（2）LoraWAN：Lora LMIC library 编程模型及API

时间 2019-11-19

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2、LMIC library 编程模型及API

LMiC库能够经过一组API函数（API functions），运行时函数（run-time functions），回调函数（callback functions），和全局LMIC数据结构（global LMIC data structure）四种方式来实现访问。
LMiC库提供了一个简单的基于事件的编程模型，其中全部协议事件都是调度到应用程序的onEvent（）回调函数；为了释放应用程序诸如定时或中断等细节，该库具备内置的运行时环境来处理定时器排队和Job管理。全部协议事件都是经过回调onEvent()函数来实现的。
LMiC库由两个宏来定义编程

#define LMIC_VERSION_MAJOR 1
#define LMIC_VERSION_MINOR 5

LMIC库外部协议接口定义都包含在lmic.h中，以供外部使用。api

#include “lmic.h”

数据结构struct lmic_t

struct lmic_t {
    // Radio settings TX/RX (also accessed by HAL)
    ostime_t    txend;
    ostime_t    rxtime;
    u4_t        freq;
    s1_t        rssi;
    s1_t        snr;
    rps_t       rps;
    u1_t        rxsyms;
    u1_t        dndr;
    s1_t        txpow;     // dBm

    osjob_t     osjob;

    // Channel scheduling
#if defined(CFG_eu868)
    band_t      bands[MAX_BANDS];
    u4_t        channelFreq[MAX_CHANNELS];
    u2_t        channelDrMap[MAX_CHANNELS];
    u2_t        channelMap;
#elif defined(CFG_us915)
    u4_t        xchFreq[MAX_XCHANNELS];    // extra channel frequencies (if device is behind a repeater)
    u2_t        xchDrMap[MAX_XCHANNELS];   // extra channel datarate ranges  ---XXX: ditto
    u2_t        channelMap[(72+MAX_XCHANNELS+15)/16];  // enabled bits
    u2_t        chRnd;        // channel randomizer
#endif
    u1_t        txChnl;          // channel for next TX
    u1_t        globalDutyRate;  // max rate: 1/2^k
    ostime_t    globalDutyAvail; // time device can send again
    
    u4_t        netid;        // current network id (~0 - none)
    u2_t        opmode;
    u1_t        upRepeat;     // configured up repeat
    s1_t        adrTxPow;     // ADR adjusted TX power
    u1_t        datarate;     // current data rate
    u1_t        errcr;        // error coding rate (used for TX only)
    u1_t        rejoinCnt;    // adjustment for rejoin datarate
    s2_t        drift;        // last measured drift
    s2_t        lastDriftDiff;
    s2_t        maxDriftDiff;

    u1_t        pendTxPort;
    u1_t        pendTxConf;   // confirmed data
    u1_t        pendTxLen;    // +0x80 = confirmed
    u1_t        pendTxData[MAX_LEN_PAYLOAD];

    u2_t        devNonce;     // last generated nonce
    u1_t        nwkKey[16];   // network session key
    u1_t        artKey[16];   // application router session key
    devaddr_t   devaddr;
    u4_t        seqnoDn;      // device level down stream seqno
    u4_t        seqnoUp;

    u1_t        dnConf;       // dn frame confirm pending: LORA::FCT_ACK or 0
    s1_t        adrAckReq;    // counter until we reset data rate (0=off)
    u1_t        adrChanged;

    u1_t        margin;
    bit_t       ladrAns;      // link adr adapt answer pending
    bit_t       devsAns;      // device status answer pending
    u1_t        adrEnabled;
    u1_t        moreData;     // NWK has more data pending
    bit_t       dutyCapAns;   // have to ACK duty cycle settings
    u1_t        snchAns;      // answer set new channel
    // 2nd RX window (after up stream)
    u1_t        dn2Dr;
    u4_t        dn2Freq;
    u1_t        dn2Ans;       // 0=no answer pend, 0x80+ACKs

    // Class B state
    u1_t        missedBcns;   // unable to track last N beacons
    u1_t        bcninfoTries; // how often to try (scan mode only)
    u1_t        pingSetAns;   // answer set cmd and ACK bits
    rxsched_t   ping;         // pingable setup

    // Public part of MAC state
    u1_t        txCnt;
    u1_t        txrxFlags;  // transaction flags (TX-RX combo)
    u1_t        dataBeg;    // 0 or start of data (dataBeg-1 is port)
    u1_t        dataLen;    // 0 no data or zero length data, >0 byte count of data
    u1_t        frame[MAX_LEN_FRAME];

    u1_t        bcnChnl;
    u1_t        bcnRxsyms;    // 
    ostime_t    bcnRxtime;
    bcninfo_t   bcninfo;      // Last received beacon info
};
//! \var struct lmic_t LMIC
//! The state of LMIC MAC layer is encapsulated in this variable.
DECLARE_LMIC; //!< \internal

