AGLoRa. Или прототип простого самодельного спутникового LoRa-трекера
Всем привет! Меня зовут Евгений, я уже много лет читаю Хабр, но писать как-то стеснялся. Я не профессиональный программист, это важно для дальнейшего рассказа, но возиться с железками и программировать для собственного удовольствия не переставал с детства. Это интересно и позволяет самому потрогать всякую современную техно-магию.
В жизни я основатель и технический директор небольшой команды, которая занимается интеграцией трекеров спутникового мониторинга транспорта. Я занимаюсь этим с 2006 года, так что профдеформацию в рукав не спрячешь. Всё, к чему я прикасаюсь рано или поздно превращается в трекер, увы. Так случилось и в этот раз. Сейчас это, кажется, называется, «обладать экспертизой в области».
Вокруг всё чаще и чаще слышно упоминание загадочных слов LoRa. Начиная от, разумеется, Хабра, и заканчивая прайсами поставщиков различного IoT-оборудования.
Было очень любопытно самому убедиться, а правдивы ли обещания дальности работы? Попробовать это очень просто, готовые модули LoRa можно без проблем кликнуть со всем известного китайского маркетплейса. Но проверять дальность, просто мигая лампочкой на расстоянии, как-то не наглядно, так что напрашивается подключение GPS-приемника и самостоятельного подсчета расстояния. Ну и вы уже поняли, что в этом месте запахло прототипом спутникового трекера, передающим данные не по GSM-каналу, как обычно, а по радиоканалу LoRa.
Применения могут быть самые разные. Сейчас есть много готовых персональных трекеров, работающих по GSM. Если не понимаете, о чем идет речь, то для своих клиентов я писал небольшой обзор, как они работают. Но их применение не всегда удобно.
Смотрю по своей семье. Мы часто ездим за грибами или просто погулять в лес, где нет сотовой связи. Кроме этого, круглый год оплачивать сим-карту ради нескольких выездов довольно нерационально. И это у меня ещё есть доступ к специальным телематическим тарифам! На обычных же «гражданских» тарифах операторы очень любят отключать симки после нескольких месяцев бездействия. Так что убрал трекер осенью на полку, а весной иди получай новую симку. Сложно. Излишне. Много внешних факторов.
Примерно так я и рассуждал, решив попробовать соорудить простой трекер, который будет работать в комплекте с себе подобными, позволяя, например, не разойтись далеко в лесу. Он может быть полезен как любителям ходить пешком, так и, например, квадроциклистам, мотоциклистам, любителям снегоходов. Всем тем, кто не может держать всю свою компанию в поле зрения. Кроме того, часто во время таких выездов даже позвонить не получается, потому что шум мотора, шлем на голове…. И пропущенный вызов видишь только в конце покатушки.
Коротенький ресёрч темы и стартовый пинок, разумеется, начался с популярной темы на Хабре про IoT-котиков. Не знаю, почему, но она стала такой популярной, что эту статью я вначале прочитал в новостях Хабра сам, а потом ещё несколько человек прислали на неё ссылки в личку. Вот что называется «взлетело»! Как можно не любить котиков?!
Для тех, кто её не читал, краткая выжимка, которая нам пригодится: есть модули LoRa (от Long Range), это проприетарная технология SEMTECH. Маленькая мощность, большая дальность, за дальность расплачиваемся низкой скоростью передачи. То есть это только для IoT-применений. Там, где на планете есть цивилизованная жизнь, есть возможность встроить своё устройство на основе модуля LoRa в общую сеть LoRaWAN.
LoRaWAN — это что-то близкое по духу к телефонной сотовой сети, с той лишь разницей, что устройства подключаются к открытым базовым станциям, и ты сам можешь запустить одну или нескольких таких БС у себя дома для всех желающих. Трафик и потребление электричества там минимальные, частоты открытые.
