuR

主板

主板上的主要芯片如下表所示：

在主板的背面，留有一组侧向开口的双排母座，其中UART、I2C、ADC、GPIO等资源，可以满足各种常规传感器和执行器的通信和驱动需求。同时ADC还用于监控电池电压，并将该数据作为变量传送到云端。

红框内为功能单元扩展坞，具有统一的接口尺寸和引脚定义，可用于接不同的传感器或执行器。

主板原理图：

功能单元

为了方便扩展，所有的传感器都具有统一的接口尺寸和引脚顺序，可以接插在主板底部的母座上，方便更换和扩展。本文档中，我们以HDC1080温湿度传感器为例。通信为I2C总线，我们将通过它读取室内温度和湿度。

传感器原理图：

设备注册

注册网关

网关采用Heltec Automation HT-M00双通道网关，这是一款定位为室内使用的低成本网关，基于ESP32和SX1276，具有两个LoRa信号调制/解调通道，通过Wi-Fi接入腾讯云。

打开https://console.cloud.tencent.com/iotexplorer网址并新建一个项目，进入项目后依次选择“网络管理 --> LoRa网关管理 --> 添加网关”，填入网关的基本信息和地址信息并“确定添加”。

image.png

注意“GateWayID”，必须与腾讯云上"GwEUI"的内容相对应，这是网关是否能成功注册的关键。

在HT-M00的配置页面，除了网关需要连接的Wi-Fi信息，还要填入腾讯云的服务器地址（loragw.things.qcloud.com）。更多关于HT-M00双通道网关的配置方式，请参阅HT-M00的相关文档。

配置完成之后，点击Submit重启生效。

若一切正常，将可以在“用户网关”标签下看到网关“在线”的状态。至此，网关注册完成。

注册节点

新建产品

打开“开发产品 --> 新建产品”，根据实际情况填写“产品名称”。通信方式选择“LoRaWAN”，其他保持默认即可。

image.png

进入刚刚新建产品，选择新建功能。在本文所涉的操作中，我们需要监控“温度”、“湿度”、“电池电压”三个变量。所以笔者新建了三个功能：

数据解析

在“设备开发”的“上行数据解析”部分，填入解码脚本并提交。

function tofloat32(a1,a2,a3,a4){
    var s=(a1&0xff)>>7;
    var E=(a1<<1&0xff)|a2>>7;
    var M0=(a2&0x7f)<<16|a3<<8|a4;
    var M=1;
    for(var i=0;i<23;i++)
    {
      if(M0>>i&0x01==1)
        {
          M=M+Math.pow(2,i-23);
        }
    }
    var result=Math.pow(-1,s)*M*Math.pow(2,E-127);
    return result;
    }

function RawToProtocol(fPort, bytes) {
    var data = {
        "method": "report",
        "clientToken" : new Date(),
        "params" : {}
    };
    data.params.Temp = tofloat32(bytes[3],bytes[2],bytes[1],bytes[0]);
    data.params.RH = tofloat32(bytes[7],bytes[6],bytes[5],bytes[4]);
	data.params.Battery = bytes[8]<<8|bytes[9];
    return data;
}

添加设备

在“设备调试”中添加一个新设备，“保存”之后，注册节点完成。

DevEUI和AppKey必须与LoRaWAN节点的信息相对应

配置节点

节点采用Arduino开发环境，因为Arduino是基于C++的开发平台，开发人员无需对硬件底层的寄存器进行配置，配合海量Arduino标准库，极易上手，能大幅降低开发难度，有助于想法更快的验证和落地。

开发环境的安装包含以下两步，依次执行：

1. 参照此文档，安装ESP32 Arduino开发环境；
2. 安装Heltec ESP32 LoRaWAN例程库。

修改节点代码

将传感器与主板连接好后，参照HDC1080传感器 + LoRaWAN这一例程。以下三个地方需要根据实际情况进行修改：

• Arduino菜单中，工作频段设置为CN470；

• DevEUI和AppKey，必须与腾讯云上节点的信息一致；

• 因为我们实验中使用的网关是双通道网关，信道掩码必须改成网关对应的通道。

验证通信

经过以上的配置，若一切正常，节点会将传感器数据通过LoRaWAN协议发送到HT-M00网关发送到腾讯云。我们可以通过“在线调试”看到来自节点的上行数据，在属性测试中也能看到解析好的数据。

腾讯云的在线调试功能

在腾讯云的“交互开发”中，简单配置一个“面板界面”，再通过“腾讯连连”小程序扫二维码，就能在小程序中看到相应的数据了。

腾讯连连中查看传感器数据

Enjoy :)