作者：forest-rain

1 概述

物聯(lián)網(wǎng)終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，幫助人類社會(huì)實(shí)現(xiàn)更高階的智能化。IoT網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)海量物聯(lián)網(wǎng)端側(cè)設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)云端應(yīng)用的溝通，發(fā)揮著承上啟下的重要作用，是實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)的關(guān)鍵一環(huán)。IoT網(wǎng)關(guān)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、智能家居、智慧城市等等垂直行業(yè)。

LiteCoG（Lite Connect Gateway）是一款小型的、支持多種連接方式的IoT網(wǎng)關(guān)，當(dāng)前的主體功能是一個(gè)單雙通道的LoRaWAN網(wǎng)關(guān)，北向采用以太網(wǎng)WiFi4G Cat1連接，南向通信采用LoRa通信，同時(shí)也可支持BLERS485等連接方式，具有遠(yuǎn)距離通信、低成本、方便部署、易擴(kuò)展等特性，便于市場(chǎng)規(guī)模推廣。旨在面向智能家居、智慧社區(qū)、智慧停車等局域網(wǎng)內(nèi)、設(shè)備容量較小的物聯(lián)網(wǎng)通信場(chǎng)景，同時(shí)由于具備良好的成本優(yōu)勢(shì)，也可以作為L(zhǎng)oRaWAN網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)盲設(shè)備。

當(dāng)前實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)所面臨的問題與挑戰(zhàn)：

如智能家居，目前智能家居還不是社會(huì)剛需，因此大規(guī)模推廣對(duì)成本極其敏感，采用高性能的LoRa網(wǎng)關(guān)芯片(SX130x)方案，可以滿足設(shè)計(jì)需求，但是成本承壓，同時(shí)性能過剩。

如智慧社區(qū)，智慧社區(qū)是放大版的智能家居，也是一個(gè)縮小版的社會(huì)。隨著我國(guó)人口日益老齡化，智慧養(yǎng)老社區(qū)的需求日益突顯，如何解決空巢老人、孤寡老人的監(jiān)護(hù)是我國(guó)當(dāng)前社會(huì)面臨的一個(gè)新難題。構(gòu)建智慧社區(qū)所需龐大的啟動(dòng)資金是一個(gè)必須逾越的障礙。

如智慧停車，停車難一直是城市公共交通的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。海量的車，方便了出行，卻受限于終點(diǎn)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把分散的停車資源利用起來，是緩解停車難的可行方式。

LiteCoG網(wǎng)關(guān)基于RT-Thread操作系統(tǒng)，采用LoRa SX126XSX127X來提供標(biāo)準(zhǔn)LoRaWAN接入能力，可以較大壓縮BOM成本；借助LoRa調(diào)制的遠(yuǎn)距離通信能力、低功耗特性，在全屋社區(qū)小范圍停車等應(yīng)用領(lǐng)域，基本可以非常靈活的部署電池供電的智能設(shè)備，非常方便。同時(shí)借助RT-Thread強(qiáng)大的軟硬件生態(tài)資源，可以極大加快產(chǎn)品開發(fā)效率，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

• • LoRaWAN單通道網(wǎng)關(guān)(lgwsc)

• • • 對(duì)接標(biāo)準(zhǔn)LoRaWAN服務(wù)器

• • • • UDP

• • • • • 利爾達(dá) Unicore
        • 騰訊云 loragw.qcloud.com

• • • Class A
    • 支持lgwsc shell命令
• • • 支持網(wǎng)關(guān)參數(shù)配置
• • • 支持掉電存儲(chǔ)功能
• • • 北向連接
• • • • Ethernet
      • WiFi
      • 4G Cat1

• • 人機(jī)交互

• • • OLED顯示屏

2 開發(fā)環(huán)境

• 軟件平臺(tái)：

• • RT-Thread版本：4.0.3
  • 開發(fā)工具及版本：RT Thread Studio 2、MDK5
  • PessimonUIBuilder 3.0設(shè)計(jì)器

• 硬件平臺(tái)

• • ART-Pi主板

• • • STM32H750
    • AP6212

• • ART-Pi 工業(yè)擴(kuò)展板

• • • 以太網(wǎng)、485

• • ART-Pi 多媒體擴(kuò)展板

• • • 320*480 TFT屏幕

• • LoRa多功能能擴(kuò)展板（LRS007）

• • • SX1268 LoRa模塊
    • 1.3英寸 OLED液晶屏

3 RT-Thread使用情況概述

• RT-Thread內(nèi)核：

• • 調(diào)度器：多線程(任務(wù))實(shí)現(xiàn)
  • 線程間同步：信號(hào)量、互斥量
  • 線程間通信：郵箱、消息隊(duì)列
  • 內(nèi)存管理：mem pool、memheap管理算法
  • 軟件定時(shí)器