Это становится интересно, когда у тебя в округе уже есть такие станции. Кроме этого, сами базовые станции довольно сложные устройства, и их стоимость существенно превышает стоимость модуля для конечного устройства. По-любому — не наш вариант. Разворачивать в глухом лесу БС и полноценную LoRaWAN-сеть, это довольно избыточно и никому не нужно. Но если мы не играем по правилам LoRaWAN, то никто не запрещает LoRa-устройствам общаться напрямую. Вот это уже наша тема!
Для первого прототипа я решил просто кидаться широковещательными пакетами со своими координатами и запоминать другие устройства, от которых долетает радиосигнал LoRa. Чтобы понять, будет ли вообще всё работать и как, вполне достаточно. Постараемся сделать минимально возможный пакет для передачи данных. Потеря данных в этом случае совершенно не критична, получим что-то подобное UDP. Ну потеряем мы часть пакетов, ничего страшного не случится.
Теперь обдумаем интерфейс с пользователем. В идеале маячок должен работать постоянно. Как вариант — висеть прицепленным к верхней части рюкзака, чтобы увеличить дальность. Каждый раз останавливаться и снимать его, чтобы посмотреть на координаты других устройств, ну такое себе. «Работает — не трогай» и «лень» — вот наши главные кредо! Так что прямо-таки напрашивается bluetooth и программка на телефон. Нужно — достал из кармана мобильник, подключился, понял, куда идти.
Общая идея работы устройства
При этом у нас получается простое модульное устройство. Можно не устанавливать bluetooth или GPS-модуль, если в этом нет необходимости. Звучит вроде клёво, давайте попробуем собрать.
Важный момент: когда что-то собираешь, это «что-то» нужно в своей голове как-то называть. Рабочее название устройства родилось само собой. «AGLoRa», аббревиатура от Arduino, GPS и LoRa.
Хотелось собрать всё из говна и палок, не особо заморачиваясь. Так что не стал заказывать Arduino Nano 33 BLE, а использовал то, что валялось в заветной «ардуинной» коробке, которая есть, наверное, у каждого. В коробке нашлись какие-то GPS, купленные под другой проект, парочка рандомных Bluetooth модулей, парочка UNO и Nano. Вполне хватит для того, чтобы склепать несколько прототипов.
И в этом месте наконец закончилось долгое вступление. Дочитали? Погнали собирать!
Начнем с того, ради чего все мы здесь собрались. LoRa. Человечество уже эволюционировало до того момента, когда у нас есть удобные модули типа E220–900T22D или E433T30D, которые умеют в UART и к ним есть готовые библиотеки для Arduino. Так что делать нашу моргалку лампочками будет легко!
Первый модуль работает на 868 МГц (сейчас это разрешенная в РФ частота), второй — на 433 МГц. Как вы понимаете из теории, в лесу без помех 433 должен работать лучше. В городе частота 433 МГц забита другими устройствами, так что не угадаешь.
Ардуинка подойдёт любая, главное, не на ATmega168, в ней памяти для нашего скетча не хватит. По входам мы практически ничего и не используем. Два программных последовательных порта для GPS и LoRa, и аппаратный, на который повесим Bluetooth.
Используемые модули
GPS модуль тоже любой, у них у всех есть NMEA. Но если купить дешевый, типа NEO-6M то разочаруетесь, потому что спутники он ищет по полдня и теряет при первой удобной возможности. Надо покупать что-то подороже. Не забудьте, что если берете модуль от Ublox, то нужно подключиться к нему по USB и с помощью его родной программы u-center выключить бинарный протокол, оставив только NMEA, и переключить скорость передачи на 9600. Собственно, про GPS больше писать нет смысла, всё делается стандартными библиотеками.
Когда разбирался с блютусом, оказалось что iPhone работает только с BLE (bluetooth low energy). Но по факту это тоже не страшно. Я попробовал парочку дешевых модулей, HC-05 и AT-09, они немного отличаются по тому, как их видно «на стороне телефона», но в итоге оба заработали. Оба этих модуля распаяны на одинаковых «материнских платах» ZS-040 (не ругайте, я не знаю, как это написать понятнее), так что для Ардуино они выглядят одинаково и полностью взаимозаменяемы.
