Lora mesh: Meshtastic – оперативно-тактический радиочат без сотовой связи и интернета. Часть 2. Радиомодемы фирменные / Хабр

Meshtastic – оперативно-тактический радиочат без сотовой связи и интернета. Часть 2. Радиомодемы фирменные / Хабр

ОГЛАВЛЕНИЕ:

Часть 1. Знакомство с темой.

>>> Часть 2. Радиомодемы фирменные.

Часть 3. Радиомодемы самодельные.

Часть 4. Сборка и прошивка радиомодема.

КОНСТРУКЦИЯ РАДИОМОДЕМА

Итак, вы заинтересовались темой построения собственной радиосети? Решили поискать единомышленников, а они, оказывается, есть… Но ещё не знаете где радиомодем взять или как его сделать самому. В этой части вы всё узнаете. Всё очень просто!

В начале пути освоения Meshtastic-проекта, автором был проведён схемотехнический анализ фирменных Meshtastic-модемов, благо, информация не секретная и все схемы лежат в открытом доступе. Выяснились интересные особенности – практически все схемы разных производителей типовые, плюс-минус разница в несущественных деталях или не сильно критичных узлах. Так появилась мысль о том, что можно собрать радиомодем самостоятельно. Но, обо всё по порядку…

Все Meshtastic-модемы состоят из следующих компонентов:

• LoRa-модуль. Представляет собой ВЧ (160/433МГц) или СВЧ (868/915МГц) приёмно-передающий цифровой одно чиповый радио трансивер, со схемой усиления и коммутации на единой независимой печатной плате. Гениальное, по мнению автора решение, избавляющее непрофессионалов в области радиосвязи от большого количества проблем, связанных с проектированием и изготовлением ВЧ трактов. Через эти модули осуществляется радиосвязь на физическом уровне посредствам радиоволн. Программным методом задаются частоты связи, вид модуляции, выходная мощность и другие характеристики радиосигнала.

• Процессорная схема. Собрана на основе современного микромощного, экономичного микроконтроллера ESP32, включающего возможность коммуникации с внешним миром по Wi-Fi и Bluetooth сетям. Через Bluetooth происходит коммуникация радиомодема с вашим смартфоном. Главная особенность процессорной схемы – гибкие настройки и очень малое энергопотребление.

• Схема контроля Li-Ion батареи. В простейшем варианте схемы – это дешёвый чип контроллера-ограничителя заряда. В более продвинутом варианте – это специальный контроллер питания, управляющий потреблением электроэнергии разных компонентов схемы, следящий за напряжением на аккумуляторе, уберегающий аккумулятор от переразряда и управляющий током заряда.

• Графический OLED LCD экран. Первая и главная его функция – отобразить код связи при регистрации модема в смартфоне. В зависимости от сценария использования модема на нём отображается немного сервисной информации: короткое сообщение (цифры/английские знаки), собственные координаты и координаты с направлением до ближайшего видимого абонента сети. 

• Антенна. То, через что радиоволны принимаются и передаются. (Теме будет посвящена отдельная большая статья)

Это минимальный состав для работы Meshtastic-модема. В расширенном варианте схемы в состав модема включён GPS-модуль, кнопка листания страниц (каждый абонент сети отображается на своей странице), светодиоды состояния процессора.  

Ещё одним фактором влияния на ваше возможное решение заняться совместным творчеством, может стать открытость проекта для самостоятельного освоения на уровне исходного кода прошивки. Все исходные коды проекта Meshtastic выложены на Github. К сожалению, автор статьи совсем не программист, но университетских знаний основ программирования и помощь нескольких квалифицированных товарищей из сообщества хватило на то, чтобы разобраться как сделать настройки радиомодема на аппаратном уровне под имеющиеся под рукой компоненты и собственные задачи. Автор уверен, в сообществе найдётся множество желающих развить тему до более глобального масштаба и на новых технологических решениях. Присоединяйтесь!

ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ГОТОВЫХ РЕШЕНИЙ

Прежде чем что-то собирать, есть смысл посмотреть на фирменные заготовки под радиомодемы на Aliexpress, оценить собственные возможности по сборке и решить: покупать радиомодем или собирать самому. Если вы занятой человек, или совсем не радиолюбитель, но тема вам интересна, то лучше купить готовую заготовку и её «прошить». Это самый простой вариант без лишних заморочек с паяльником и ненужных вам беспокойств. Купили, включили и сразу всё работает! Красота! Если вы неугомонный творческий искатель и вам интересно работать руками и головой, то в следующей части вы найдёте описание как, и из чего собрать радиомодем самому.

