OpenWRT系统（二） - LoRa基站开发

文章目录

架构
LoRa 芯片驱动调试
- GPIO 模拟 SPI
- 硬件SPI片选控制
LoRa转发模块移植
有线口回传
4G模块调试
- 配置编译
- PPP 拨号
- QMI拨号
参考
- 基站端
- 模组
- LoRaWAN Server
- Simulation
- Semtech Starter Kit

这篇文章主要记录lora原型基站开发的过程，基站支持对接市场上默认的 LoRaWAN Server，支持有线口回传，支持4G回传。

架构

步骤
- CPU 移植运行 OpenWRT 系统，有线口正常，这块我是基于现成的，此处省略
- 调试 SX1301 芯片驱动
- 移植 Semtech 公司开源的 packet_forwarder 到 OpenWRT 平台，对接通用的 LoRaWAN Server
- 调试移植4G模块驱动
硬件组成：CPU 使用 SOC AR95xx 系列芯片，通过 SPI 接口跟基带芯片通信，LoRa 基带射频使用 Semtech 公司的多路芯片 SX1301 + SX1255，4G 模组使用龙尚 U8300
软件：平台 OpenWRT ，版本 Attitude Adjustment 12.09，内核 3.3.8
报文流程
- AR95xx 通过 HAL 模块的 SPI 读写操作控制 SX1301 接收终端发送的报文，经过 packet forwarder 模块封装打包后走有线口、WIFI 或 4G 通路，通过UDP方式发送给后台 LoRaWAN Server。

LoRa 芯片驱动调试

AR9531 可以通过 USB 或 SPI 驱动 SX1301，USB方式需要FTDI转 SPI 芯片方式网上教程较多。由于板子限制，这里采用 SPI 方式，由于板子的 SPI 控制器已经用来驱动 flash，控制 SX1301 有两种方式：

GPIO 模拟 SPI 来控制（软 SPI ）
实际的硬件 SPI 通过片选控制

为提高调试效率，先修改Makefile的 cmdline 字段波特率，以串口 ttyS0 为例下面命令可以查找包含 ttyS0 对应行，使用 VIM 修改成 115200。

grep ttyS0 ./target/linux/ar71xx/image/Makefile

GPIO 模拟 SPI

参考
https://randomcoderdude.wordpress.com/2013/08/15/spi-over-gpio-in-openwrt/

GPIO 管脚使用

先确认 GPIO 管脚是否可用，是否能拉高拉低

cat /sys/kernel/debug/gpio  # 查看 GPIO 调试信息
cd /sys/class/gpio
echo 2 > export   # 把 GPIO 管脚 2 导出到用户空间
cd gpio2
echo out > direction   # 配置成输出
echo 0 > value   # 输入值 0
cat value    # 查看值是否改变
echo 1 > value  # 输入值 1
cat value

如果CPU用到对应 GPIO 口存在 JTAG 复用的话，芯片初始化 GPIO 时把 JTAG 关掉

//文件：linux-3.3.8/arch/mips/ath79/gpio.c
//函数：ath79_gpio_init
if (soc_is_qca953x())ath79_gpio_function_enable(AR934X_GPIO_FUNC_JTAG_DISABLE);

移植编译内核模块

OpenWRT 内核默认就已经有 GPIO 模拟 SPI 的驱动模块（spi-gpio、spi-bitbang），另外有spi-dev 设备层通用驱动，用来导出到用户空间，编译内核前把这三个模块打开。spi-dev 模块问题是不大方便调试，建议下载移植 spi-gpio-custom 模块用于动态加载软 SPI 模块，根据对应 GPIO 管脚加载。

# 参数说明
* bus0    These four arguments can be arrays of
* bus1    1-8 unsigned integers as follows:
* bus2
* bus3    <id>,<sck>,<mosi>,<miso>,<mode1>,<maxfreq1>,<cs1>,...
* where:
*
* <id> ID to used as device_id for the corresponding bus (required)
* <sck> GPIO pin ID to be used for bus SCK (required)
* <mosi> GPIO pin ID to be used for bus MOSI (required*)
* <miso> GPIO pin ID to be used for bus MISO (required*)
* <modeX> Mode configuration for slave X in the bus (required)
* (see /include/linux/spi/spi.h)
* <maxfreqX> Maximum clock frequency in Hz for slave X in the bus (required)
* <csX> GPIO pin ID to be used for slave X CS (required**)insmod spi-gpio-custom bus0=1,14,15,16,0,1000000,4  # 加载模块
ls /dev/ | grep spidev1.0   # 确认 spidev 设备是否出现，存在则加载成功