Собственно, всё. Соединять по инструкции с https://github.com/Udj13/AGLoRa/, смысла всё сюда копировать не вижу, там нет ничего сложного. Канонично подключать модуль LoRa с резисторами подтяжки, но у меня на всех платках заработало и так.
Первый прототип AGLoRa
Для питания от аккумуляторов пока просто воткнул КРЕНку. В любом случае для экспериментов удобней запитывать свои прототипы через USB от повербанков.
Железки собраны — пора писать скетч. Тут тоже всё просто. Библиотеки есть, готовые примеры к ним — тоже, просто собираем в единое целое.
Можете поругать меня за спагетти-код, но я специально оставил скетч одним файликом, чтобы было проще его копировать и заливать в устройства. Это единственный косяк, оставленный сознательно, за все остальные элементы говнокода готов понести полное моральное порицание общественности и с вашей помощью исправиться!
Bluetooth перед заливкой скетча, разумеется, надо выдернуть, а то ничего не получится. Он висит на основном последовательном порту.
Если в скетче включить DEBUG_MODE, то в логах увидите, какой модуль не заработал и вообще что устройство делает. Вы же не верите, что всё заработает с первого раза, правильно?
Кото-контроль проверил и одобрил
Итак, принцип работы на сегодня простой. Слушаем эфир, запоминаем тех, кого услышали, иногда смотрим свои координаты и отправляем остальным. Раз в несколько секунд отправляем состояние своей памяти в bluetooth для отображения на телефоне…
Теперь о грустном. Телефон. Телефооооон! Сложно делать проект с программированием, практически не умея программировать мобилки. Нет, я конечно баловался со swift, делал какие-то небольшие программки для себя и своей работы, но вот Андроид для меня — это тёмный лес.
А без Андроида в этот раз ну никак не обойтись, я же вроде как не только себе делаю. Учить Котлин, делать две версии приложения, потом заниматься параллельной отладкой и доработками… Брррр, так себе перспективка! Признаюсь — взгрустнул! Неужели не потяну? Какое это, нафиг, хобби получается, когда оно сожрёт меня полностью?!
Грустил-грустил, и тут в тик-токе попалось видео про Flutter. Он, оказывается, вполне себе живой и развивается! Думаю, ладно, мне надо-то GPS да Bluetoot, как-нибудь справлюсь. Но, как оказалось, и изобретать ничего не пришлось — всё уже сделано! Просто пишешь на dart, а дальше библиотеки сами делают всю кросплатформенность! Да это сказка какая-то! Недельку почитал — вроде не очень сложно всё. Для bluetooth есть flutter_blue, с подробными примерами.
Очень завидую современным программистам, «в моё время» из документации у меня был только диск «библиотека программиста», и постоянно приходилось изобретать велосипеды. А сейчас у тебя есть всё — просто бери и делай!
Так что дальше просто берём и делаем. Примеры есть, библиотеки есть, как всё это между собой совместить, любая старая обезьяна разберется, даже я понял. «Тыч да тыч», как говорится! Наговнокодил, конечно, местами, но хочется же побыстрее. В итоге сделал приложение и выложил в App Store. Не сразу, но опубликовали, спасибо вам, люди добрые из Apple, приложения апрувящие!
В общем, неожиданно так из желания попробовать, что это за магическая LoRa, получился вполне себе работающий прототип. И за него даже не везде стыдно.
Несмотря на то, что это вроде как техническая статья, приводить код особого смысла не вижу. Всё есть на github, и там нет никаких особых тонкостей. Единственный непонятный момент может сопровождать передачу данных на телефон. На стороне телефонного приложения мы получаем поток целочисленных данных List
Вставлю только маленький кусочек кода, который реально может пригодится тем, кто пытается подружить внешние датчики с flutter_blue.
