ESP32+SX1262实现LoRaWAN Class-C通信

原创于 2025-11-17 13:37:22 发布 · 348 阅读

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#算法 #ESP32 #LoRa #LoRawan #Class-C #c语言

ESP32与SX1262 LoRaWAN Class-C协议解析

LoRaWAN Class-C设备始终保持接收窗口开放（除发送期间外），适用于需要低延迟下行通信的场景。ESP32通过SPI或UART与SX1262模块通信，需实现以下核心功能：

初始化硬件（SPI、引脚配置）
LoRaWAN协议栈（OTAA/ABP入网、上下行处理）
Class-C特有的持续监听逻辑
数据加解密（AES-128）

硬件初始化与SX1262驱动

SPI配置与SX1262初始化代码示例：

#include <SPI.h>
#include <RadioLib.h>

SX1262 radio = new Module(SS, DIO1, RST_LoRa, BUSY_LoRa);

void setup() {
  SPI.begin(SCK, MISO, MOSI, SS);
  
  int state = radio.begin(868.0, 125.0, 9, 7, 0x34, 20);
  if (state == ERR_NONE) {
    Serial.println("SX1262初始化成功");
  }
  radio.setDio2AsRfSwitch(true);
}

OTAA入网实现

Over-The-Air Activation流程实现：

uint8_t devEui[] = {0x00, 0x11, 0x22, 0x33, 0x44, 0x55, 0x66, 0x77};
uint8_t appEui[] = {0x00, 0x11, 0x22, 0x33, 0x44, 0x55, 0x66, 0x77};
uint8_t appKey[] = {0x00, 0x11, 0x22, 0x33, 0x44, 0x55, 0x66, 0x77, 0x88, 0x99, 0xAA, 0xBB, 0xCC, 0xDD, 0xEE, 0xFF};

void joinOTAA() {
  LoRaWANNode node(&radio);
  node.beginOTAA(devEui, appEui, appKey);
  
  if (node.join()) {
    Serial.println("OTAA入网成功");
  } else {
    Serial.println("入网失败");
  }
}

Class-C持续接收实现

Class-C模式需在发送后立即重新开启接收：

void enableClassC() {
  radio.startReceive();
  radio.setRxTimeout(0); // 禁用接收超时
}

void sendDataClassC(uint8_t* data, size_t len) {
  radio.transmit(data, len);
  enableClassC(); // 发送后立即恢复监听
}

下行数据处理

处理服务器下发的消息：

void checkDownlink() {
  size_t len = radio.getPacketLength();
  if (len > 0) {
    uint8_t* data = new uint8_t[len];
    radio.readData(data, len);
    
    if (data[0] == 0x60) { // 确认是下行帧
      processDownlink(data, len);
    }
    delete[] data;
  }
}

AES-128加解密实现

使用mbedTLS库实现LoRaWAN加密：

#include <mbedtls/aes.h>

void encryptPayload(uint8_t* payload, size_t len, uint8_t* key, uint8_t* devAddr, uint32_t fCnt) {
  mbedtls_aes_context aes;
  mbedtls_aes_init(&aes);
  mbedtls_aes_setkey_enc(&aes, key, 128);
  
  uint8_t aBlock[16] = {0};
  aBlock[0] = 0x01;
  memcpy(aBlock + 1, devAddr, 4);
  memcpy(aBlock + 5, &fCnt, 4);
  
  uint8_t sBlock[16];
  mbedtls_aes_crypt_ecb(&aes, MBEDTLS_AES_ENCRYPT, aBlock, sBlock);
  
  for (size_t i = 0; i < len; i++) {
    payload[i] ^= sBlock[i % 16];
  }
  
  mbedtls_aes_free(&aes);
}

完整工作流程示例

整合各功能的典型工作流程：

void loop() {
  static uint32_t lastSend = 0;
  if (millis() - lastSend > 30000) { // 每30秒发送一次
    uint8_t data[] = {0x48, 0x65, 0x6C, 0x6C, 0x6F}; // "Hello"
    sendDataClassC(data, sizeof(data));
    lastSend = millis();
  }
  
  checkDownlink(); // 持续检查下行消息
  delay(10);
}

关键参数配置

常见LoRaWAN参数设置：

void configureLoRaWAN() {
  radio.setFrequency(868.0);
  radio.setBandwidth(125.0);
  radio.setSpreadingFactor(7);
  radio.setCodingRate(5);
  radio.setSyncWord(0x34);
  radio.setPreambleLength(8);
  radio.setOutputPower(14);
}