1.1 lmic_t.rxState

// purpose of receive window - lmic_t.rxState
enum { RADIO_RST=0, RADIO_TX=1, RADIO_RX=2, RADIO_RXON=3 };

void os_radio (u1_t mode) {
    hal_disableIRQs();
    switch (mode) {
      case RADIO_RST:
        opmode(OPMODE_SLEEP); // put radio to sleep
        break;
      case RADIO_TX: // transmit frame now
        starttx(); // buf=LMIC.frame, len=LMIC.dataLen
        break;
      case RADIO_RX:  // receive frame now (exactly at rxtime)
        startrx(RXMODE_SINGLE); // buf=LMIC.frame, time=LMIC.rxtime, timeout=LMIC.rxsyms
        break;
      case RADIO_RXON:// start scanning for beacon now
        startrx(RXMODE_SCAN); // buf=LMIC.frame
        break;
    }
    hal_enableIRQs();
}

1.2 lmic_t.netid

// Netid values /  lmic_t.netid
enum { NETID_NONE=(int)~0U, NETID_MASK=(int)0xFFFFFF };

1.3 LMIC.txrxFlags字段定义

// TX-RX transaction flags - report back to user
enum { TXRX_ACK    = 0x80,   // confirmed UP frame was acked
       TXRX_NACK   = 0x40,   // confirmed UP frame was not acked
       TXRX_NOPORT = 0x20,   // set if a frame with a port was RXed, clr if no frame/no port
       TXRX_PORT   = 0x10,   // set if a frame with a port was RXed, LMIC.frame[LMIC.dataBeg-1] => port
       TXRX_DNW1   = 0x01,   // received in 1st DN slot
       TXRX_DNW2   = 0x02,   // received in 2dn DN slot
       TXRX_PING   = 0x04 }; // received in a scheduled RX slot

对于EV_RXCOMPLETE和EV_TXCOMPLETE事件，txrxFlags字段定义了如下标志：
TXRX_ACK ：上行确认帧被确认（与TXRX_NACK互斥）
TXRX_NACK：上行确认帧未被确认（与TXRX_ACK互斥）
TXRX_PORT：端口字段包含在接收帧中
TXRX_DNW1：在第一个下行接收窗口中接收（与TXRX_DNW2互斥）
TXRX_DNW2：在第二个下行接收窗口中接收（与TXRX_DNW1互斥）
TXRX_PING：在预约的RX Slot中接收（Beacon帧）数组

1.4 LMIC.txrxFlags LMIC.dataBeg LMIC.dataLen字段值

对于EV_TXCOMPLETE事件，这些字段具备如下值：

对于EV_RXCOMPLETE事件，这些字段具备如下值：
服务器

1.5 lmic_t.opmode

// MAC operation modes (lmic_t.opmode).网络

enum { OP_NONE     = 0x0000,
       OP_SCAN     = 0x0001, // radio scan to find a beacon
       OP_TRACK    = 0x0002, // track my networks beacon (netid)
       OP_JOINING  = 0x0004, // device joining in progress (blocks other activities)
       OP_TXDATA   = 0x0008, // TX user data (buffered in pendTxData)
       OP_POLL     = 0x0010, // send empty UP frame to ACK confirmed DN/fetch more DN data
       OP_REJOIN   = 0x0020, // occasionally send JOIN REQUEST
       OP_SHUTDOWN = 0x0040, // prevent MAC from doing anything
       OP_TXRXPEND = 0x0080, // TX/RX transaction pending
       OP_RNDTX    = 0x0100, // prevent TX lining up after a beacon
       OP_PINGINI  = 0x0200, // pingable is initialized and scheduling active
       OP_PINGABLE = 0x0400, // we're pingable
       OP_NEXTCHNL = 0x0800, // find a new channel
       OP_LINKDEAD = 0x1000, // link was reported as dead
       OP_TESTMODE = 0x2000, // developer test mode
};

1.6 LMIC.rps的值：包括SF、BW、CR、IH、NOCRC值

// Radio parameter set (encodes SF/BW/CR/IH/NOCRC)  
typedef u2_t rps_t;
inline rps_t makeRps (sf_t sf, bw_t bw, cr_t cr, int ih, int nocrc) {
    return sf | (bw<<3) | (cr<<5) | (nocrc?(1<<7):0) | ((ih&0xFF)<<8);
}

2.API functions

LMiC库提供一组API函数来控制MAC状态并触发协议动做。
事件回调函数的事件类型由enum定义session

// Event types for event callback
enum _ev_t { EV_SCAN_TIMEOUT=1, EV_BEACON_FOUND,
             EV_BEACON_MISSED, EV_BEACON_TRACKED, EV_JOINING,
             EV_JOINED, EV_RFU1, EV_JOIN_FAILED, EV_REJOIN_FAILED,
             EV_TXCOMPLETE, EV_LOST_TSYNC, EV_RESET,
             EV_RXCOMPLETE, EV_LINK_DEAD, EV_LINK_ALIVE };

