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#概述

本文旨在幫助已經購買RAK商業網關產品并且使用內置LoRa Server功能的用戶，了解如何通過MQTT訂閱商業網關內置LoRa Server的數據，使用戶了解商業網關的工作原理，方便用戶在自己的應用服務器獲取節點數據，達到便捷使用應用服務器完成數據展示和數據分析的目的。

本文將以RAK公司的商業網關產品（室內網關RAK7258或室外網關RAK7249）為例，介紹如何配置商業網關使用內置MQTT服務器和私有（外置）MQTT服務器，以及如何訂閱節點數據和向節點發送數據等。

#LoRaWAN和MQTT簡介

本章節介紹LoRaWAN網絡和MQTT網絡，用于幫助用戶對LoRaWAN和MQTT的工作原理有一個簡單直觀的了解。如果您已經熟悉了LoRaWAN和MQTT的工作原理，可跳過此章節。

#LoRaWAN簡介

Figure 1: LoRaWAN網絡包含的角色

從上圖可以看出，LoRaWAN網絡包括如下3個角色，各個角色的作用如下所示：

終端設備（End Nodes）：即節點設備，負責數據采集，并將數據加密后以無線信號的形式傳遞給網關。
網關（Concentrator/Gateway）：將終端發送的數據透傳給NS服務器。
NS服務器（Network Server）：根據數據身份信息、密鑰對網關轉發的數據進行解密、處理。

RAK簡化LoRaWAN實際部署條件，RAK商業網關集成了NS服務器，它配合節點可以輕松搭建LoRaWAN網絡。

#MQTT簡介

MQTT代表MQ遙測傳輸，是一種發布/訂閱極其簡單和輕量級的消息傳遞協議，用于受限設備和低帶寬、高延遲或不可靠的網絡。設計原則是使網絡帶寬和設備資源要求最小化以及確保可靠性。這些原則使該協議成為物聯網世界的理想選擇。

Figure 2: MQTT網絡角色

如上圖所示，MQTT網絡角色包括如下3個，各個角色的作用如下所示：

發布者（Publisher）：發布信息。
訂閱者（Subscriber）：收集發布者發布的信息。
MQTT Broker：接收發布信息并將信息向訂閱者進行展示。

MQTT Broker同比是新聞發布網站，發布者是新聞發布成員，訂閱者是瀏覽、查看新聞的用戶。

#MQTT在LoRaWAN網絡中的作用

Figure 3: MQTT在LoRaWAN網絡中的作用

實際應用1：使用RAK商業網關內置的MQTT Broker功能。

RAK商業網關獲取數據并發送給內置NS，內置NS將數據發布至內置的MQTT Broker，用戶通過第三方程序訂閱數據。這種應用情況下，RAK商業網關既是發布者，又是MQTT Broker。

注意：

如果使用網關內置的MQTT Broker，則無法通過公網訂閱或發布數據。
網關內置的MQTT Broker僅適用于項目研發和測試階段，由于內置的MQTT Broker沒有密碼、證書等驗證方式，容易被其他人竊取傳感器數據，因此，不建議在生產部署時使用。

實際應用2：使用用戶私有的MQTT Broker功能。

RAK商業網關獲取數據并發送給內置NS，內置NS將數據發布至第三方MQTT Broker，用戶通過第三方程序訂閱數據。這種應用情況下，RAK商業網關僅為發布者。

#訂閱節點數據和向節點發送數據

本節以RAK商業網關為例，介紹如何通過MQTT.fx工具訂閱節點上報的數據和向節點發送數據。您可以通過單擊MQTT.fx下載MQTT.fx工具（MQTT客戶端）。

#配置商業網關使用內置服務器

1、在瀏覽器地址欄中輸入商業網關的IP地址192.168.230.1，按"Enter"，進入如下界面。

Figure 4: 商業網關登錄界面

2、在打開的商業網關登錄界面中輸入用戶名和密碼，單擊"Login"。

默認用戶名和密碼都為root。

3、在左側導航欄中選擇“LoRa Network > Network Settings”。

4、在“LoRaWAN Network Settings”界面上，設置"Mode"為"Network Server"模式。

Figure 5: 配置RAK7249使用內置服務器

5、單擊“Switch mode”切換模式。

約15秒左右，網關即可切換為Network Server模式。在該模式下，商業網關既是網關，又是NS服務器。

#添加節點到商業網關的內置服務器

1、在商業網關左側導航欄中選擇“LoRa Network > Application”，進入應用概覽頁面。

2、輸入應用名稱，單擊“Add”，如下圖所示。

注意：

本示例采用"Type1 : Unified Application Key"，即同一Application中，所有節點設備使用相同的Application Key。不需要單獨為設備設置Application Key。支持通過OTAA自動添加設備。如果您想使用“Type2 : Separate Application Key”，請參考Web 平臺配置指南。