Изначально заготовки разрабатывались под разнообразные LoRa приложения, как стартовые модули для различных разработок. Очень удачно они вписались в новый проект. В них надо только залить специальную прошивку и заготовка превращается в Meshtastic-радиомодем. Прошивки лежат на Github автора проекта Meshtastic, абсолютно бесплатны и могут дорабатываться вами при наличии знаний С++.

Ниже, приводится список готовых устройств с Aliexpress. Ссылки на них не даю, они легко гуглятся или спрашиваются в сообществе.

Заготовка №1. Самый продвинутый радиомодем от TTGO, но без экрана.

LILYGO​ TTGO T-Beam V1.1 SX1262 LORA 868/915MHZ ESP32 WiFi Wireless Bluetooth Module GPS NEO-M8N IPEX 18650 Battery Holder

• Микроконтроллер: ESP32 — Wifi & Bluetooth

• Радиочип: SX1262 — LoRa Transceiver, имеющий на сегодня лучшие параметры

• Частотные диапазоны: 433 МГц / 863-870 МГц / 902-928 МГц

• Продвинутый контроллер питания

• Продаётся без 0.96” OLED экрана

• Присутствует U.FL разъём для LoRa антенны

• В комплекте полноразмерная антенна

• Присутствуют кнопки: Питание / Сброс / Программирование 

• GPS модуль – NEO-8M (современный, высокочувствительный)

• Питание от стандартного Li-Ion АКБ 18650

• Файл прошивки: firmware-tbeam-1.x.x.bin

Meshtastic-модем для самостоятельной досборки. Самый современный на сегодня заготовка под Meshtastic-модем с актуальным GPS-модулем NEO-8 и самым передовым радио-чипом SX1262. Продаётся без экрана. Надо докупать I2C OLED LCD на графическом процессоре SSD1306, запаять его и закреплять. Как показывает практика, это не всем начинающим под силу, потому, подумайте хорошо, прежде чем покупать этот модем, сможете ли вы собрать его без риска повреждения. Цена в районе 2800р. Если цена не смущает — то это лучшее, что может быть для старта. Продаётся в официальном магазине LiLYGO.

Заготовка №2. Промежуточная версия заготовки, с хорошим GPS, но без экрана.

GPS NEO-M8N of LILYGO​ TTGO T-Beam V1.1 ESP32 LORA 433/868/915/923MHZ WiFi Wireless Bluetooth Module IPEX 18650 Battery Holder

• Микроконтроллер: ESP32 — Wifi & Bluetooth

• Радиочип: SX127х — LoRa Transceiver

• Частотные диапазоны: 433 МГц / 863-870 МГц / 902-928 МГц

• Продвинутый контроллер питания

• Продаётся без 0.96” OLED экрана

• Присутствует U.FL разъём для LoRa антенны

• В комплекте дешёвая укороченная антенна

• Присутствуют кнопки: Питание / Сброс / Программирование 

• GPS модуль – NEO-8M (современный, высокочувствительный)

• Питание от стандартного Li-Ion АКБ 18650

• Файл прошивки: firmware-tbeam-1. x.x.bin

Meshtastic-модем для самостоятельной досборки. Имеет современный GPS-модуль NEO-8, но продаётся без LCD экрана. Надо докупать I2C OLED LCD на графическом процессоре SSD1306, запаять его и закреплять. Как показывает практика, это не всем начинающим под силу, потому, подумайте хорошо, прежде чем покупать этот модем, сможете ли вы собрать его без риска повреждения. Цена в районе 2500р. Продаётся в официальном магазине LiLYGO.

