1.1 物联网导论（前言）

什么是测试床

简单的说，测试床就是一个平台，用于对科学理论、计算工具和新技术进行严格、透明和可复制测试。

在网络研究领域里，许多网络性能和指标的测量就需要实际的大规模的实验部署，这时候，测试床的重要性就显现出来了。网络研究发展到现在，涌现出了许多经典的测试床系统，比如用于WSN(wireless sensor network)的MoteLab，FlockLab和INDRIYA2, 用于802.11b/g的Roofnet等等。相关的论文在引用[2]-[4]。

在这个章节里，我们将介绍我们所搭建的LoRa测试床系统。LoRa是一种低功耗广域网通信技术，即通信距离远且功耗低，做这样的一套测试床系统，既有与之前的测试床系统类似的地方，也有其特有的不同特性，我们的设计考虑到了这些。

与我们这套测试床系统类似的有OpenChirp以及阿里的AliOS Things里的lora平台(可能访问不了)。

LoRa测试床概述和功能

概述

LoRa测试床搭建的初衷是方便快捷的对LoRa设备进行操作和实验。
由于LoRa长距离通信的特点，我们不能仅让测试床限制在某一个地方，而是应该让其具有广域通信的能力。因此我们设计了使用树莓派控制LoRa节点的方案，这样的系统具有可移动的特性，可以方便的移动到任何有网络的地方进行实验。在不断的探索中，我们还开发了一套LoRa自主更新的系统，即除了使用LoRa进行通信，我们还利用其本身的信号进行控制更新程序，从而到达实现远程更新的目的，进一步摆脱了电力和网络的限制。关于两种设计方案，我们会在下面的章节进行详细的说明。

实现功能

• 烧录新程序
• 打开，关闭，重启LoRa节点
• 批量进行上述的操作
• LoRa节点的远程自主更新(基于本身的信号)
• 实时采集数据，并可视化
• 数据导出，下载

下面我们将从LoRa测试床架构组成，部署情况，使用指南和技术实现四个方面进行叙述。

LoRa测试床架构组成

LoRa测试床的总结架构设计如下图所示

容易看出，测试床平台由三部分组成：

1. LoRa组件搭建的LoRa服务，包括节点，网关和服务器，运行的协议为LoRa相关的协议。为了与TCP/IP网络区分开，这里特定使用了蓝色的箭头表示通信流程。

2. 控制平台。这里设计了两套控制方案，分别应对不同的应用场景。

   首先由架构图可以看到第一套方案是我们设计的控制网络，位于图中的左下方，中心服务器接收来自Web服务器的指令，然后将指令传给树莓派系统。由于树莓派系统与LoRa节点是用USB接口连接，故而树莓派系统可以将命令进一步传给LoRa的节点，这样就达到了控制节点的目的。值得一提的是在实际实现中，控制命令是通过内网进行操控，从而更加安全可靠。这种方案需要给树莓派系统供电供网，通常用于室内。

   由于LoRa的通信是双向的，故而也可以采取一套自主更新系统，即使用自身的LoRa信号进行程序的更新。这种更新系统不受电力，网络的外在条件限制，通常用于室外。

3. 客户系统。不同的客户机通过网络连接到Web服务器进行操作，我们提供了方便操作的UI。我们通过共享数据库来实现Web服务器与LoRa服务器之间的数据共享。

这三台服务器是相互独立的，在实际实现里，可以实现在同一台物理机也可以实现在不同的物理机。下面我们将从这三个方面展开进行详细的叙述。

LoRa组件

为了实现LoRa测试床系统，第一步是将LoRa的一套服务调试完成。这里主要介绍我们使用的LoRa组件，具体实现见LoRa测试床的技术实现部分。

服务器

我们采用的是实验室采购的一台服务器，linux系统，LoRa服务对服务器并没有特别的要求，故略去不表。

网关

我们主要使用两种LoRa网关，如下图网关1和网关2(图片来自这里)：

网关1

网关2

它们的主控芯片为ARM Cortex-A53平台，主频1.2GHz。不同之处在于包装和附加功能，比如网关2可以电池供电，提供了更多的接口等。目前测试床有3个网关1和2个网关2。

节点

我们同样拥有两种节点，主要区别在于MCU，射频芯片以及其他传感器件。同时在封装上也有区别，分别适用于室内和室外的部署。

节点1的射频芯片为SX1268，MCU为STM32L083，并且含有GPS，温湿度以及动力传感器。节点2则使用SX1278的射频芯片，STM32L53的MCU以及含有串口。

我们对节点1进一步的封装，使其能够防水防潮，并且装上太阳能板，使其能够在室外长期的工作，效果图如下：

对于节点2，我们让其与树莓派进行串口连接，从而赋予其可移动控制的特性，通常用于室内，效果图如下：

控制平台

正如前面介绍的，我们设计了两套控制系统，分别是树莓派管控系统和自主更新系统。

• 树莓派管控系统

  对LoRa节点的控制 对LoRa节点的控制基于树莓派和节点间的串口连接，这只要将LoRa节点与树莓派串口连接就可以实现。但是要实现LoRa节点对命令的响应，比如烧写，打开，停止这些控制命令，就需要给节点实现Bootloader的服务。

  树莓派与中心服务器的连接问题 对于有连接Wifi的条件，我们采用路由器进行网络的分配和管控，同时由于在学校内部，我们一般使用内网进行连接和控制。对于没有连接WiFi的条件，我们则给树莓派+LoRa节点配置了手机SD卡以及穿透服务连接到我们的内网。同时为了便于时时控制和收集运行日志，我们实现了树莓派与服务器间一对一的socket连接进行数据的传输。

• 自主更新系统

  TODO

两种系统的比较。这两种系统毫无疑问是各有优劣的，树莓派管控系统对于资源要求比较苛刻，比如需要联网，需要长时间不间断供电等等，但是其好在运行稳定，实现相对容易和快捷。自主更新系统则比较自由，对环境条件依赖度很小，但是其实现代价比较高昂，考虑到LoRa本身通信速度的局限性，整套系统的稳定性也有待考量。

客户系统

客户端永远是最轻松的一方。我们提供了UI以供操作。点击这里进入客户系统。下面是登陆界面和操作界面一瞥。

LoRa测试床部署情况

网关

节点

LoRa测试床使用指南

LoRa测试床技术实现

LoRa网络搭建

控制平台搭建

• 树莓派管控系统

• 自主更新系统

参考文献

• [1] https://en.wikipedia.org/wiki/Testbed
• [2] Werner-Allen, Geoffrey, Patrick Swieskowski, and Matt Welsh. “Motelab: A wireless sensor network testbed.” Proceedings of the 4th international symposium on Information processing in sensor networks. IEEE Press, 2005.
• [3] Aguayo, Daniel, et al. “Link-level measurements from an 802.11 b mesh network.” ACM SIGCOMM Computer Communication Review. Vol. 34. No. 4. ACM, 2004.
• [4] Doddavenkatappa, Manjunath, Mun Choon Chan, and Akkihebbal L. Ananda. “Indriya: A low-cost, 3D wireless sensor network testbed.” International conference on testbeds and research infrastructures. Springer, Berlin, Heidelberg, 2011.

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