硬件SPI片选控制

待完善，主要修订代码 dev-m25p80.c，

+static struct ath79_spi_controller_data ath79_spi_cdata0 =
+{
+  .cs_type = ATH79_SPI_CS_TYPE_INTERNAL,
+  .cs_line = 0,
+};
+
+static struct ath79_spi_controller_data ath79_spi_cdata1 =
+{
+  .cs_type = ATH79_SPI_CS_TYPE_GPIO,
+  .cs_line = 2,
+   .is_flash = false
+};
+
+static struct spi_board_info ath79_spi_info_multi[] = {
+  {
+      .bus_num    = 0,
+      .chip_select    = 0,
+      .max_speed_hz   = 25000000,
+      .modalias   = "m25p80",
+      .controller_data = &ath79_spi_cdata0,
+  },
+  {
+      .bus_num    = 0,
+      .chip_select    = 1,
+      .max_speed_hz   = 25000000,
+      .modalias   = "spidev",
+      .controller_data = &ath79_spi_cdata1,
+  }
+};
+
+void __init ath79_register_m25p80_multidev(struct flash_platform_data *pdata)
+{
+  multi_pdata = pdata;
+  add_mtd_concat_notifier();
+  ath79_spi_data.bus_num = 0;
+  ath79_spi_data.num_chipselect = 2;
+  ath79_spi_cdata0.is_flash = false;
+  ath79_spi_info_multi[0].platform_data = pdata;
+  ath79_register_spi(&ath79_spi_data, ath79_spi_info_multi, 2);
+}

LoRa转发模块移植

编译移植 LoRa 报文转发模块

下载编译 packet_forwarder 、lora_gateway 模块，lora_gateway 编译时生成 .a 库文件，供 packet_forwarder 模块调用运行报文转发程序，根据自己系统修改下 Makefile，编译完生成 lora_pkt_fwd 可执行文件以及其他测试程序。

https://github.com/Lora-net/packet_forwarder

https://github.com/Lora-net/lora_gateway

Note：模块 v3.0.0 版本对接 LoRaWAN Server 使用了自定义的 GWMP 协议版本 2，不兼容版本 1，对接时要注意两边版本一致
编写 packet_forwarder 起机脚本，包含了加载软 SPI 模块，复位 SX1301（手册要求），更新 local_conf 网关 MAC，启动 LoRa 转发模块，参考如下

#!/bin/sh /etc/rc.commonSTART=101
STOP=102
insmod_gpio_custom=true
reset_lora_chip=true
reset_cmd="reset_lgw.sh"
upgw_cmd="update_gwid.sh"
cmd="lora_pkt_fwd"
mod="spi-gpio-custom"
configFile="local_conf.json"
gpio_spi_dev="/dev/spidev1.0" # gpio simulated driver
hard_spi_dev="/dev/spidev0.1" # alternative: controlled by hardware spi controller
pid_file="/var/run/$cmd.pid"
stdout_log="/tmp/$cmd.log"
#stderr_log="/tmp/$cmd.err"
sck_pin=14
mosi_pin=15
miso_pin=16
mode=0
max_freq=10000000
cs_pin=4get_pid() {ps | grep -v grep | grep "$cmd" | awk '{print $1}'
}is_running() {ps | grep -v grep | grep "$cmd" > /dev/null [ $? = 0 ]
}start() {if is_running; thenecho "Already started"elseif [ \( ! -e "$gpio_spi_dev" \) -a \( ! -e "$hard_spi_dev" \) ]; thenecho "insmod custom gpio based spi"insmod $mod bus0=1,$sck_pin,$mosi_pin,$miso_pin,$mode,$max_freq,$cs_pin  # 可以在代码里加载好fiif [ "$reset_lora_chip" = true ]; thenecho "Reset SX1301"chmod +x /etc/lora/"$reset_cmd"/etc/lora/"$reset_cmd" start  fiecho "update gateway id"chmod +x /etc/lora/"$upgw_cmd"/etc/lora/"$upgw_cmd" /etc/lora/"$configFile"echo "Starting $cmd"/usr/sbin/"$cmd" # >> "$stdout_log" 2>> "$stdout_log" &echo "$!" > "$pid_file"if ! is_running; thenecho "Unable to start, see $stdout_log"exit 1elseecho "Successfully started, see $stdout_log"fifi
}stop() {if is_running; thenecho -n "Stopping $cmd.."kill `get_pid`for i in {1..60}doif ! is_running; thenbreakfiecho -n "."sleep 1doneechosleep 1if [ "$reset_lora_chip" = true ]; then/etc/lora/$reset_cmd stop fiif [ -e "$gpio_spi_dev" ]; thenecho "rmmod custom gpio based spi"rmmod $mod fiif is_running; thenecho "Not stopped; may still be shutting down or shutdown may have failed"exit 1elseecho "Stopped"if [ -f "$pid_file" ]; thenrm "$pid_file"fifielseecho "Not running"fi
}restart() {stop "$@"start "$@"
}status() {if is_running; thenecho "Running"elseecho "Stopped"exit 1fi
}EXTRA_COMMANDS="status"
EXTRA_HELP="  status Print the status of lora packet-forward"