Заготовка №3. Полностью готовый радиомодем с предустановленным ПО Meshtastic

LILYGO​ TTGO Meshtastic T-Beam V1.1 ESP32 433/868/915/923Mhz WiFi Bluetooth ESP32 GPS NEO-6M SMA 18650 Battery Holder With OLED

• Микроконтроллер: ESP32 — Wifi & Bluetooth

• Радиочип: SX127х — LoRa Transceiver

• Частотные диапазоны: 433 МГц / 863-870 МГц / 902-928 МГц

• Продвинутый контроллер питания

• Присутствует 0.96” OLED экрана

• Присутствует SMA разъём для LoRa антенны

• В комплекте дешёвая укороченная антенна

• Присутствуют кнопки: Питание / Сброс / Программирование 

• GPS модуль – NEO-6M (старый и дешёвый)

• Питание от стандартного Li-Ion АКБ 18650

• Файл прошивки: firmware-tbeam-1. x.x.bin

Полностью законченный и готовый для использования в сети Meshtastic радиомодем, практически в максимальной конфигурации… но не совсем. Продаётся, обычно, с предустановленным ПО. В этом модеме устаревший GPS модуль NEO-6. Если вы только-только вошли в тему и у вас нет возможности что-то паять самому, то это хороший вариант для старта. Цена в районе 2800р. Продаётся в официальном магазине LiLYGO.

Заготовка №4. Минимальный нормальный модем.

TTGO LORA32 V2.0 433/868/915Mhz ESP32 LoRa OLED 0.96 Inch SD Card Display Bluetooth WIFI ESP32 Module With Antenna

• Микроконтроллер: ESP32 Pico D4 — Wifi & Bluetooth

• Радиочип: SX127х — LoRa Transceiver

• Частотные диапазоны: 433 МГц / 863-870 МГц / 902-928 МГц

• Контроллер питания отсутствует, только цепь заряда.

• Встроен 0.96” OLED экрана

• Присутствует U.FL или SMA разъём для LoRa антенны (зависит от версии)

• В комплекте дешёвая укороченная антенна

• Присутствуют кнопки: Сброс и механический выключатель питания.

• Кнопка листания экрана отсутствует, её паять надо будет самому. 

• GPS модуль отсутствует, но есть возможность подключить сторонний модуль.

• Возможно подключение Li-Po аккумулятора

• Файл прошивки: firmware-tlora-v2-1-1.6-1.x.x.bin

Минимальный нормальный на сегодня Meshtastic-модем для создания сети. Построен на экономичном процессоре последнего поколения ESP-32 Pico-D4. В нём нет GPS-модуля, но это не страшно – координаты могут подтягиваться с GPS-модуля телефона. Можно модифицировать GPS-модулем самостоятельно. Имеет в прошлом 3 различных модификации V1, V1.3 и V2 со своими прошивками. Цена в районе 1500р. Продаётся в официальном магазине LiLYGO.

Автор статьи начинал с этого модуля, он зарекомендовал себя отлично!

Заготовка №5. Самый дешёвый радиомодем. (Не рекомендуется)

Heltec WIFI Lora Kit 32 V2 433MHZ ESP32 LoRa SX1278 esp32 0.96 Inch OLED Display Bluetooth Development Board for Arduino

• Микроконтроллер: ESP3212 — Wifi & Bluetooth (Старый чип)

• Радиочип: SX127х — LoRa Transceiver

• Частотные диапазоны: 433 МГц / 863-870 МГц / 902-928 МГц

• Контроллер питания отсутствует, только цепь заряда.

• Встроен 0.96” OLED экрана

• Присутствует U.FL разъём для LoRa антенны

• В комплекте дешёвая укороченная антенна

• Присутствуют кнопки: Сброс и программирование.

• Кнопка листания экрана отсутствует, её паять надо будет самому. 

• Возможно подключение Li-Po аккумулятора (Есть проблемы с переразрядом)

• Файл прошивки: firmware-heltec-1.x.x.bin

Самый дешёвый Meshtastic-модем. Собран на старом и слабом процессоре. Больше всех распиарен. Самый маленький по размерам, есть проекты интересных корпусов, но много негативных отзывов по эксплуатации. Имеют тенденцию сами по себе внезапно умирать на ровном месте. Цена в р-не 1500р. Продаётся в официальном магазине HELTEC. К покупке не рекомендуется, если, только, ради красивого миниатюрного корпуса. Если у вас несколько модемов и этот помрёт, то не жалко.

Данным списком заготовки под радиомодемы не ограничиваются. Существуют ещё законченные изделия на «RAK-модулях» серии RAK46xx с контроллером солнечной панели. Но они довольно редкие и цены для Российского рынка совсем заоблачные, потому в описание автор их не включает. При необходимости, вы без труда найдете их сами.

