Meshtastic – оперативно-тактический радиочат без сотовой связи и интернета. Часть 3. Радиомодемы самодельные
ОГЛАВЛЕНИЕ:
Часть 1. Знакомство с темой.
Часть 2. Радиомодемы фирменные.
>>> Часть 3. Радиомодемы самодельные.
Часть 4. Сборка и прошивка радиомодема. (Запланировано)
ИЗУЧАЕМ. ДУМАЕМ. ГОТОВИМСЯ.
Уважаемые коллеги, если вы добрались до 3-ей части, и тема Meshtastic-сети вас завлекла настолько, что руки чешутся уже, наконец, что-то собрать самому, то — добро пожаловать! В этой части мы рассмотрим комплектующие для самостоятельной сборки модема и автор поделится своими схемотехническими наработками.
Как только автор статьи увидел в Meshtastic-проекте знакомые слова типа LoRa, ESP32 и другие, немедленно был проведён схемотехнический анализ фирменных Meshtastic-модемов, благо, информация не секретная и все схемы лежат в открытом доступе на GiHub проекта и страницах производителей LoRa-модулей. Выяснились интересные детали — практически все принципиальные схемы разных производителей Meshtastic-модемов типовые, строятся на основе одних и тех же LoRa-модулях, на основе одного из известных и распространённых микропроцессорных блоков ESP-WROOM-32 и ESP-WROWER-32. Так появилась мысль о том, что можно попробовать собрать радиомодем самостоятельно из DEVKIT модулей и того, что есть под рукой. Проведя несколько недель за вдумчивым исследованием темы с паяльником и компьютером, делясь мыслями с заинтересованными коллегами, выяснилось, что энтузиасты радиолюбители даже самой минимальной квалификации могут радиомодем легко собрать сами, не тратя денег на готовое устройство из возможно скромного семейного бюджета.
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. Прошивка радиомодема написана на С++, имеет открытое API для подключения внешних устройств, совсем недавно автор проекта включил возможность интеграции в радиомодем работу в сеть интернет по протоколу MQTT.
Автор уверен, в сообществе найдётся множество желающих развить тему до более глобального масштаба, возможно, в свои индивидуальные стороны и на новых технологических решениях. Присоединяйтесь!
СОСТАВ КОМПЛЕКТА ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ СБОРКИ
Для самостоятельной сборки минимально-рабочего радиомодема понадобятся следующие комплектующие:
ESP32-WROOM-32 модуль в формате DevKit — 1шт.
LoRa-модуль — 1шт.
I2C OLED LCD экран — 1шт.
В расширенном варианте радиомодема с дополнительным сервисом нужно будет добавить ещё несколько простых компонентов:
GPS-модуль NEO-6M или NEO-8M — 1шт.
Кнопка — 1шт.
Светодиод — 1шт.
Резистор, номиналом 10ком — 1 шт.
Резистор, номиналом 1ком — 1 шт.
Конденсатор, номиналом 47…100нФ — 3шт.
Конденсатор электролитический 47…470 мкФ — 3шт.
Кнопки со светодиодами и другую мелкую рассыпуху, автор описывать не будет, надеясь, что вы сами разберётесь в данном вопросе или спросите более компетентных друзей. А вот, информацию про основные функциональные модули рассмотрим подробно. Вполне вероятно, что у заинтересованных профессиональных коллег кое-какие компоненты уже присутствуют где-нибудь в столе и тогда, создание своего радиомодема — дело пары часов с перерывом на чай.
LoRa-модули
Обычно, LoRa-модули покупаются на Aliexpress, там они стоят не дорого, но бывает и в «робошопных» магазинах встречаются, правда, по цене в 2…3 раза выше, чем на Ali. Если у вас шило в седалищном месте и вы не стеснены в финансах, то в большом городе быстрое решение с покупкой, обычно, всегда присутствует. Модемов бывает несколько разных типов и фирм. Как было описано выше, первое — нужно определиться на каких частотах планируется построения сети. В России используется участок 433МГц и 868МГц, соответственно, модем выбираем на нужный вам участок частот. Существуют модемы и на американский участок 915МГц, но зачем нам проблемы с радио-надзорными органами? Большинство модемов на Aliexpress — это NONAME клоны фирменных изделий, собранных по типовой схеме из datasheet на радиочип. Так же, можно найти и фирменные модели. Они стоят немного дороже и, как правило, выглядят более качественно.
Китайский LoRa NONAMEСамые распространённые маломощные LoRa-модули собраны на чипах SX1276/1278 и RFM95W/98W на частотные диапазоны 868/433МГц. Модули выпускают открытые и закрытые экраном. Закрытые экраном, понятно, лучше защищены от помех. Часто на модулях пишут про мощность +20…+22дБм — это в 99% случаев обман. Обычно модемы выдают около +15…+17дБм мощности на максимальных настройках и зависит мощность от качества деталей, из которых эти модули собраны. Обычная цена — 300…500 руб.
Автор опробовал и обмерил дешёвые модули на «синих» платах с маркировкой SX1276, остался ими вполне доволен. «Зелёные» модули показали пониженную мощность, и автор их не рекомендует приобретать. В фирменных радиомодемах применяются экранированные фирменные LoRa-модули HPDTeK. К ним удалось найти даже даташит на китайском языке. В продаже на Aliexpress эти модули есть, но цена их в районе 1000р. за штуку.