Figure 6: 新增應用

在應用配置頁面根據頁面提示配置應用信息，如下圖所示。

Figure 7: 配置應用

Name：應用名稱，用戶自定義。
Auto Add LoRa Device：是否開啟自動添加設備。開啟后，如果設備的Application Key與Application EUI通過身份驗證，設備將被自動添加到服務器上。
Application EUI：標識唯一的應用提供者，開啟自動添加設備后需要填寫。單擊讓系統自動生成Application EUI。需與節點設備三元組信息中的“AppEUI”保持一致。
Application Key：由應用程序擁有者分配給終端。單擊讓系統自動生成Application Key。需與節點設備三元組信息中的“AppKey”保持一致。
Description：應用描述信息，用戶自定義。

注意：您也可以使用Micro USB線連接節點設備到PC，后使用串口工具打開相應端口分別發送AT+APPEUI和AT+APPKEY獲取Application EUI和Application Key的值后填寫到此處，可省去后續配置節點的步驟。本示例采用系統自動生成的方法。

4、單擊"Save & Apply"保存配置。

5、在系統自動返回的應用概覽頁面，單擊"Edit"進入應用配置頁面添加節點。

Figure 8: 應用概覽頁面

6、輸入節點的Device EUI后，單擊“Add”，如下圖所示。Device EUI可在節點設備的標簽上獲取，也可使用Micro USB線連接節點設備到PC，后使用串口工具打開相應端口發送AT+DEVEUI進行查詢。

Figure 9: 添加節點設備

7、在節點配置頁面配置節點設備信息，如下圖所示。

Figure 10: 配置節點設備信息

Device name：節點設備名稱，用戶自定義。
Class：節點設備類型，需與節點保持一致。這里以節點出廠默認配置Class A為例。
Join mode：節點設備的入網方式，需與節點保持一致。這里以節點設備出廠默認配置OTAA為例。
Frame-counter Width：報文序號計數器長度。
LoRaWAN MAC Version：LoRaWAN協議版本號。
LoRaWAN Regional Parameters Reversion：LoRaWAN區域參數版本號。
Enable LPTP：是否開啟LPTP協議。LPTP協議是RAK自定義的LoRa?報文分片/重組協議，僅部分RAK節點產品（RAK7421、RAK7431及RAK4203）支持。
Description：節點的描述信息，用戶自定義。

8、單擊"Save & Apply"保存配置。

#使用商業網關內置的MQTT Broker

用戶可通過商業網關內置的Application Server Integration功能使用MQTT客戶端訂閱NS Topic消息來獲取節點數據，也可以使用MQTT客戶端向節點發送數據。

#配置商業網關使用內置的MQTT Broker

1、在商業網關左側導航欄中選擇"LoRa Network > Global Integration"。

2、在"Application Server Integration"頁面上，設置應用服務器集成的相關參數。

如果使用內置的MQTT Broker，則“MQTT Broker Address”和“MQTT Broker Port”參數的值保持默認即可。如果您不了解MQTT協議的topic，建議保持MQTT topic相關參數的默認配置。此處使用內置的MQTT Broker，全部參數保持默認配置，如下圖所示。

Figure 11: 配置商業網關使用內置的MQTT Broker

3、單擊"Save & Apply"保存配置。

#通過MQTT.fx客戶端訂閱節點數據

1、打開MQTT.fx工具，主界面如下圖所示。

Figure 12: MQTT.fx工具主界面

2、單擊左上角的新建圖標，如下圖所示。

Figure 13: 新建圖標

3、在下圖中紅框處輸入網關的IP地址。

Figure 14: 輸入網關的IP地址

4、單擊“Connect”。最右側的黑色圓形變成綠色，說明已經成功連接到網關內置的MQTT Broker。

Figure 15: 成功連接到網關內置的MQTT Broker

5、選擇“Subscribe”頁簽。

6、在“Subscribe”頁簽的輸入框中輸入待訂閱的topic，單擊輸入框右側的“Subscribe”。

輸入待訂閱的topic時，topic的格式應該與商業網關"Application Server Integration"頁面上Uplink Topic的格式保持一致，如下圖所示，其中，application_ID需要替換成實際的application ID的值，device_EUI需要替換成節點的device_EUI的值。