2.1 void LMIC_reset（）

重置MAC状态。会话和挂起的数据传输将被丢弃。数据结构

2.2 bit_t LMIC_startJoining（）

当即开始加入网络。若是没有会话，将被其余API函数隐含地调用已经创建了将生成事件EV_JOINING和EV_JOINED或EV_JOIN_FAILED。app

2.3 void LMIC_tryRejoin（）

检查是否能够链接其余网络。假如没有找到新的网络当前网络的会话将保留。将生成EV_JOINED或EV_REJOIN_FAILED事件。dom

2.4 void LMIC_setSession（u4_t netid，devaddr_t devaddr，u1_t * nwkKey，u1_t * artKey）

设置静态会话参数。替代经过加入网络动态创建会话，能够提供预计算的会话参数。恢复预先计算的会话参数，帧序列计数器（LMIC.seqnoUp和LMIC.seqnoDn）必须恢复为他们的最新值。函数

2.5 bit_t LMIC_setupBand（u1_t bandidx，s1_t txpow，u2_t txcap）

建立具备指定发射功率和占空比（1 / txcap）属性的新频段。

2.6 bit_t LMIC_setupChannel（u1_t channel，u4_t freq，u2_t drmap，s1_t band）

使用指定的频率建立给定频段的新信道，并容许数据速率在数据速率位掩码（1 << DRx）中定义。

2.7 void LMIC_disableChannel（u1_t channel）

禁用指定的信道。

2.8 void LMIC_setAdrMode（bit_t enabled）

启用/禁用数据速率适配。若是是移动设备应该关闭。

2.9 void LMIC_setLinkCheckMode（bit_tenabled）

启用/禁用连接检查验证。默认状况下启用链路检查模式，并按期使用验证网络链接。仅当会话创建时才必须调用。

2.10 void LMIC_setDrTxpow（dr_t dr，s1_t txpow）

设置数据速率和传输功率。只有在禁用数据速率调整时才应使用。

2.11 void LMIC_setTxData（）

在下一个可能的时间准备上行数据传输。假设pendTxData，pendTxLen，pendTxPort和pendTxConf已经设置好了。数据长度为LMIC.pendTxLen，数组LMIC.pendTxData[]中的数据将被发送到LMIC.pendTxPort端口。若是LMIC.pendTxConf使能，服务器将回复确认帧。当通讯完成后将生成EV_TXCOMPLETE事件，即数据发送完成而且收到最终下行数据或已收到确认帧。

2.12 int LMIC_setTxData2(u1_t port, xref2u1_t data, u1_t dlen, u1_t confirmed)

在下一个可能的时间准备上行数据传输，方便功能LMIC_setTxData（）。若是数据为NULL，则将使用LMIC.pendTxData []中的数据。

2.13 void LMIC_clrTxData（）

删除以前为上行传输准备的数据。

2.14 bit_t LMIC_enableTracking（u1_t tryBcnInfo）

启用信标(beacon帧)跟踪。对于LMIC.bcninfoTries=tryBcnInfo的值为0表示开始当即扫描beacon帧；非零值指定试图查询服务器准确beacon帧到达时间的次数。查询请求将在下一个上行帧内发送（不会另外生成帧）。若是没有应答接收扫描将开始。第一个beacon帧将生成EV_BEACON_FOUND或EV_SCAN_TIMEOUT事件，随后的beacon帧将生成EV_BEACON_TRACKED，EV_BEACON_MISSED或EV_LOST_TSYNC事件。

2.15 void LMIC_disableTracking（）

禁用beacon帧跟踪。beacon帧将再也不被跟踪，所以也将禁用ping

2.16 void LMIC_setPingable（u1_t intvExp）

启用ping和设置下行监听间隔。 Ping将在下一个上行帧启用（不会生成新帧）。监听间隔为2 ^ intvExp秒，intvExp（LMIC.ping.intvExp）的有效值是0-7。此API函数须要经过网络服务器创建的有效会话LMIC_startJoining（）或LMIC_setSession（）函数（见2.2和2.4节）。若是beacon帧跟踪还没有启用，扫描将当即开始。为了不扫描，经过使用前一次调用非零参数的LMIC_enableTracking（）能够更有效地定位beacon帧。除了LMIC_enableTracking（）提到的事件以外，每当在ping slot(ping时槽)中接收到下行数据时将生成EV_RXCOMPLETE事件。

2.17 void LMIC_stopPingable（）

中止监听下行数据。按期侦听被禁用，但beacon仍将被追踪。为了中止beacon跟踪，beacon须要调用LMIC_disableTracking（）。

2.18 void LMIC_sendAlive（）

尽快发送一个空的上行MAC帧。可能被用来表示信号活性或者要传输等待中的MAC选项，并打开接收窗口。

2.19 void LMIC_shutdown（）

中止全部MAC活动。随后，MAC须要经过调用LMIC_reset（）；若是有新的协议动做则须要从新发起。

2.20 void LMIC_init（）

void LMIC_init (void) {
    LMIC.opmode = OP_SHUTDOWN;
}