DIY: ретранслятор на micro:bit и радиомодуле LoRa увеличивает дальность связи

В статье «DIY: передаем данные на километры с помощью контроллера Micro::Bit и радиомодуля EBYTE LoRa» (часть 1 и часть 2) мы рассказали, как обеспечить связь на обширных территориях при небольшой излучаемой мощности.

Но что, если нужно передавать данные на расстояния в десятки или даже сотни километров? Например, вдоль таких объектов, как автомобильные дороги, железнодорожные линии или трубопроводы?

Помимо спутников, здесь помогут ретрансляторы, способные принимать данные по радиоканалу и передавать их дальше, до следующего ретранслятора или до конечного узла обмена данными.

Пока, однако, мы не будем решать такие грандиозные задачи, ограничившись увеличением дальности с помощью одного ретранслятора на micro::bit с радиомодулем LoRa EBYTE E32.

Допустим, нам нужно контролировать погоду в парнике из дома, но расстояние между домом и парником такое, что при минимальной мощности радиомодуля 10 мВт надежную связь установить не получается.

Разместим где-нибудь посередине ретранслятор, который будет получать запросы от центрального узла, сделанного на базе Raspberry Pi, и передавать их в парник на узел micro::bit. Данные измерений в парнике будут передаваться обратно на центральный узел опять же через ретранслятор (рис. 1).

Макет системы сбора данных с ретранслятором показана на рис. 2.

Здесь мы использовали те же самые блоки, что и для системы с архитектурой «звезда» из прошлой статьи, изменив только программное обеспечение. 

Центральный узел создан на базе Raspberry Pi, а ретранслятор и узел для парника — на базе micro::bit. 

Конфигурацию радиомодулей E32 мы оставили прежней. Все радиомодули в наших примерах будут работать на канале 15, а их адреса приведены в табл. 1.

Табл. 1. Адреса радиомодулей

Разумеется, для ретранслятора и парника можно использовать другой номер канала. Более того, центральный и периферийный узел могут передавать данные на одном канале, а ретранслятор — на другом. При выборе номеров каналов следует учитывать, какие частоты разрешены к использованию в вашей стране без лицензии, либо оформить соответствующие документы.

Узел ретранслятора

Программу micro::bit для ретранслятора, как и все программы из этой статьи, можно загрузить с сайта GitHub по адресу https://github.com/AlexandreFrolov/loranet.

Файл с программой для ретранслятора называется microbit-pxt-lora-repeater.hex, а файл программы для парника — microbit-lora-net-host2r.hex.

Программа ретранслятора очень проста. На этапе инициализации она задает параметры подключения и работы радиомодуля E32, а также устанавливает размер буферов передачи данных для UART. 

После инициализации на светодиодной матрице micro::bit зажигается буква «R», идентифицирующая узел ретранслятора (рис. 3).

Когда центральный узел отправляет в ретранслятор команду «getRData», блок ретранслятора передает по радиоканалу команду «getData» на узел парника с адресом 12 и рисует на мониторе micro::bit стрелку, направленную на сервер. После этого на монитор выводится буква «R» (рис. 4).

В ответ на команду «getData», отправленную на узел парника, ретранслятор получает от этого узла данные измерений. Они не содержат строку «getRData» и отправляются ретранслятором в неизменном виде на центральный узел с адресом 14.

Как только данные будут отправлены, на мониторе ретранслятора на короткое время появится стрелка, направленная на юг, а затем ее сменит буква «R».

Таким образом, наш ретранслятор передает в одну сторону (в парник) команду «getRData», а затем в другую строну (на центральный узел) данные измерений в парнике.

Ретранслятор ничего не знает о структуре и размере передаваемых данных, за это отвечает центральный узел и узел парника.

Узел парника

Узел парника практически полностью аналогичен периферийным узлам из упомянутой выше статьи. Изменения касаются только ПО для micro::bit. 

На этапе инициализации выполняются действия, необходимые для работы с радиомодулем и последовательным портом, после чего на монитор выводится буква «B» (рис. 5).

Когда от ретранслятора в узел парника поступает команда «getData», соответствующий блок вызывает функцию getWeatherData, возвращающую результаты измерений погоды. Далее полученные от этой функции данные отправляются в узел ретранслятора на 15 канале по адресу 13 (рис. 6).

Функция getWeatherData получает данные от погодной станции BME-280, преобразует их в текстовые строки и соединяет через символ точки с запятой (рис. 7).

Центральный узел

В предыдущей статье в центральном узле работала программа, отправляющая в цикле команду «getData» на все периферийные узлы, затем она записывала полученные от них данные измерений в JSON-файл.

Теперь центральный узел обращается к периферийному узлу через ретранслятор. Программа e32-loranet-repeater.py отправляет в узел ретранслятора команду «getRData», а полученные от ретранслятора данные измерений записывает в JSON-файл (листинг 1).

