一種低功耗物聯網協定——ChirpLAN介紹

1 ChirpLAN 協定介紹¶

ChirpLAN是磐啟微近期開發的一個應用于工業物聯網的組網協定，該協定與LoraWAN有點類似，詳細協定介紹如下。

2 ChirpLAN 是什麼¶

ChirpLAN目前是一種基于ChirpIoT™通訊技術，采用按需可靠的資料收發機制，适用于遠距離低功耗的小型區域網路（LAN）的網絡通信協定。 ChirpLAN即ChirpIoT和LAN的縮寫，也代表了它的特性。

主要特點：

1. 開源：協定遵循Apache 2.0協定，協定代碼和規範都完全公開，可以商用
2. 輕量級：code<15KB，SRAM<4KB
3. 組網靈活：支援組網，也支援點對點
4. 多種功耗配置：對于功耗和實時性要求不同的場景都有支援
5. 可靠性強：協定簡單，可靠，擴充性強
6. 完全自主開發：有獨立的知識産權
7. 安全：協定支援加解密功能
8. 易部署：可以靈活的移植适配到不用的平台，MCU，以及和雲服務端對接

3 ChirpLAN網絡拓撲結構¶

目前ChirpLAN主要支援兩種類型的組網，一種是網絡模式，另一種是直連模式，網絡模式本版本主要支援星形網絡，網絡拓撲圖見下圖，ChirpLAN網絡中有2中角色：終端和網關，和雲端伺服器通信部分由具體的應用業務實作，不屬于本協定部分的涵蓋範圍。

網絡模式的拓撲結構圖¶

直連模式，此模式又分為兩種情況，一種是一對一模式通信，另一種是一對多通信的模式，兩種模式拓撲圖見下圖：

P2P直連模式拓撲結構圖¶

P2P 一對都多模式拓撲結構圖¶

4 ChirpLAN 協定架構¶

ChirpLAN協定應用的網絡架構見下圖，從底層到上層分别是實體層，鍊路層，網絡層和應用層。其中本協定隻對鍊路層和網絡層做了規範。說明如下：

實體層：是基于磐啟微的ChirpIOT通信技術的射頻晶片。

鍊路層：負責實作收發邏輯，提供重傳、碰撞檢測，入網等功能。鍊路層為上層網絡層提供接口，使用這些接口，網絡層可以完成對射頻的相關操作，而不用關注這些操作是如何實作的。

網絡層：負責網絡協定的控制，資料封包和解包，網絡位址解析，各種模式管理等工作。

應用層：主要是一些具體的業務邏輯，如MCU外設，AT指令控制等。

ChirpLAN協定應用網絡架構圖¶

4.1 鍊路層介紹¶

鍊路層負責實作收發邏輯，提供重傳、碰撞檢測，入網等功能。鍊路層為上層網絡層提供接口，使用這些接口，網絡層可以完成對射頻的相關操作，而不用關注這些操作是如何實作的。

• 收發邏輯：射頻的相關參數配置，收發資料的控制
• 重傳控制：根據配置參數，來控制射頻發射的重傳控制
• 碰撞檢測：多個節點同時發送會有沖突，需要做沖突檢測和退避處理
• 入網功能：加入網絡的機制，可以從網關端擷取配置設定的信道和相關模式以及參數等資訊
• 安全機制：支援資料的加解密AES128，key:128 bit

4.1.1 碰撞檢測¶

碰撞檢測機制¶

參考上圖，下面說明碰撞檢測機制：

1. EP每次TX完會設定一個沖突視窗，這個窗内目前EP不允許發送資料
2. EP每次發資料前都會檢測目前信道是否有資料，如果有資料，會推遲到沖突視窗内的一個時間（要保證在沖突視窗内的一個随機值），隻有在空閑模式才可以發送資料
3. 在沖突視窗内， EP-B首先檢測到信道空閑，獲得了資料包的發送機會，EP-A和EP-C繼續退避
4. EP-C在第一次退避後，在第二個沖突視窗内，首先檢測到信道空閑，發送目前的資料，EP-A繼續退避
5. EP-A檢測到信道空閑，發送目前資料包
6. 退避失敗的次數越多，後續會在沖突視窗獲得更靠前的權重