Этим небольшим набором выбор готовых изделий Meshtastic-модемов исчерпан. На официальном сайте проекта вы можете найти большую таблицу сравнения оригинальных Meshtastic-модемов, их разных модификаций выпуска и немногочисленных Noname-клонов. В основном — это копии фирменных изделий LILYGO и HELTEC.

На этом знакомство с фирменными заготовками для Meshtastic-сети автор заканчивает. В следующей части будет подробно описано из чего и как радиомодем собрать своими силами.

Часть 1. <<<<<<<<<< Часть 2. >>>>>>>>>> Часть 3 Радиомодемы самодельные.

Применение технологии LoRa без протокола LoRaWAN

Отметим, что бюджет системы связи обеспечивает улучшение на 30 дБ по сравнению с FSK модуляцией, позволяя подавлять помехи в совмещенном канале, и обеспечивает потребление энергии в семь раз ниже, чтобы минимизировать эксплуатационные расходы. Это делает сети LoRa жизнеспособным вариантом для повышения эффективности в самых разных областях применения.
Существует множество приложений для однорангового подключения Lora, в полной мере использующих преимущества технологии Lora для большой дальности и низкой мощности. Например, устройства открывания гаражных ворот, умный дом или промышленные интеллектуальные датчики (давление, температура, свет и т.д.), системы сигнализации.
Одноранговая связь с использованием технологии LoRa обеспечивает прямую связь и междугороднюю связь между двумя устройствами. Это особенно полезно в условиях, где глобальная инфраструктура LoraWAN не нужна или просто недоступна. Или в гибридной инфраструктуре, где некоторые устройства будут настроены на передачу данных только через одноранговую сеть (низкая задержка, низкие операционные затраты), в то время как другие узлы также будут подключены к инфраструктуре LoraWAN через шлюз. В качестве протокола передачи данных будем использовать протокол MiWi, разработанный компанией Microchip Technology.
MiWi — это проприетарный беспроводной протокол, поддерживающим одноранговое подключение по сети типа «звезда», «дерево», mesh-сеть или точка-точка. Протокол MiWi разработан на базе стандарта беспроводных низкоскоростных сетей IEEE 802.15.4 как альтернатива протоколу ZigBee. По сравнению с ZigBee протокол MiWi требует меньший объем памяти устройства, что снижает требования к ресурсам микроконтроллера и себестоимость оборудования. Стек MiWi занимает всего 4-8 кБ памяти для конечного устройства и менее 16 кБ для координатора сети. Так же отметим, что протокол MiWi не зависит от физического уровня радиоканала. Можно использовать протокол MiWi для построения сетей с разными частотными диапазонами и различной модуляцией сигнала, но исключительно на базе микросхем компании Microchip. Однако, протокол MiWi имеет и свои ограничения:
— максимальное количество узлов в сети — 1024,
— при построении mesh-сетей пакеты данных могут делать максимум 4 «прыжка» (hops) до адресата.
Но для построения небольших сетей и выполнения многих задач этого вполне достаточно. К тому же, при использовании MiWi не надо сертифицировать оборудование или платить отчисления как, например, в ZigBee.
Рассмотрим организацию сети MiWi более подробно. В рамках протокола MIWi производится формирование сети, подключение новых узлов и маршрутизация. Сеть MiWi использует 3 типа устройств с различным функционалом:
1. PAN-координатор (Personal Area Network coordinator) — главный узел сети. Он является образующим узлом сети. PAN-координатор в сети MiWi может быть только один.
2. Координатор — помимо приема и передачи данных (как и конечный узел), с помощью координатора можно расширить зону охвата и количество конечных узлов.
3. Конечный узел — узел, который может только принимать и передавать данные. Например, некий датчик
PAN-координатор — это устройство, которое запускает сеть (ему присваивается адрес 00h) и выбирает канал и идентификатор PAN сети (PAN ID). Все остальные устройства, подключающиеся к сети, должны подчиняться инструкциям PAN-координатора. Координаторы и конечные узлы присоединяются к созданной сети и после сканирования получают идентификаторы и адреса. Для подключения конечного узла или координатора к сети MiWi используется двухэтапная процедура установления связи (а не 5ти этапная, как в стандарте IEEE 802.15.4). Новый узел посылает в эфир специальный запрос. В ответ на него все координаторы, которые его слышат, посылают ответ с информацией о своем окружении. В ответе используются три дополнительных байта:
1. Идентификатор протокола (для MiWi это 4Dh),
2. Номер версии,
3. Локальные координаторы — указывается список координаторов, с которыми конкретный координатор имеет связь. Каждый бит указывает на связь с одним из восьми возможных координаторов. Бит 0 — связь с PAN-координатором, бит 1 — связь с координатором с адресом 0100h и т. д.
Это позволяет узлам узнавать все возможные маршруты в сети. Дальнейший обмен данными по сети происходит в соответствии с алгоритмом на рисунке 2.