Для того чтобы с Arduino передать координаты с плавающей точкой, мы разбиваем их на отдельные 4 байта и отправляем по-отдельности. Примерно вот так:
union cvt {
float val;
unsigned char b[4];
} x;
x.val = package.lat;
Serial.write(x.b, 4);Разумеется, я нашел это заклинание на stackoverflow, но оно работает. После чего на другой стороне опять собираем из этих байтов нормальные координаты.
Uint8List coords = Uint8List.fromList(navData.sublist(1, 9));
List floatList = coords.buffer.asFloat32List();
final double latitude = floatList[0];
final double longitude = floatList[1]; Итого, что имеем сейчас: устройство работоспособно, умеет передавать свои координаты. Без каких-то изменений программы можно комбинировать наличие/отсутствие GPS и Bluetooth в зависимости от задачи.
Есть работающее приложение под iOS/Android, которое позволяет посмотреть расстояние и направление до других устройств. В общем, уже можно пользоваться.
Испытания дальности на 433 МГц есть на следующем видео, реально я уехал на 5 км, и связь была. Я на самом деле уехал бы и дальше, просто у меня дорога закончилась. Но передающая антенна стояла на высоте второго этажа, думаю, рельеф и летняя листва эти 5+ километров очень сильно убавят. В любом случае это реально неплохо! Еще раз возвращаясь в начало: это без каких-либо особых познаний в радиотехнике, просто на купленном в интернет маленьком недорогом маломощном модуле и коротенькой антенне. Не знаю как вам, а мне это кажется небольшой магией.
Собственно, это испытание дальности и было первой ключевой точкой, к которой я шёл. Всё работает, значит можно попробовать развить устройство дальше.
Как это обычно бывает, в процессе творчества сразу появляется простор для улучшения. В первую очередь я буду добавлять сохранение и отображение истории перемещения, это нужно лично мне.
Стоило только похвастаться друзьям, как попросили собрать что-то подобное для поиска дрона. Товарищ часто летает в горах, обычно за границей, и там не везде есть сотовая связь или она дорогая. GSM-трекер отпадает.
Другой зацепился за возможность построить меш-сеть из трекеров. Тоже интересно.
Мой отец, который обычно собирает грибы в лесу, в котором не ловит сотовый телефон, попросил добавить возможность отправки каких-нибудь простых сообщений. И надо сказать, что я как доброволец местного отряда «ЛизаАлерт» хорошо представляю, что проще выполнить его просьбу, чем, случись что, искать его в лесу с фонарями. Хотя, возможно, проще кинуть ему в рюкзак рацию.
Ну и в финале. Зачем пишу на Хабр? За тем же, зачем показывал друзьям. Подвести, в первую очередь для себя, небольшой промежуточный итог. Понять, насколько такое устройство может быть интересно не только мне. Возможно, услышать варианты дальнейшего развития, про которые я не подумал. Это тот случай, когда комментарии интереснее самой статьи!
Обратная связь. Возможно я где-то накосячил, что-то принципиально сделал неправильно… Проект неторопливо делался вечерами после работы, прошло почти шесть месяцев, разумеется, глаз замыливается.
Сама комбинация Arduino+GPS+LoRa очень интересна. Это недорогое устройство, которое позволяет реализовать кучу забавных и полезных штук. Так что, имея некий бэкграунд на этом прототипе, я потенциально хотел бы поучаствовать в их создании!
Ну и банальное: возможно кому-то не хватало такого устройства. Всё опубликовано на github, программу для телефона можно скомпилировать самостоятельно.
В «релизы» проекта я выложил готовый apk для Android. Как уже писал, если у вас iOS, то приложение доступно в App Store, ссылка тоже есть на GitHub.
Приложение просит доступ к Bluetooth, что довольно логично, и доступ к геолокации для определения расстояния. Без доступа к геолокации будут отображаться только координаты других устройств AGLoRa.
Нажимайте глазик у репозитория, следите за развитием проекта — это всегда приятно!
