Docker與ChirpStack在LoRaWan云服務中的應用研究

倪峰，金海峰，蘇春芳

（江陰職業技術學院 計算機科學系，江蘇 江陰 214405）

0 引 言

LoRa與NB-IoT是目前窄帶物聯網領域的研究與應用熱點。LoRa一種低功耗的廣域物聯網技術，它采用了擴頻調制技術，可實現超遠距離的無線傳輸，且兼顧了低功耗的需求，在智能建筑、智慧城市、智能制造等領域有著廣闊的應用前景。Cisco、IBM和Semtech共同發起了LoRaAlliance聯盟，制定了LoRaWan標準規范。國內的中興通訊、騰訊、阿里等企業也紛紛加入LoRaWan的陣營，成立了CLAA聯盟，制定適合中國國情的技術標準，成為全球最大的LoRa物聯網生態圈。LoRa工作在非授權頻段，按照LoRaWan Regional Parameters標準，中國地區有2個ISM免費頻段，分別為CN779-787和CN470-510，其中CN779-787最大功率僅為10 dBm，實際利用價值不高，CN470-510最大發射功率可達17 dBm，是部署LoRaWan的最佳頻段。

如圖1所示，LoRa節點與LoRa網關之間組成星型拓撲結構，網關負責節點數據的透傳，網關與LoRaWan Server之間通過IP網絡進行通信，LoRaWanServer負責網關接入控制、LoRaWan協議解析、RF數據包的收發、數據加密與解密、數據存儲、應用層下行指令的轉發等工作。部分網關內嵌了LoRaWanServer功能，但功能較弱。目前TTN、騰訊云、阿里云、華為云等物聯網開發平臺提供LoRaWanServer功能，也可搭建開源的云服務器如ChirpStack。ChirpStack的前身為著名的開源項目LoRaServer，可通過租用阿里的ECS云服務器、騰訊的CVM云服務器等進行公有云的搭建部署，并實現域名訪問，也可在內部網絡中搭建私有云平臺。ChirpStack的使用非常靈活，且安全性高，主要包括PostgreSQL、Redis、Mosquitto等軟件模塊，一般部署在Linux環境中，但安裝較為煩瑣，后續維護卸載不便，為此國內的銳米通信等曾發布開源的LoRaServer一鍵安裝包。隨著Docker容器技術的發展，提供了更為便捷、輕量化、可移植的解決方案，在本地配置好的鏡像可部署在其他Linux版本的環境中，系統耦合度低，輕便靈活，因此Docker技術目前成為LoRaWan云平臺構建的研究熱點。本文使用Docker容器技術在Ubuntu上安裝部署ChirpStack環境，硬件層選用南京易通匯聯的TJ81 LoRa網關和XC20 LoRa節點，節點使用ClassA工作模式，選用OTAA入網方式，網關接收通道的中心頻點為475 MHz，發射通道中心頻點505 MHz，發射和接收通道左右各5 MHz的帶寬?？蛻舳丝赏ㄟ^MQTT協議或訪問ChirpStack提供的Restful API實現數據的上下行。

圖1 LoRa的網絡架構

1 基于Docker的ChirpStack云平臺構建

虛擬化實現了在當前操作系統中模擬運行其他操作系統的功能，傳統的虛擬化技術如VMWare、VisualBox等，依賴于物理CPU和內存，是硬件級別的虛擬化，存在占用資源多、運行慢等缺點。而Docker容器并非模擬完整的操作系統，通過Linux提供的命名空間對不同的容器進行隔離，實現了操作系統級別的虛擬化，通過開源的應用程序容器引擎，將程序和依賴包整合在一個文件中，運行此文件生成一個虛擬容器，程序在此虛擬容器中運行，可發布到任何Linux環境中，容器使用沙箱機制，容器之間不存在任何接口，容器性能開銷較低。

Docker由鏡像、容器、倉庫三部分構成，鏡像是一個最小root文件系統，是靜態的概念，而容器則是鏡像運行時的實體，倉庫是代碼控制中心，用于保存鏡像。如圖2所示，Docker使用C/S架構，Docker客戶端與本地或者遠端主機的守護進程進行通信，守護進程負責構建和維護容器，當需要構建Docker容器時，守護進程從倉庫中拉取鏡像，鏡像可以存放在Docker官方提供的DockerHub中，也可以存放在私有倉庫中。守護進程得到鏡像后，生成Container容器，容器擁有獨立的root文件、進程空間等，用戶程序可以在容器中獨立運行。也可以將構建好的鏡像推送到倉庫中，便于在其他主機上部署和使用。

圖2 Docker的架構

Docker存儲庫中保存了安裝Docker所需組件，可通過HTTPS方式從Docker存儲庫上拉取安裝包自動安裝，安裝需要root權限，主要流程如圖3所示，相關命令由于篇幅所限不再贅述。

圖3 Ubuntu下Docker組件安裝流程

安裝完Docker后，從github上拉取ChirpStack代碼到本機，完成ChirpStack組件的安裝。拉取成功后會在用戶目錄下生成chirpstack-docker目錄，在該目錄下運行sudo docker-compose up命令，在容器中運行ChirpStack組件。

2 ChirpStack云平臺的配置與部署

在Docker容器中運行ChirpStack相應組件，容器中運行了以下進程：（1）chirpstack-network-server：LoRaWan網絡服務器。（2）chirpstack-gateway-bridge：LoRaWan網關通信。（3）chirpstack-application-server：LoRaWan應用服務器。（4）mosquitto：MQTT消息代理。（5）redis：會話存儲。（6）postgresSQL：數據存儲。