• 組件(Compentont)：

• • FinSH控制臺(tái)
• • 設(shè)備驅(qū)動(dòng)(Device Drivers)
• • • I/O 設(shè)備模型

• • • • PIN設(shè)備 、I2C設(shè)備、UART設(shè)備、RTC設(shè)備、TOUCH設(shè)備

• • • WIFI框架

• • • SPI框架

• • • • 使用 SPI 框架來驅(qū)動(dòng)SPI接口的設(shè)備（比如本文中的LoRa SPI模塊）

• • 網(wǎng)絡(luò)(Network)

• • • netdev網(wǎng)卡
• • • AT命令
• • • SAL 套接字抽象層
• • • TCP/IP協(xié)議棧
• • • • lwip輕量級(jí)協(xié)議棧

• • • 常用工具(Utilities)

• • • • ulog日志

• 軟件包
• • AT設(shè)備軟件包：at_device-latest;
• • adbd-v1.1.1
• • btstack-v0.0.1   
• • CmBacktrace-v1.4.0
• • EasyFlash-v4.1.0
• • fal-v0.5.0
• • littlefs-v2.0.5
• • JSON軟件包 cJSON-latest
• • 網(wǎng)絡(luò)工具包 netutils-latest
  • webclient軟件包 webclient-latest
• • webnet-v2.0.2
• • • web服務(wù)器
• • loragw-packet-forward-latest

• • • 單通道lorawan網(wǎng)關(guān)軟件包

• • lora-radio-driver-latest

• • • lora radio驅(qū)動(dòng)軟件包

• • multi-rtimer

• • • 低功耗硬實(shí)時(shí)定時(shí)模塊

• • ft6236-v1.0.0

• • • 觸摸芯片ft6236驅(qū)動(dòng)

• • Persimmon柿餅庫(kù)

• 其他

• • ART-Pi SDK開發(fā)包

• • • sdk-bsp-stm32h750-realthread-artpi

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 典型IoT系統(tǒng)應(yīng)用框架

多功能單通道LoRaWAN網(wǎng)關(guān)（LiteCoG）用于連接物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備與云端服務(wù)器，起到了承上啟下的作用。

4.2 硬件框架

多功能單通道LoRaWAN網(wǎng)關(guān)（LiteCoG）硬件主要由ART-Pi主板+ART-Pi工業(yè)擴(kuò)展板+ART-Pi多媒體擴(kuò)展板+4G Cat1模塊擴(kuò)展板(L610)+LoRa多功能擴(kuò)展板(LRS007)組成。

通過不同的搭配，可滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景。比如

• • LoRaWAN室內(nèi)網(wǎng)關(guān)(WiFi版本)

• • • ART-Pi主板+LoRa多功能擴(kuò)展板(LRS007)應(yīng)用于智能家居、智慧農(nóng)業(yè)等室內(nèi)場(chǎng)景

• • LoRaWAN室內(nèi)網(wǎng)關(guān)(WiF版本) 帶中控屏

• • • ART-Pi主板+ART-Pi多媒體擴(kuò)展板+LoRa多功能擴(kuò)展板(LRS007)應(yīng)用于智能家居、智慧社區(qū)等場(chǎng)景

• • LoRaWAN室外網(wǎng)關(guān)(4G版本)

• • • ART-Pi主板+4G Cat1模塊擴(kuò)展板(L610)+LoRa多功能擴(kuò)展板(LRS007)應(yīng)用于智慧停車等室外場(chǎng)景

• • LoRaWAN室內(nèi)外網(wǎng)關(guān)(以太網(wǎng)版)

• • • ART-Pi主板+ART-Pi工業(yè)擴(kuò)展板+LoRa多功能擴(kuò)展板(LRS007)應(yīng)用于智慧工廠等場(chǎng)景

多功能單通道LoRaWAN網(wǎng)關(guān)（LiteCoG）北向支持WiFi、以太網(wǎng)、4G Cat1方式，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景選擇。北向采用LoRa調(diào)試方式，實(shí)現(xiàn)LoRaWAN單通道接入功能。