Figure 16: Uplink Topic參數

application ID的值和device_EUI的值請參考下面兩個圖來獲取。

Figure 17: 獲取application ID

Figure 18: 獲取device_EUI

以上面兩個圖中獲取的application ID和device_EUI的值為例，則需要在輸入框中輸入的topic為：application/2/device/00d939567c667e1e/rx，如下圖所示。

Figure 19: 訂閱節點上報的數據

· 如果要訂閱一個應用下的所有節點數據，例如：要訂閱應用2下的所有節點數據，則需要輸入如下topic：

application/2/device/+/rx

· 如果要訂閱所有應用下的所有節點數據，則需要輸入如下topic：

application/+/device/+/rx

7、使用節點成功join之后發送一條數據。例如：要在節點側發送一條“HelloRakwireless”，因為節點需要接收16進制的數據，將“Hello Rakwireless”轉換為16進制，即“48656c6c6f52616b776972656c657373”，則發送的AT命令如下圖所示。

Figure 20: 在節點側發送數據示例

8、在MQTT.fx界面上查看已訂閱的節點數據，如下圖所示。

Figure 21: 在MQTT.fx界面上查看已訂閱的節點數據

上圖中"data"字段的值即為節點發送的數據，只是這些數據進行了base64編碼，對"data"字段的值進行base64解碼后即可看到原始數據。

9、查看商業網關web管理界面上節點發送的數據是否與MQTT.fx界面上一致。

Figure 22: 查看商業網關web管理界面

#通過MQTT.fx客戶端向節點發送數據

1、在MQTT.fx工具的主界面上，選擇“Publish”頁簽。

2、在“Publish”頁簽的輸入框2中輸入topic，在輸入框3中輸入{"confirmed": true,"data": "SGVsbG8=","fPort":10}，單擊“Publish”。

注意：

{"confirmed": true,"data": "SGVsbG8=","fPort": 10}中字段的說明如下所示：

"confirmed"的取值包括true和false。
"data"的取值即要發送的數據，需要對數據進行base64編碼。
"fPort"的取值即要發送的端口號，有效端口號為1~255。

輸入topic時，topic的格式應該與商業網關"Application Server Integration"頁面上Downlink Topic的格式保持一致，如下圖所示，其中，application_ID需要替換成實際的application ID的值，device_EUI需要替換成節點的device_EUI的值。

Figure 23: Downlink Topic參數

application ID的值和device_EUI的值請參考下面兩個圖來獲取。

Figure 24: 獲取application ID

Figure 25: 獲取device_EUI

以上面兩個圖中獲取的application ID和device_EUI的值為例，則需要在輸入框2中輸入的topic為：application/2/device/00d939567c667e1e/tx，如下圖所示。

Figure 26: 通過MQTT.fx向節點發送數據

注意：

通過MQTT.fx客戶端向節點發送數據后，Class C模式下節點會立刻收到MQTT.fx下發的數據，Class A模式下節點會在下一次上發數據之后收到MQTT.fx下發的數據。

3、在節點端查看接收到的數據，如下圖所示。

Figure 27: 查看節點端接收到的數據

#使用用戶私有的MQTT Broker

本節介紹在商業網關上配置用戶私有的MQTT Broker信息、連接MQTT客戶端與用戶私有的MQTT Broker、通過MQTT客戶端訂閱節點數據和通過MQTT客戶端向節點發送數據的具體方法。

#配置商業網關使用用戶私有的MQTT Broker

1、在商業網關左側導航欄中選擇"LoRa Network > Global Integration"。

2、在"Application Server Integration"頁面上，設置應用服務器集成的相關參數。

如果要使用用戶私有的MQTT Broker，則需要配置如下參數。

MQTT Broker Address：用戶私有的MQTT服務器的IP地址。
MQTT Broker Port：MQTT服務器的端口號，默認端口號為1883。
Enable User Authentication：打開用戶認證開關。
Username：訪問MQTT服務器的用戶名。
Password：訪問MQTT服務器的用戶密碼。