按照LoRaWan標準約定，中國地區使用470～510 MHz的頻率范圍，本文使用的TJ81網關遵循相關協議，因此需要設置相應參數，將chirpstack-docker/dockercompose-env.yml配置文件中的NETWORK_SERVER__BAND__NAME字段以及chirpstack-docker/configuration/chirpstack-network-server/chirpstack-network-server.toml中的network_server.band字段的默認值EU868（歐洲）修改為CN_470_510（中國），并將默認的歐洲頻段刪除。

ChirpStack提供Web界面便于用戶自定義配置，主要業務流程如圖4所示。創建Network-server后需將訪問地址修改為chirpstack-network-server：8000。創建Gateway-profiles后將其與Network-server關聯，同時設置網關監聽信道號。本文使用的TJ81 LoRa網關設置的起始頻點為472.3 MHz，按照LoRaWan Regional Parameters V1.0標準的約定，設置Gateway-profile對應的信道號為10至17，共8個信道號，匹配TJ81網關所監聽的8個物理信道，上行頻率范圍：472.3 MHz～473.7 MHz，下行頻率范圍：502.3 MHz～503.7 MHz，信道頻率間隔200 kHz。Service-profiles負責管理服務配置文件，用于定義用戶和組織在網絡服務器上能使用的功能。Device-profiles負責設置設備功能和啟動參數，設置LoRaWan MAC version為目前流行的1.0.2版本，設置LoRaWanRegionalParametersversion為版本A。LoRa節點支持OTAA和ABP兩種入網方式。OTAA入網方式需要節點向NS發送Joinrequest報文，報文中包含DevEUI、AppEUI和AppKey三個參數，DevEUI為節點的身份唯一標識，AppEUI為應用ID，AppKey用于節點計算會話秘鑰。節點發送的Joinrequest報文經網關透傳至NS后，若NS判斷為合法請求，則會下發Joinaccept報文，經網關轉發至節點，節點從中解析出devAddr、appSkey和nwkSkey，其中devAddr為LoRa節點的唯一短地址，其余兩個參數用于數據加密使用。相對而言，ABP的入網方式則簡單許多，直接將devAddr、appSkey和nwkSkey這三個參數配置給ABP終端節點，這三個加密參數將固定不變，相對而言OTAA終端節點每次入網時會動態改變加密參數，安全性高?？梢奜TAA入網方式相對復雜，安全性高，而ABP方式簡化入網方式，安全性相對較弱，但由于OTAA入網方式需要接收NS的Joinaccept報文，在一些信號較弱的環境中，可能會導致數據丟包的情況發生，而采用ABP入網方式相對穩定，故這兩種入網方式有各自的優缺點。節點設備有ClassA、ClassB和ClassC三種類型，ClassA數據上行后短暫打開2個接收窗口，其余時間一直處于休眠狀態，優點是省電，但下行數據的實時性受限，若錯過本次接收窗口時間，需等到下次數據上行時才能接收下行數據。ClassB具備ClassA的特點，可根據網關接收的時間同步Beacon信標打開接收窗口，其余時間休眠，下行數據的延遲問題有所提高，設備相對省電。ClassC設備的接收窗口時刻處于打開狀態，能實時接收下行數據，但最為耗電。本文使用的XC20節點采用ClassA工作模式，采用OTAA入網方式，故在此步驟完成相應設置。接下來創建和命名網關，將網關設備與先前創建的Network-server、Service-profile、Gateway-profile相關聯，并輸入網關設備的ID。最后創建Application，命名并關聯Serviceprofile，并將節點設備添加到Application中，為節點設備配置DevEUI和AppKey，并關聯對應的Device-profile。當節點入網后，可在Application中查看到入網數據信息。

圖4 ChirpStack部署流程

3 節點數據上下行驗證

本文中LoRa節點型號為XC20，使用STM32L431CBT6作為主控芯片，使用SEMTECH的SX1278無線擴頻芯片，最大發射功率19 dBm，RSSI -140 dBm，半雙工通信，通信距離超過3千米，通過UART進行AT指令交互。網關型號為TJ81，使用SX1301無線擴頻芯片，8路上行通道、1路下行通道，半雙工通信，最大發射功率24 dBm。網關的起始頻點、ID、服務器IP等必須與ChirpStack配置信息一致。先進行入網狀態查詢，向節點發送“AT+JOIN?”，若返回“+JOIN：1”表示入網成功，可進行數據收發，若返回“+JOIN：0”表示入網失敗，則需進行檢查排故。入網成功后可進行數據的傳輸，數據將進行BASE64加密，向節點發送“AT+UNCONMSG=數據”或“AT+CONMSG=數據”即可將數據經網關轉發至ChirpStack，區別在于是否需要對上行數據進行應答。如圖5所示，節點上行數據后，可在Application中對應的節點下的LoRaWan Frames內實時查閱節點上行數據。如需進行數據下行，則需借助MQTT協議實現，通過MQTTBox工具，可實現Topic的推送和訂閱，進行數據的上下行。也可通過MQTT協議開發用戶層應用程序。

圖5 LoRaWan節點入網與數據響應

4 結 論

本文通過Docker容器技術將ChirpStack部署在Ubuntu系統下，實現了LoRaWan云服務，對比分析了Docker技術與VM技術的特點，對ChirpStack云服務的部署進行了詳細闡述，對LoRa節點的入網方式和工作模式進行了分析和選型，實現LoRa節點數據的上下行。經驗證，ChirpStack在Docker容器中運行穩定，可方便的部署在本地或阿里云等服務器上。后續將對LoRa的傳感層數據采集與傳輸以及應用層程序的開發做進一步研究。