4.1.2 入網功能¶

入網是節點加入網絡的第一個步驟，在網絡模式中，隻有終端節點通過網關的網絡授權後，加入到網關對應的網絡，才能進一步進行資料的互動。具體的通信的流程如下：

正常入網流程¶

正常入網說明：

• 首先終端在入網信道，向網關發一個入網請求包（包括自己的一些必要資訊，參考後面的入網請求幀）
• 網關收到入網包，如果校驗通過，會發送入網确認包，同時會給終端配置設定相關的RF參數，包括通信信道
• 終端在資料信道發送資料給網關
• 如果需要回複确認包，網關收到資料包後，回複相應的确認包

說明，目前入網中采用的是AES128加密機制，128 bit密鑰

異常入網流程¶

異常入網流程說明：

1. 終端發送的入網包，網關沒有收到
2. 終端繼續發送一個入網包，但是入網包是一個非法的，此時網關可以收到，但不回複确認包
3. 終端發送一個合封的入網包，網關也收到了此入網包
4. 網關回複的确認包，終端沒有收到
5. 終端會繼續重新發送入網包，直到收到網關的資料确認包為止

4.2 網絡層介紹¶

負責網絡協定的控制，資料封包和解包，網絡位址解析，各種模式管理等工作。下面先介紹下網絡層支援的幾種模式。

網絡模式介紹¶

ChirpLAN主要分為2個大的模式，網絡模式（network mode）和直連模式（direct mode），Network Mode包括如下幾種子模式：

1. Mode A：主動上報模式
2. 特點：
3. 使用者按需來發送資料，比如AT指令或者定時發送資料，不發送資料時RF處于休眠狀态
4. Mode B：空中喚醒模式
5. 特點：
6. 支援Mode A的全部功能
7. 終端周期打開RX，網關會通過長前導碼可以喚醒，進行相應的通訊
8. Mode C：全速運作模式
9. 特點：
10. 支援主動上報的功能
11. 半雙工模式，終端在非TX的模式時，RF處于RX的模式，用來快速響應網關的資料

直連模式（Direct Mode），主要分為點對點直連模式和一對多通信模式，特點如下：

• 支援終端之間的點對點通訊
• 支援一對一和一對多
• 位址參數可以配置

4.2.1 網絡模式–Mode A¶

Mode A：主動上報模式，支援雙向通信，終端具有較低的功耗，但是雙向通信必須由終端發起，終端發送消息後，會打開一個短暫的接收視窗，網關需要在這個接收視窗内回複消息或者下發指令，通信時序見下圖：

Mode A模式通信時序¶

Mode A模式單節點通信流程見下圖：

Mode A模式單節點通信流程¶

通信流程說明如下：

1. 終端發送資料包D1給網關（需要回複）
2. 網關回複确認包給終端
3. 終端發送資料包D2給網關（需要回複）
4. 網關回複确認包，但終端沒有收到
5. 終端會重傳資料包D2給到網關（此時網關不需要将該資料包上報給應用層）
6. 網關收到後會繼續回複确認包

Mode A模式多節點通信流程見下圖：

Mode A模式多節點通信流程¶

通信流程說明如下：

1. 兩個終端節點EP1和EP2在不同的上行信道，網關支援多個上行信道接收，綠色柱代表終端RX打開的狀态
2. EP1和EP2分别同時發送資料包D1和P1給網關
3. 網關下行隻有一個信道，是以需要串行回複确認包，此時兩個終端的RX開窗時間都滿足，是以ack都可以正常接收到
4. EP1和EP2分别同時發送資料包D2和P2給網關
5. 網關先回複ACK給EP1，EP1正常收到，然後回複EP2時，由于EP2的RX的視窗提前關閉，導緻ACK丢失，觸發EP2的重發機制