對(duì)于智能家居等應(yīng)用，若有中控屏需求，則可進(jìn)一步使用觸摸屏或者OLED來進(jìn)行人機(jī)交互。

4.3 軟件框架說明

多功能單通道LoRaWAN網(wǎng)關(guān)（LiteCoG）1.0主體功能之一是實(shí)現(xiàn)單通道的LoRaWAN網(wǎng)關(guān)，北向通信協(xié)議是基于UDP通信，南向通信協(xié)議是LoRaWAN，同時(shí)可以進(jìn)一步擴(kuò)展LiteCoG來實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算功能，即直接對(duì)LoRaWAN終端設(shè)備控制的能力，以便滿足一些網(wǎng)沒有外網(wǎng)、更高的實(shí)時(shí)等情況。其他功能還有網(wǎng)關(guān)參數(shù)配置，掉電保存、獲取天氣信息，OLED顯示，柿餅UI顯示等等

5 軟件模塊說明

• loragw-pkt-fwd單通道lorawan網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)lorawan數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)功能

• • static void thread_up(void)

• • • 接收到lorawan終端設(shè)備的lora上行消息
    • 周期性獲取狀態(tài)信息
    • 組幀成 PUSH_DATA(json格式)，然后發(fā)送給lorawan服務(wù)器
• • static void thread_down(void);
• • • 維持與lorawan服務(wù)器之間鏈路
    • 接收并解析lorawan服務(wù)器的下行數(shù)據(jù)包(json)，并加入JiT隊(duì)列
• • static void thread_jit(void);
• • • 周期性從 JiT 隊(duì)列取報(bào)文并通過lora發(fā)送到lorawan終端設(shè)備

• • static int lgwsc(int argc, char *argv[])

• • • shell命令，用于設(shè)置網(wǎng)關(guān)參數(shù)(eui、freq、datarate等)
    • 參數(shù)掉電存儲(chǔ)

• lora-radio軟件包

• • 實(shí)現(xiàn)lora芯片sx126xsx127x射頻驅(qū)動(dòng)

• • • lora-radio-sx126x.c

• • • • 對(duì)外提供了上層訪問接口實(shí)現(xiàn)

• • • lora-spi-sx126x.c

• • • • sx126x芯片的spi讀寫接口實(shí)現(xiàn)

• • • • •  rt_device

• • • sx126x.c

• • • • lora芯片sx126x底層驅(qū)動(dòng)

• multi-rtimer軟件包

• • 實(shí)現(xiàn)硬實(shí)時(shí)定時(shí)模塊，用于給lora-radio超時(shí)服務(wù)、給loragw-pkt-fwd提供較精確的下發(fā)定時(shí)器
• lorawan-ed-stack軟件包
  • 用于解析lorawan協(xié)議幀，實(shí)現(xiàn)LiteCoG本地對(duì)lorawan終端設(shè)備的直接控制

6 演示效果

視頻：

7 代碼地址在附件。

8 比賽感悟

參加此次比賽使我對(duì)RT-Thread操作系統(tǒng)有了一個(gè)相對(duì)全面的應(yīng)用與認(rèn)識(shí)。總體感受，RT-Thread是一個(gè)非常強(qiáng)大的RTOS，歷經(jīng)10多年的打磨與沉淀，很多方面已經(jīng)比較成熟與完善。雖然行業(yè)內(nèi)還有很多其他優(yōu)秀的RTOS，但是RT-Thread更貼近于開發(fā)者，不斷迭代創(chuàng)新，同時(shí)代碼風(fēng)格與文檔、豐富組件與軟件包也贏得了很多粉絲。

搭積木式開發(fā)，大大提高了開發(fā)效率，這得益于RT-Thread長(zhǎng)期積累、十年磨一劍地持續(xù)迭代與智慧輸出，提供了非常豐富的開源軟件資源，就如同linux一樣，很多輪子已經(jīng)造好，rt-thread使得嵌入式的應(yīng)用開發(fā)變得更簡(jiǎn)單與高效。RT-Thread軟件包的形式，繼承與發(fā)揚(yáng)包管理器的理念，便于大家使用與貢獻(xiàn)自己的代碼與知識(shí)分享，也使得RT-Thread開源社區(qū)更為活躍。

星星之火可以燎原，充實(shí)自己，向大佬們學(xué)習(xí)，為開源社區(qū)添磚加瓦，貢獻(xiàn)自己的一份綿薄之力。期望有朝一日，物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)可以借助rt-thread等RTOS生態(tài)，各行各業(yè)的小伙伴們一同攜手并進(jìn)，共同提升產(chǎn)品開發(fā)效率，進(jìn)而提升整體行業(yè)效率，降低社會(huì)成本。

LiteCoG 1.0目前還只實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品原型功能，還有很多需要進(jìn)一步優(yōu)化完善的地方，未來也期待跟小伙伴們一起持續(xù)優(yōu)化與迭代為成熟穩(wěn)定的產(chǎn)品。

最后感謝主辦方提供的平臺(tái)與參與活動(dòng)的工作人員們的辛勤付出。