Радиомодуль

LoRa MESH — 868 МГц

Введение

Радиомодуль LoRa MESH представляет собой высокопроизводительный, маломощный радиочастотный модуль большой дальности с микромощностью, использующий режим распределенной специальной сети, встроенные беспроводные протоколы MESH MANET, пользователям не нужно ничего модифицировать для представления устройств. , протоколы, нет необходимости в вторичной разработке модуля, но можно легко реализовать беспроводные одноранговые сети. Технология радиочипового модуля, основанная на скачкообразной перестройке частоты с расширенным спектром, расчетах с расширенным спектром и ведущей внутренней автоматической обработке с исправлением ошибок CRC. Стабильность, помехоустойчивость и чувствительность приема лучше, чем у других типов модулей. Модуль также поддерживает режим API, прозрачный режим и режим AT-команд, пользователь может настроить наше программное обеспечение для ПК или отправлять AT-команды через микроконтроллер в зависимости от параметров фактического спроса на гибкую конфигурацию модуля, простое управление, простота в использовании. , сильная адаптация.

Рекомендовать преобразователь USB в TTL для установки параметра модуля, и Gravity IO Expansion Shield может напрямую работать с модулями Lora.

Характеристики

Методы модуляции на основе

LoRa.

Преобразование протокола связи и радиочастотный трансивер для автоматического переключения без вмешательства пользователя, просты в использовании.

Спецификация

Документы

Транспортная накладная

Включите JavaScript для просмотра комментариев на платформе Disqus.

Mesh-сеть LoRa с готовым оборудованием

• автор:

Том Нарди

Идеальным приложением для ячеистой сети является автономная связь; когда нет сотовой связи и Wi-Fi недоступен, для создания одноранговых беспроводных сетей можно использовать глобальные технологии, такие как LoRa. Наслаждаетесь ли вы прогулками с друзьями или проводите спасательную операцию, дешевый и небольшой гаджет, который позволит вам создать такую ​​сеть и общаться по ней, будет очень кстати.

Это как раз и является целью проекта Meshtastic, целью которого является использование готовых плат для разработки ESP32 LoRa и превращение их в доступные коммуникаторы ячеистой сети. Все, что вам нужно сделать, это купить одну из поддерживаемых плат, установить прошивку и начать создание сетки. Приложение для Android, которое позволит вам использовать ячеистую сеть для отправки основных текстовых сообщений, теперь доступно в виде альфа-версии, и в конечном итоге вы сможете запускать Signal по ссылке LoRa.

Переход к другому узлу в сети. 9Разработчик 0006 [Кевин Хестер] говорит нам, что это все еще очень ранние дни, и предстоит еще много работы. На самом деле, он активно ищет возможность привлечь к проекту несколько единомышленников. Так что, если у вас есть опыт работы с ESP32 или разработкой мобильных приложений, и частное общение по беспроводным сетям дальнего радиуса действия похоже на вашу вечеринку, это может быть ваш счастливый день.

С точки зрения пользователя, этот проект чрезвычайно доступен. Вам не нужно собирать какое-либо специальное оборудование, за исключением, возможно, 3D-печати корпуса для вашей конкретной платы. В первый раз вам нужно будет прошить прошивку с esptool.py , но после этого [Кевин] говорит, что будущие обновления могут обрабатываться приложением для смартфона.

Кстати, основное различие между двумя платами заключается в том, что более крупная и дорогая включает в себя GPS. Ячеистая сеть будет работать с любой платой, но если у всех в вашей группе есть версия с GPS, каждый пользователь сможет видеть положение всех остальных в сети.