說明：為了降低上述5中的情況，最終協定實作時可以考慮在RX開窗的基本時間上，加一個随機的擴窗時間（跟進應用場景自行配置），會提高并發通信收ack的機率

4.2.2 網絡模式–Mode B¶

Mode B：空中喚醒模式，支援的功能說明如下：

1、支援單向通信，終端具有極低的功耗，網關在終端入網時規定終端的休眠周期，終端會定期自喚醒和接收，如果未發現Chirp信号，則會繼續休眠；如果發現Chirp信号，則會接收一包完整的資料，通信時序見下圖：

2、支援主動發包機制，與Mode A一緻

3、支援時間幀同步（終端在收到網關的payload時刻同步目前的周期起始點）

Mode B模式通信時序¶

Mode B模式的通信流程見下圖：

Mode B模式通信流程¶

Mode B模式通信流程說明如下：

1. T1：EP1被喚醒，但ID不比對，後繼續休眠
2. T3：同周期内EP2也被喚醒，EP2的ID比對ok，繼續接收資料
3. T2：EP1被喚醒，同時ID比對正确，繼續接收資料
4. T4：EP2在較晚的時刻被喚醒，ID未被正确比對到，繼續休眠

特性說明：

• 同樣是喚醒ID不比對，由于喚醒的時刻不一樣，會導緻RX開的視窗大小不一樣，對比T1和T4：T1>T4，是以功耗消耗也不一樣
• 同樣是ID比對正确，也會有T2和T3有差異的情況

4.2.3 網絡模式–Mode C¶

Mode C：全速運作模式，支援雙向通信，且終端和網關可以随時互相通信，該模式的資料實時性好，但是終端需要消耗更多的電量。通信時序見下圖：

Mode C模式通信時序¶

Mode C模式通信流程見下圖：

Mode C模式通信時序¶

Mode C模式通信流程說明如下：

1. EP1和EP2工作在相同的信道
2. EP1發送資料D1給網關，該資料包需要回複
3. 網關由于應用層先前觸發發送一個資料G1的需求，是以優先發送G1給EP2
4. 網關發送ack給EP1
5. 網關需要同時給兩個終端EP1和EP2發送一個不需要回複的資料包G2
6. 終端發送一個需要回複的資料包給P1
7. 網關收到P1後回複确認包給EP2

上述流程都可以實時的相應各種通信。

4.2.4 直連模式（透明傳輸和定點傳輸）¶

Mode P2P：點對點模式，該模式支援定點模式通信（2個終端節點互相通信），也支援廣播通信（一對多的通信）。該功能分為透明和定點傳輸模式：

透明傳輸模式：該模式支援2種子模式

• Normal Mode ：支援全速運作模式，子產品處于active狀态，此狀态下，将應用層的資料直接通過RF發送出去，接收到資料也完全傳回給應用層，RF處于非TX模式即為RX模式
• LP Mode：支援空中喚醒，定期喚醒檢測空中RF喚醒前導碼，然後會和發射端做資料同步，此模式接收端功耗會比較低，發射端也不需要特别長的前導碼

定點傳輸模式：與點對點子模式類似，也分Normal mode和LP Mode，差別是網絡層要做位址解析處理。網絡位址支援兩種：唯一位址群組播位址。

• Normal Mode ：支援全速運作模式，子產品處于active狀态，此狀态下，将應用層的資料直接通過RF發送出去，接收到資料也完全傳回給應用層，RF處于非TX模式即為RX模式
• LP Mode：支援空中喚醒，定期喚醒檢測空中RF喚醒前導碼，然後會和發射端做資料同步，此模式接收端功耗會比較低，發射端也不需要特别長的前導碼

通信流程見下圖：

直連模式通信流程¶

直連是通信流程說明如下(包含兩種模式的通信流程）：

1. EP1，EP2,和EP3處于同一個信道
2. EP1發一個透明傳輸的包到EP2，EP2收到後回複一個ack
3. EP2發送一個P1的包（不需要ack），EP1和EP3都可以收到
4. EP2發送一個P2的定點的資料包（給EP1），EP1收到包後回複一個ack，EP3收到後，發現位址不一緻，則不回複ack

