构建一个树莓派供电的LoRaWAN网关

使用Raspberry Pi 2 + iC880A为Things Network Calderdale构建第一个网关

上个月，我写了关于物联网 (TTN) — 一个免费和开放的LoRaWAN为物联网应用提供动力的数据网络 - 以及我们如何在Calderdale创建了一个社区，我们的当务之急是使用它来支持众包的洪水传感器网络。

这篇文章摘录了上一次结束的地方，详细介绍了用于构建DIY网关（也称为“接入点”或“基站”）的硬件，以及软件，配置和初始测试。

请注意，有许多现成的LoRaWAN网关，以及更简单/更便宜的DIY解决方案。 然而，这里采用的方法在成本，灵活性和性能方面提供了良好的平衡，同时使我们能够更多地了解LoRaWAN如何工作。

硬件

前端由IMST iC880ALoRaWAN“集中器”板提供; 它集成了两个Semtech SX1257收发器IC和一个SX1301基带处理器。 能够模拟具有10条并行解调路径的49x LoRa解调器的组合，以便接收在不同信道上以不同扩频因子同时发送的多达8个LoRa分组。

这听起来很复杂，这要归功于LoRa的调制格式，它能够以非常适中的发射功率电平实现如此令人难以置信的范围，同时还支持每个网关数千个节点。 在实践中，有些细节你可能不需要担心，虽然无线电和MAC层配置是可能的，并且在某些情况下可能是需要的。

选择Raspberry Pi 2 Model B来运行网关软件，并通过SPI与集线器连接，并使用一个非常简单的由跳板构建的分线/踢脚板。 iC880A的连接细节可在相关文档中找到，并注意除了SPI连接之外，还需要Raspberry Pi上的标准GPIO引脚来复位模块。

这些电路板被放置在一个压铸铝外壳内，以提供射频屏蔽（RF Screening），这是为电源插座，开关和LED钻孔，以及链式钻/提供以太网访问。

软件

最新的Raspbian Jessie Lite图像被下载并写入Micro SD卡。 然后在启动Raspberry Pi之后，接着按照以下通常的顺序：

$ sudo apt-get update

$ sudo apt-get upgrade

并且:

$ sudo apt-get install git wiringpi

克隆软件源和WiringPi需要Git提供一个简单的机制来切换复位集中器板的GPIO引脚。

通过编辑/ etc / hostname以及/ etc / hosts中的相应条目来更改主机名

树莓派配置工具接下来运行：

$ sudo raspi-config

要启用通过SPI总线的通信，先选择高级选项（9），然后选择SPI（A6），然后选择启用SPI并在启动时加载内核模块。

由于我们使用的是16GB Micro SD卡，因此在重新启动之前，还使用raspi-config工具来扩展根文件系统来填充此文件系统。

来自IMST的文件建议从Semtech提供的参考资源中构建LoRaWAN软件。 然而，这些有各种更新的叉子正在由 GitHub organisation组织下的The Things Network维护。

苏黎世的物联网通过提供一个 自动化的安装程序已经更进一步。 尽管我不满意这个步骤，比如将Raspberry Pi重命名为通用名称（ttn-gateway），并从源代码构建WiringPi，而不是简单地使用Raspbian存储库中提供的软件包。

因此，我使用了install.sh 脚本 作为一个crib手动安装，并执行如下：

1. 得到了 自动化安装程序的SPI分支 (git clone, git checkout...)

2. 克隆和构建LoRa网关应用程序

3. 克隆和构建数据包转发应用程序

4. 创建bin目录，加上poly_pkt_fwd的符号链接，并复制到global_conf.json文件

5. 省略了创建local_conf.json或重置网关ID

6. 将start.sh复制到bin目录，并将数据包转发器设置为服务

请注意，在构建网关应用程序时：

• libloragw / library.cfg文件必须更新，以便将PLATFORM设置为imst_rpi（请参阅install.sh中相应的sed行）

• 调试可以通过在libloragw / library.cfg中设置适当的变量来打开

如果应用程序在配置后没有成功启动，那么打开SPI，设备寄存器和HAL等的调试功能可以证明是非常宝贵的。

另请注意，如果您要使用提供的服务描述文件（在启动时启用应用程序），则需要确保软件和配置已移至/ opt / ttn-gateway下的预期位置，否则请修改此作为适当的。