/etc/init.d/packet_forwarder start  # 启动

运行测试程序

Note: 运行测试程序前需先加载 spi-gpio-custom 模块，可以启动一下 /etc/init.d/packet_forwarder start 关掉，或者手动加载模块

# 发送功率测试，参数根据要求配置
util_tx_continuous -f 433.3 -r 1255 --mod LORA --sf 7 --bw 125
# 接收灵敏度测试
util_rx_test -c /etc/lora/freq_conf_433.json

对接 LoRaWAN Server

只是原型的话推荐接入 Loriot.io 社区进行调试期间试用， https://cn1dashboard.loriot.io/login，也可以自己到 github 上查找开源相关自己搭建一个。

有线口回传

参考 https://wiki.openwrt.org/doc/uci/network

注意与 4G 回传二选一来配置，ping 不通时，注意查看路由表默认路由是否是4G端口 route -e，DNS 要配，LoRa 报文转发模块默认会解析 server 域名。

uci set network.lan.proto=static  # 静态IP
uci set network.lan.ipaddr=xxx.xxx.xxx.xxx
uci set network.lan.gateway=xxx.xxx.xxx.xxx
uci set network.lan.dns=xxx.xxx.xxx.xxx
uci set network.lan.netmask=255.255.255.0
uci commit

或者通过改配置文件 /etc/config/network

config interface 'lan'option ifname 'eth0 eth1 ath0'option type 'bridge'  # 桥模式option force_link '1'option proto 'static'option ipaddr 'xxx.xxx.xxx.xxx'option netmask '255.255.255.0' option gateway 'xxx.xxx.xxx.xxx'option dns 'xxx.xxx.xxx.xxx'

重启网络生效

/etc/init.d/network restart

4G模块调试

参考
https://wiki.openwrt.org/doc/recipes/3gdongle
http://blog.csdn.net/qianguozheng/article/details/50543704
4G网卡的拨号方式有三种: PPP (PPP over EV-DO, CDMA, UMTS or GPRS)，QMI (USB modems using QMI protocol)，NCM (USB modems using NCM rotocol)

配置编译

使用驱动程序及工具，通过 make menuconfig 里要打开如下模块。

工具
comgt
USB HCI
kmod-usb2 (aka EHCI)
kmod-usb-ohci
kmod-usb-uhci (for example VIA chips)
虚拟串口通信用
kmod-usb-serial, and kmod-usb-serial-option, and kmod-usb-serial-wwan, or kmod-usb-acm
依赖库
kmod-usb-core, already in 10.03 RC3 Image
chat, dependency of comgt
ppp, dependency of chat, already in 10.03 RC3 Image
kmod-usb-serial, dependency of kmod-usb-serial-option

option 驱动加载后，出现 5 个 ttyUSB，PPP 拨号使用 ttyUSB1，AT 命令查询 ttyUSB2，数据通路走 PPP 或 QMI 拨号，两者都要修订代码 option_ids 增加 id，芯片初始化要注册USB控制器。

//文件：linux-3.3.8/arch/mips/ath79/mach-ap120-h.c
//函数：static void __init xxx_setup(void)
ath79_register_usb();

//文件：linux-3.3.8/drivers/usb/serial/option.c
{ USB_DEVICE(LONGSUNG_VENDOR_ID, LONGSUNG_U8300_PRODUCT_ID)},  /* add for longsung U8300 LTE modem */

PPP 拨号

速率支持不是最高，当前状态下够用，3.3.8 内核配置完就可支持，通过 UCI 命令配置

uci set wan.ifname=ppp0
uci set wan.device=/dev/ttyUSB1
uci set wan.apn=3gnet
uci set wan.service=umts
uci set wan.dialnumber=*99#
uci set wan.proto=3g
uci set wan.defaultroute=1