#!/usr/bin/python # -*- coding: UTF-8 -*-  import RPi.GPIO as GPIO import serial import time import sys from time import sleep import json  NODE_ADDR_CHAN = [b'\x00\x0B\x0F',                   b'\x00\x0C\x0F',                   b'\x00\x0D\x0F']  def gpio_init ():     GPIO.setmode(GPIO.BCM)     GPIO.setwarnings(False)     M0 = 22     M1 = 27     GPIO.setup(M0,GPIO.OUT)     GPIO.setup(M1,GPIO.OUT)     GPIO.output(M0,GPIO.LOW)     GPIO.output(M1,GPIO.LOW)     time.sleep(1)     ser = serial.Serial("/dev/serial0", 9600, timeout=1)     ser.flushInput()     return ser  def send_cmd(node):     try :         if ser.isOpen() :             ser.write(NODE_ADDR_CHAN[node])             ser.write('getRData \n'.encode())     except :         if ser.isOpen() :             ser.close()             GPIO.cleanup()      while ser.inWaiting() == 0:         sleep(0.03)      data_left = ser.inWaiting()      received_data = ser.readline()     sleep(0.03)     received_data += ser.read(data_left)     rec = received_data.decode("utf-8").strip()     node_data = rec.split(';')     return node_data  def format_node_data(node, node_data):     NODE_1_2_ITEMS = ['Температура',                   'Давление',                   'Влажность',                   'Точка росы']     NODE_3_ITEMS = ['Температура CPU',                   'Интенсивность освещения']     node_dict={}     i=0     for val in node_data:         val = str(val)         if(node == 0 or node == 1 or node == 2):             node_dict[NODE_1_2_ITEMS[i]]= val         else:              node_dict[NODE_3_ITEMS[i]]= val         i = i+1     return node_dict  def get_nodes_data():     nodes_dict={}     node = 2     node_data = send_cmd(node)     nodes_dict[node] = format_node_data(node, node_data)     return nodes_dict  def save_nodes_data_to_file(nodes_dict):     jsonString = json.dumps(nodes_dict, indent=2, ensure_ascii=False)     print(jsonString)     with open('hosts_data.json', 'w') as f:         json.dump(nodes_dict, f, indent=2, ensure_ascii=False)   ser = gpio_init() nodes_dict = get_nodes_data() save_nodes_data_to_file(nodes_dict)

По сравнению с ПО центрального узла из предыдущей статьи, основные изменения коснулись функции send_cmd.

Время ожидания ответа от периферийного узла, передаваемого через ретранслятор, может быть относительно большим. Программа дожидается ответа в бесконечном цикле:

while ser.inWaiting() == 0:     sleep(0.03)

Когда в устройстве serial появляются данные, они считываются и декодируются, после чего возвращаются в виде строки со значениями, разделенными символом «точка с запятой»:

data_left = ser.inWaiting()  received_data = ser.readline() sleep(0.03) received_data += ser.read(data_left) rec = received_data.decode("utf-8").strip() node_data = rec.split(';') return node_data

Как и в программе из предыдущей статьи, функция save_nodes_data_to_file записывает данные в файл hosts_data.json, а также выводит на консоль:

$ python e32-loranet-repeater.py {   "2": {     "Давление": "993",     "Точка росы": "4",     "Влажность": "24",     "Температура": "24"   } }

Идеи для развития проекта

В каком направлении вы можете развивать свой учебный проект с ретранслятором?

Добавьте больше ретрансляторов

Прежде всего, можно добавить еще ретрансляторов, увеличив таким образом общее расстояние, на котором будет возможно получать данные измерений. На рис. 8 показана схема с использованием двух ретрансляторов.

Можно сделать так, чтобы первый ретранслятор передавал команду «getRData» на второй узел ретранслятора, установленный в гараже с адресом 12. Второй ретранслятор, в свою очередь, будет передавать эту команду дальше, узлу сбора данных в парнике с адресом 11 (табл. 2).

Табл. 2. Адреса радиомодулей

При передаче данных в обратную сторону узел из парника должен передавать данные на ретранслятор в гараже по адресу 12.

Передавайте данные измерений с ретрансляторов

Еще одна идея, которую вы можете реализовать, заключается в том, чтобы ретрансляторы не просто передавали данные в направлении центрального узла, а добавляли к ним результаты собственных измерений. 

Например, узлы ретранслятора могут добавлять в данные температуру процессора в микрокомпьютере или данные погодной станции, установленной в ретрансляторе. Разумеется, нужно правильно отделить эти данные в общем потоке, а в программе, работающей на центральном узле, правильно их обработать.

Используйте антенны с большим усилением или направленные антенны

Существенно увеличить дальность при той же мощности можно с помощью антенн, обладающих большим усилением или направленных антенн. 

Однако в том, что касается направленных антенн, не все так просто. Было бы идеально на узле ретранслятора подключить две такие антенны, направленные в разные стороны, каждая на свой ретранслятор или узел. 

Но подключение двух радиомодулей с интерфейсом UART к одному micro::bit проблематично. Такую задачу можно решить с использованием радиомодулей LoRa с интерфейсами SPI или I2C. 

Второй вариант — использовать в узле ретранслятора два микрокомпьютера micro::bit, к каждому из которых подключен радиомодуль LoRa. При этом данные между микрокомпьютерами можно передавать с помощью встроенного в micro::bit модуля Bluetooth. 

Если у вас появятся еще какие-нибудь идеи по использованию ретрансляторов, расскажите о них в комментариях к этой статье!

Автор: Александр Фролов.

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:— 15% на все тарифы VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.