5 空中包結構¶

所有的幀結構遵循：位元組序：MSB，比特序：MSB

5.1 入網請求幀¶

入網請求幀格式¶

幀格式說明如下：

幀類型（其它幀格式定義都相同，不在贅述）：

Bit7：加密辨別，1為加密，0為不加密

Bit6-Bit0：

• 入網請求：0x01
• 入網回複：0x02
• 不需要确認上行資料包Unconfirmed Uplink Data：0x03
• 需要确認上行資料包Confirmed Uplink Data：0x04
• 不需要确認下行資料包Unconfirmed Downlink Data：0x05
• 需要确認下行資料包Confirmed Downlink Data：0x06
• 需要确認下行配置Confirmed Downlink Config：0x07
• 同步請求資料包：0x08
• 同步資料包：0x09
• 點對點定點模式資料包：0x10
• 點對點透傳模式資料包：0x11

幀序号：幀的編号，每一幀都單獨遞增，重複包ID相同，Ack 包的序号和請求包對應

節點ID：節點的編号，由應用來配置設定，一個網絡裡應該唯一

應用ID：網絡号，用于區分不同的子網絡，網關隻接受與自己應用ID相同的節點的入網請求

通信模式：取值範圍：1~3

• 1：主動上報模式，
• 2：空中喚醒模式，
• 3：全速運作模式，

校驗：資料校驗和

5.2 入網回複幀¶

入網回複幀格式¶

幀格式說明：

幀類型：參見入網包幀類型定義

幀序号：幀的編号

應用ID：網絡号，用于區分不同的子網絡，網關隻接受與自己應用ID相同的節點的入網請求

目标節點ID：目标節點的編号ID

網絡ID：節點入網後，由網關或伺服器配置設定的網絡位址ID，組網後的通信位址均使用網絡ID

上行參數：9位元組（依次為3個上行信道，3個下行信道，BW，SF，CR），預設值用0代替，0表示不使用此信道或不修改此參數。BW取值6-9，SF取值7-12，CR取值1-4

喚醒間隔：空中喚醒模式下，節點的周期性上報時間間隔，機關：秒

通信模式：（主機有權限修改模式）

• 1：主動上報模式
• 2：空中喚醒模式
• 3：全速運作模式

5.3 資料幀¶

資料幀格式¶

幀格式說明：

幀類型：參見入網包幀類型定義

幀序号：幀的編号

應用ID：網絡号，用于區分不同的子網絡，網關隻接受與自己應用ID相同的節點的入網請求

資料内容：當本幀為資料幀時，本字段為資料内容。當本幀為ACK應答幀時，本字段為空。

網絡ID：解析說明：與IP位址解析類似

• 唯一位址：低bit開始不能連續為1，如0x11223344
• 多點傳播位址：低bit 連續的1為多點傳播位址，不能設定為具體的網絡位址，如0x1122334F，多點傳播位址的範圍包括位址為0x11223340-0x1122334E

資料内容長度：payload的資料包長度，不包括校驗位

5.4 配置幀¶

配置幀格式¶

說明：配置幀目前保留，後續版本會使用。

5.5 定點通信資料幀¶

配置幀格式¶

幀格式說明：

幀類型：參見入網包幀類型定義

目标位址：解析說明，與IP位址解析類似

• 唯一位址：低bit開始不能連續為1，如0x1122
• 多點傳播位址：低bit 連續的1為多點傳播位址，不能設定為具體的網絡位址，如0x112F，多點傳播位址的範圍包括位址為0x1120-0x112E

資料内容長度：payload的資料包長度

資料内容：當本幀為資料幀時，本字段為資料内容。當本幀為ACK應答幀時，本字段為空。

5.6 透明傳輸幀資料幀¶

透明傳輸幀資料幀格式¶

幀格式說明：

幀類型：參見入網包幀類型定義

資料内容長度：payload的資料包長度

資料内容：當本幀為資料幀時，本字段為資料内容。當本幀為ACK應答幀時，本字段為空

5.7 同步幀¶

同步幀分為請求同步幀和時間同步幀，見下圖：

請求同步幀格式¶

時間同步幀格式¶

幀格式說明如下（僅說明如下2個字段，其它字段都類似）：

• 工作周期：網關或者對端發射的周期，機關1ms
• 剩餘時間：目前同步幀距離下次發射的剩餘時間，機關1ms