如果您不了解MQTT協議的topic，建議保持MQTT topic相關參數的默認配置。

此處使用用戶私有的MQTT Broker且保持MQTT topic相關參數的默認配置，如下圖所示。

Figure 28: 配置商業網關使用用戶私有的MQTT Broker

3、單擊"Save & Apply"保存配置。

#連接MQTT.fx客戶端至用戶私有的MQTT Broker

1、打開MQTT.fx。

2、單擊設置圖標，如下圖所示。

Figure 29: 設置圖標

系統彈出“Edit Connection Profiles”對話框。

3、在“Edit Connection Profiles”對話框中，單擊左下角的+。

4、設置“Profile Name”、“Broker Address”、"Broker Port"，單擊“User Credentials”，輸入“User Name”和“Password”，如下圖所示。

Figure 30: 新建Profile并配置參數

5、單擊右下角的“OK”。

6、“Edit Connection Profiles”對話框自動關閉，MQTT.fx主界面中已自動選擇了剛創建的Profile。

7、在MQTT.fx主界面中單擊“Connect”。最右側的黑色圓形變成綠色，說明已經成功連接到用戶私有的MQTT Broker。

#通過MQTT.fx客戶端訂閱節點數據

具體方法請參考通過MQTT.fx客戶端訂閱節點信息。

#通過MQTT.fx客戶端向節點發送數據

具體方法請參考通過MQTT.fx客戶端向節點發送數據。

前面章節介紹了通過MQTT如何訂閱節點的上行數據Uplink以及如何向節點下發數據Downlink，節點還有其他三種類型的數據，分別是Join、Ack和Status。其中Join是節點入網時的信息，Ack是向節點下發數據之后節點回復的確認信息，Status是節點的電池電量信息。

下面將分別介紹這五種數據的具體格式和含義。

#Uplink

{

  "applicationID": "1", // 節點所屬應用的id

  "applicationName": "test-app", // 節點所屬應用的名稱

  "devEUI": "3637343457387e11", // 節點的devEUI

  "deviceName": "dev-5205", // 節點名稱

  "timestamp": 1592730721, // 接收到節點數據的Unix時間戳 

  "fCnt": 6,

  "fPort": 2,

  "data": "AQIDBA==", // base64編碼后的數據，解碼之后就是節點實際上發的數據

  "data_encode": "base64", // 數據的編碼類型

  "adr": true, // 節點是否開啟了adr

  "rxInfo": [ // 所有接收到節點數據的網關信息

?    {

?      "gatewayID": "d896e0fff010611e", // 網關的gateway_id

?      "loRaSNR": 13.3, // 當前網關的信噪比

?      "rssi": -71, // 當前網關的RSSI

?      "location": { // 對應網關的經緯度以及海拔信息

?        "latitude": 0,

?        "longitude": 0,

?        "altitude": 0

?      }

?    }

  ],

  "txInfo": {

?    "frequency": 486300000, // 節點發送數據使用的的頻率

?    "dr": 2 // 節點當前的data rate

  }

}

#Downlink

{

  "devEUI":"3637343457387e11", // 節點的devEUI信息

  "confirmed": true, // This dl pkt need confirm or not.

  "fPort": 2, // The port will be used for sending this packet

  "data": "AgAAAA==" // 發送給節點的數據，經過base64編碼

}

#Join

{

  "applicationID": "1",

   "applicationName": "test-app",

  "deviceName": "dev-5205",

  "devEUI": "3637343457387e11",

  "devAddr": "02000001" // Join成功之后分配給節點的短地址

}

#Ack

只有服務器給節點下發了confirmed類型的數據后，節點才會回復Ack。

注意：節點不一定立即回復Ack，Ack可能會在節點下一次發送上行數據時攜帶。

{

  "applicationID": "1",

  "applicationName": "test-app",

  "deviceName": "dev-5205",

  "devEUI": "3637343457387e11",

  "acknowledged": true, 

  "fCnt": 7

}

#Device Status

{

  "applicationID": "1",

  "applicationName": "test-app",

  "deviceName": "dev-5205",

  "devEUI": "3637343457387e11",

  "battery": 254, // 電池剩于電量的分級。254表示電源滿電狀態，1表示電池電量即將耗盡。

  "margin": 8, // 是最近一次成功接收DevStatusReq命令的解調信噪比

  "externalPowerSource": false, // 是否使用了額外的電源

  "batteryLevelUnavailable": false, // 節點的電量級別是否有效

  "batteryLevel": 100 // batteryLevelUnavailabl為true的情況下，batteryLevel表示電量百分比

}

#程序示例

以下是使用python代碼調用MQTT訂閱節點的上行數據并將對應內容打印出來，每收到一條上行數據，程序會主動向節點發送一個下行數據，內容是“Hello rak”。使用代碼前請仔細閱讀代碼注釋。