或者修改 /etc/config/network 增加 ppp0 的 wan 口

config interface 'wan'option ifname 'ppp0'option device '/dev/ttyUSB1'option apn    '3gnet'  # 根据运营商变化注：联通apn：3gnet 电信apn：ctnet 移动apn：cmnet/cmwapoption service 'umts'  option dialnumber '*99#'   # 联通dialnumber：3G为*99# 电信：3G为#777 移动为：*99***1# LTE为：*99#option proto '3g'option defaultroute '1'

/etc/init.d/network restart 重启网络
ifconfig 查看是否出现 3G 端口

QMI拨号

跟 PPP 拨号二选一， 修改代码跳过第四接口不让其被 option 驱动检测到，加载 GobiNet 模块驱动该口，支持 4G，更高速率，使用时 PPP 拨号要关掉

//文件：drivers/usb/serial/option.c
//函数： static int option_probe(struct usb_serial *serial, const struct usb_device_id *id)
if (cpu_to_le16(serial->dev->descriptor.idVendor) == LONGSUNG_VENDOR_ID &&cpu_to_le16(serial->dev->descriptor.idProduct) == LONGSUNG_U8300_PRODUCT_ID &&serial->interface->cur_altsetting->desc.bInterfaceNumber == 4) {printk(KERN_INFO"Discover the 4th interface for U8300 NDIS\n");return -ENODEV;
}

Gobi 芯片是高通开发的移动宽带 modem，3.3.8 内核需自己移植 GobiNet 驱动，3.4 内核以上系统自身有带 qmi_wwan 驱动，用户空间工具 ofono, uqmi and libqmi，感兴趣的可以看下 https://sigquit.wordpress.com/2014/06/11/qmiwwan-or-gobinet/

#加载模块
insmod /lib/modules/3.3.8/GobiNet.ko
#读返回结果
cat /dev/ttyUSB2 &
#拨号
echo -e 'at$qcrmcall=1,1\r\n' > /dev/ttyUSB2
#查看出现4g用接口
ifconfig #查询网络服务类型
echo -en "at+psrat\r" > /dev/ttyUSB2
#查询手机功能
echo -e "at+cfun?\r" > /dev/ttyUSB2
#查询pin是否正常识别或是否有pin码
echo -e "at+cpin?\r" > /dev/ttyUSB2
#查询运营商
echo -e "at+cops?\r" > /dev/ttyUSB2
#返回IMSI号
echo -en "at+cimi\r" > /dev/ttyUSB2
#查询IMEI号
echo -e "at+cgsn\r" > /dev/ttyUSB2
#查询集成电路卡识别码
echo -e "at+iccid\r" > /dev/ttyUSB2
#查询信号质量，返回rssi,rxlevel
echo -e "at+csq\r" > /dev/ttyUSB2
#断开连接
echo -e 'at$qcrmcall=0,1\r\n' > /dev/ttyUSB2

参考

除了前面提到了，下面罗列一些关于 LoRaWAN 系统搭建可能会用到的代码链接。

基站端

Low-cost LoRa gateway with SX1272 and Raspberry
https://github.com/CongducPham/LowCostLoRaGw
This is a fork with the needed modifications to be able to use lora_gateway with a Multitech MTAC-LORA (MultiConnect mCard) board instead of a IoT Starter Kit platform.
https://github.com/mirakonta/lora_gateway

模组

Semtech 开源的节点实现代码，MCU基于STM32L151CB，射频SX1272
https://github.com/Lora-net/LoRaMac-node
IBM 开源的节点实现代码，BSD License，支持ClassA、B
https://www.research.ibm.com/labs/zurich/ics/lrsc/lmic.html

LoRaWAN Server

lorawan server开源实现，MIT授权，可以参考实现

go语言 the things network社区，15年10月就开始做了，比较完整
https://github.com/TheThingsNetwork/ttn
V1版本源码：https://github.com/TheThingsNetwork/ttn/tree/v1-staging
TTN官网：https://www.thethingsnetwork.org
TTN架构：https://www.thethingsnetwork.org/wiki/Backend/Overview
ttnctl CLI：https://www.thethingsnetwork.org/docs/current/cli/
后台：https://account.thethingsnetwork.org
go语言，16年2月开始做的，跟TTN很像
https://github.com/brocaar/loraserver/
erlang语言，适合小型网络使用，只有1个人在开发
https://github.com/gotthardp/lorawan-server

Simulation

https://sites.google.com/a/wesdec.be/mweyn/lpwan

Semtech Starter Kit

http://semtechlorakit.blogspot.jp/