注意事项

调试时建议先使用Class-A模式验证基础通信
EUI和KEY需与网络服务器配置匹配
注意区域频率规范（EU868/US915等）
Class-C设备功耗较高，需优化电源管理

以上代码需配合具体的LoRaWAN库（如RadioLib或Semtech官方驱动）使用，实际实现可能需根据具体硬件平台调整SPI引脚和射频参数配置。

Class-C通信函数及协议实现

以下是一个基于Class-C通信协议的详细实现，包括主要通信函数和协议处理逻辑。假设使用LoRaWAN作为通信协议示例。

初始化函数

初始化LoRaWAN模块并配置Class-C模式：

void initLoRaWANClassC() {
    // 初始化硬件接口
    LoRaWAN.begin(Serial1);
    
    // 设置设备EUI、应用EUI和密钥
    LoRaWAN.setDevEui("00:11:22:33:44:55:66:77");
    LoRaWAN.setAppEui("00:11:22:33:44:55:66:88");
    LoRaWAN.setAppKey("00:11:22:33:44:55:66:99:AA:BB:CC:DD:EE:FF:00:11");
    
    // 启用Class-C模式
    LoRaWAN.setClass("C");
    
    // 启动连接
    LoRaWAN.join();
}

下行消息接收函数

处理从网关接收的下行消息：

void handleDownlink() {
    if (LoRaWAN.downlinkAvailable()) {
        uint8_t buffer[256];
        int size = LoRaWAN.readDownlink(buffer, sizeof(buffer));
        
        // 解析接收到的数据
        if (size > 0) {
            processDownlinkMessage(buffer, size);
        }
    }
}

上行消息发送函数

发送数据到网关：

bool sendUplink(const uint8_t* data, size_t len, uint8_t port) {
    // 确认网络连接状态
    if (!LoRaWAN.isConnected()) {
        return false;
    }
    
    // 发送数据
    return LoRaWAN.send(data, len, port);
}

协议处理函数

处理接收到的协议消息：

void processDownlinkMessage(const uint8_t* data, size_t len) {
    // 解析消息类型
    uint8_t messageType = data[0];
    
    switch (messageType) {
        case CONFIRMED_DOWNLINK:
            handleConfirmedDownlink(data, len);
            break;
        case UNCONFIRMED_DOWNLINK:
            handleUnconfirmedDownlink(data, len);
            break;
        case MAC_COMMAND:
            handleMACCommand(data, len);
            break;
        default:
            // 未知消息类型处理
            break;
    }
}

MAC命令处理

处理MAC层命令：

void handleMACCommand(const uint8_t* data, size_t len) {
    uint8_t commandID = data[1];
    
    switch (commandID) {
        case LINK_CHECK_REQ:
            sendLinkCheckAns();
            break;
        case DEVICE_TIME_REQ:
            sendDeviceTimeAns();
            break;
        // 其他MAC命令处理
    }
}

定时接收窗口管理

管理Class-C的持续接收窗口：

void manageReceiveWindows() {
    // Class-C设备始终保持接收窗口开放
    LoRaWAN.setRxWindowParams(0, 0); // 禁用Class-A窗口
    
    // 配置Class-C接收参数
    LoRaWAN.setRx2Params(869.525, DR_SF12);
}

确认消息处理

处理需要确认的消息：

void handleConfirmedDownlink(const uint8_t* data, size_t len) {
    // 处理消息内容
    processMessagePayload(data + 1, len - 1);
    
    // 发送确认
    uint8_t ack[1] = {ACK_BIT};
    sendUplink(ack, sizeof(ack), CONTROL_PORT);
}

协议帧格式示例

上行消息帧结构

| MHDR (1) | DevAddr (4) | FCtrl (1) | FCnt (2) | FPort (1) | FRMPayload (N) | MIC (4) |

下行消息帧结构

| MHDR (1) | DevAddr (4) | FCtrl (1) | FCnt (2) | FPort (1) | FRMPayload (N) | MIC (4) |

完整协议处理流程

初始化阶段：

initLoRaWANClassC();

主循环处理：

while (true) {
    handleDownlink();
    manageReceiveWindows();
    
    // 其他应用逻辑
    delay(100);
}

数据发送示例：

uint8_t sensorData[] = {0x01, 0x02, 0x03};
sendUplink(sensorData, sizeof(sensorData), DATA_PORT);

注意事项

实际实现中需要根据具体硬件和LoRaWAN协议栈调整API调用
Class-C设备需要持续监听下行消息，功耗高于Class-A
协议帧格式需遵循LoRaWAN规范，包括正确的MIC计算
MAC命令处理应符合区域参数规范
生产环境需要添加错误处理和重试机制