在某些时候，我可能会克隆安装程序存储库并稍微修改脚本以适应我自己的口味。虽然最好是将网关和数据包转发器应用程序通过Debian存储库和apt-get进行正确的打包和安装，并将配置保存在更合适的位置（如/ etc / ttn /），而不是与可执行文件放在一起bin目录。

此时我能够运行一个测试传输的实用程序，并确认SPI和软件的操作。

虽然我应该注意到，频谱分析仪有一个连接到它的端口的小天线，并没有直接连接，所以忽略电平测量。 而且，在这一点上，网关从没有提供足够电流的电源运行，所以当集中器被提供足够的功率时，发射突发可能看起来有点不同。

配置

所以现在我们有两个软件构成，lora_gateway和packet_forwarder。 但是这些提供了什么？

lora_gateway主要是一个库libloragw.a为构建一个网关提供了基础，该网关通过特定硬件平台的library.cfg文件进行配置，并与运行该软件的计算机进行接口，以及可选的调试等。帮助程序 还提供了使您能够记录收到的数据包并测试SPI并进行传输。

然后，packet_forwarder建立在库（a.k.a.“driver”或“HAL”）之上，以通过IP / UDP链路将通过空中接口接收的分组转发到主机。 除了上行链路操作之外，网关还支持发送由服务器生成的下行链路（到节点）分组，例如， 进行时间同步。 请注意，此时不支持一般的下行数据业务。

在撰写本文时，实际上有四个数据包转发应用程序：

• 基本。顾名思义！只需通过UDP将收到的数据包转发给主机。

• 全球定位系统。添加对aGPS接收器的支持，以实现绝对时间同步和网关本地化。

• 信标。与gps一样，但增加了对发送节点同步信标数据包的支持。

• 聚。与信标一样，但增加了对多个服务器和其他功能的支持。

poly_pkt_forward应用程序似乎是首选的应用程序，即使您不需要某些更高级的功能，也可以提高稳定性。

数据包转发应用程序由通用的global_conf.json文件配置，该文件提供所需的大部分配置，包括收发器，无线电信道，MAC和网络密钥等。然后通过local_conf.json提供站点配置（如图所示上面），这允许额外的设置和默认值被覆盖。主要有：

• 网关ID。这是由前缀FFE加上Raspberry Pi上的以太网接口MAC地址构成的。

• 联系电子邮件和说明。

• GPS坐标和高度。启用fake_gps作为接收模块在这一点上是不适合的。

• 服务器地址和端口。那些由The Things Network运营的服务器。

在最后一个配置点上，请注意，您可以同样为自己的服务器配置详细信息。

配置完成后，可以使用以下命令手动启动数据包转发器：

$ ./poly_pkt_fwd

一旦满足网关数据包转发器成功启动，Pi就会关闭。.

网站安装

其压铸铝外壳中的网关安装在壁式安装的较大的钢制IP防护罩内。这包括可用于频谱监测的未来宽带SDR接收机的大量空间。DIN导轨安装在机柜的底部。

目前，我们已经安装了电源分配和一个5V电源，具有足够的备用容量，另外还有更多的PSU空间，以便我们稍后需要其他电压轨。

在机箱的顶部，我们有安装在天线之前避雷器，重10mm² 线连接这些到一个专用的接地棒。

在内部，我们可以看到两条同轴电缆穿过868MHz和GPS天线。在左边是25-3,0000MHz天线的N型馈通。在左侧有一个备用装置，将来可以通过同轴继电器将该天线连接到另一个进入车间的馈线，以便与其他设备一起使用。

测试

安装网关是时候把这个测试。目前我们唯一完整的LoRaWAN节点是 Flood Network新传感器的原型，因此我们决定通过The Things Network API来发现它. 幸好，我们可以！

接下来是什么？ 那么，我们计划：

• 与Flood Network合作，以获得更多的在线传感器

• 映射第一个网关的覆盖范围

• 与当地的黑客空间Bridge Rectifier合作，在线获得第二个网关

— Andrew Back