以下源碼基于python3運行環境，在運行代碼前，需要使用命令pip3 install paho-mqtt安裝依賴庫。

#!/usr/bin/env python 



import json

import base64

import paho.mqtt.client as mqtt

from datetime import datetime

 

\# mqtt服務器IP

mqtt_ip = '111.230.247.253'

\# mqtt服務器端口

mqtt_port = 1883

\# mqtt用戶名

mqtt_username = 'rakwireless'

\# mqtt密碼

mqtt_password = 'rakwireless.com'

\# mqtt訂閱topic。該topic可以訂閱所有節點信息

mqtt_rx_topic = 'application/+/device/+/rx'

 

\# 將字符串轉換為16進制

def str_to_hex(s):

  return r"\x"+r'\x'.join([hex(ord(c)).replace('0x', '') for c in s])

 

\# 一旦訂閱到消息，回調此方法

def on_message(mqttc, obj, msg):

  on_print_rak_node_info(msg.payload)

 

\# 打印訂閱到的節點信息

def on_print_node_rx_info(json_rx):

  try:

?    devEUI     = json_rx['devEUI']

?    applicationID        = json_rx['applicationID']

?    applicationName  = json_rx['applicationName']

?    deviceName        = json_rx['deviceName']

?    timestamp      = json_rx['timestamp']

?    fCnt           = json_rx['fCnt']

?    fPort           = json_rx['fPort']

?    data       = json_rx['data']

?    data_hex       = str_to_hex(base64.b64decode(data).decode("utf-8"))

?    \# 將時間戳轉換為本地時間

?    str_local_time = datetime.fromtimestamp(timestamp)

 

?    print('---------------- devEUI:[%s] rxpk info -------------------' % devEUI)

?    print('+\t applicationName:\t%s' % applicationName)

?    print('+\t applicationID:\t\t%s' % applicationID)

?    print('+\t deviceName:\t\t%s' % deviceName)

?    print('+\t datetime:\t\t%s' % str_local_time)

?    print('+\t fCnt:\t\t\t%d' % fCnt)

?    print('+\t fPort:\t\t\t%d' % fPort)

?    print('+\t data:\t\t\t%s' % data)

?    print('+\t data_hex:\t\t%s' % data_hex)

?    print('----------------------------------------------------------')

 

 

  except Exception as e:

?    print(e)

  finally:

?    pass

 

\# 訂閱到節點的數據之后，向節點發送“Hello rak”字符串

def on_print_rak_node_info(payload):

  json_str = payload.decode()

  try:

?    json_rx = json.loads(json_str)

?    on_print_node_rx_info(json_rx)

 

?    dev_eui = json_rx['devEUI']

?    app_id = json_rx['applicationID']

 

?    \# 商業網關默認的tx topic

?    tx_topic = 'application/%s/device/%s/tx' % (app_id, dev_eui)

?    str_hello = "Hello Rak"

 

?    tx_msg = '{"confirmed":true,"fPort":10,"data":"%s" }' % str(base64.b64encode(str_hello.encode("utf-8")), "utf-8")

 

?    \# 發布消息

?    mqttc.publish(tx_topic, tx_msg, qos=0, retain=False)

?    print('Send \'Hello rak\' to node %s' % dev_eui)

 

  except Exception as e:

?    raise e

  finally:

?    pass

 

mqttc = mqtt.Client()

mqttc.on_message = on_message

 

\# 如果沒有用戶名和密碼，請注釋改行

mqttc.username_pw_set(mqtt_username, password=mqtt_password)

 

\# 連接mqtt broker，心跳時間為60s

mqttc.connect(mqtt_ip, mqtt_port, 60)

 

mqttc.subscribe(mqtt_rx_topic, 0)

 

mqttc.loop_forever()

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