Маломощные LoRa-модули на чипах SX1262/1268 фирмы G-NiceRF. Собраны на новых радиочипах и имеют более качественные параметрами, обладают лучшей чувствительностью и, повышенным выходным уровнем до +22дБм. (Автор ещё не замерял, подтвердить не может) Главная особенность этих модулей — аппаратная возможность отображать уровень принимаемого сигнала в приложении. Очень удобно при развёртывании сети. Наличие в модуле высокостабильного генератора TCXO позволяет без проблем использовать узкополосные, а значит, более дальнобойные режимы LoRa. Минус — модули довольно дорогие, на Aliexpress их цена начинается от 700р.
Мощные модули фирмы G-NiceRF собранные на радиочипе SX1262. Мощность модулей на 868МГц заявляется около 1 Вт (+30дБм). По замерам автора с них удалось выжать +25…+27дБм при питании 5V. На 433МГц они, возможно, и дадут 1 честный Ватт. Схемотехника модуля внутри достаточно примитивна. Опять же минус — примерная цена: 1800р за 2шт. Так как их продают по 2шт, то планируйте сразу делать себе пару Meshtastic-модемов. Будет стимул привлечь в абоненты сети кого-нибудь из друзей. Хорошо подходят для необслуживаемого ретрансляционного узла, но нужно продумывать питание. Потребляют они на передачу аж 0.5А
Самые качественные и мощные LoRa-модули фирмы E-BYTE на чипах SX1262. Имеют гарантированно на выходе мощность +30дБм на частоте 868МГц (Подтверждено замерами). Большой и жирный плюс к лучшему радиочипу — эти модули имеют в составе схему малошумящего усиления МШУ, что выгодно отличает эти модули по чувствительности, а значит дальности приёма. Минус — нужно самостоятельно править и пересобирать прошивку для управления режимом приём/передача (RX\TX). (Решения имеются) Второй минус — эти модули довольно дорогие, на Aliexpress их цена начинается от 900р, а в наших радиомагазинах от 3т.р.
На Aliexpress присутствует большое количество модификаций этих модулей, а в последнее время ещё и подделок. Под Meshtastic-сеть выбирать нужно конкретно модули E22_900M30S для 868МГц или E22_433M30S под 433МГц.
ESP32-модули
Для самостоятельной сборки Meshtastic-модема понадобится плата разработчика ESP32, она же именуется DevKit V1. Обычно, такие платы покупаются на Aliexpress или в местных «робошопных» магазинах. Подбираем модуль ESP-WROOM-32 DEVKIT с 30 или 38 контактами и встроенной антенной. Для максимальной простоты сборки Meshtastic-модема нужна именно DEVKIT-плата с USB-интерфейсом, а не голая плата ESP-WROOM-32. Цена на Aliexpress примерно 300…400р.
На Aliexpress сегодня появилось большое количество различных модификаций подобных DEVKIT-плат. Интерес представляют платы со встроенными Li-Ion контроллерами типа WeMos Mini D1 LOLIN32, но у автора пока отсутствует достаточное количество материала по ним.
Пожалуй, один из самых маленьких найденных ESP32-модулей — WEMOS Lite V1.0.0 Wifi Bluetooth макетная плата, антенна ESP32 ESP-32 REV1 CH340G MicroPython 4MB Micro USB для Arduino. Информации по работе этого модуля так же, пока отсутствует.
Присоединяйтесь к группе энтузиастов, возможно, конкретно вы сможете дополнить наш опыт.
GPS-модуль
Для передачи координат можно воспользоваться встроенным GPS-модулем телефона (координаты автоматически подтягиваются) или можно применить внешний модуль с Aliexpress. Ставить или не ставить модуль на самодельное устройство — вопрос открытый и выбирается от конкретных условий использования радиомодема. GPS-модулей на Aliexpress так же, великое множество, разной цены и комплектации. Для построения расширенной версии радиомодема достаточно простых модулей типа NEO-6M или NEO-8M. Выбирать модули желательно с большой квадратной антенной. С ней спутники ловятся быстрее и координаты в мобильном варианте фиксируются стабильнее. К сожалению, на Aliexpress сейчас большое количество контрафактной продукции с негативными отзывами конкретно на GPS-модули, потому, конкретных ссылок на магазины автор не даёт, так как сам пару раз попал на не рабочие подделки.
I2C OLED LCD экран
Самый простой и распространённый графическом дисплей на процессоре SSD1306. Понадобится для Meshtastic-модема без дисплея или для самостоятельной сборки. На дисплее отображается код для сопряжения телефона с радиомодемом по ВТ и разнообразная сервисная информация. При работе со смартфоном или на ретрансляционном узле экран особо не нужен и для большей автономности модема его можно делать на разъёме, снимаемым. Продаётся в разных «робошопных» магазинах, на Aliexpress и даже на AVITO можно найти горсть экранов за шапку сухарей.
РАДИОМОДЕМ — СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ
Итак, ожидания доставки комплектующих с Китая закончилось? Все комплектующие наконец приехали? Будем надеяться, что вам прислали рабочие изделия, а не контрафакт в целости и сохранности. Теперь, заказанные модули надо собрать воедино — то есть спаять их. Минимальный вариант быстро получить результат — это спаять всё на проводках типа МГТФ (так сказать сколхозить на коленке доступно всем и каждому) или всё сделать чинно-благородно на ардуино-образной плате.
Работы над созданием полноценных печатных плат под разные вариации самодельного радиомодема в сообществе уже ведутся, автор статьи планирует в ближайшем будущем представить свой концепты. Если вы профессиональный разработчик РЭА, умеете мастерски в ALTIUM, KiСAD или, даже в EasyEDA, то добро пожаловать в сообщество, вы можете представить свои варианты печатных плат. Все от этого только выиграют, особенно Китайцы… :-)
На настоящий момент автор статьи готов поделиться своими схемотехническими наработками. Если вы практикующий радиолюбитель-конструктор, то для самостоятельной сборки Meshtastic-модема их вполне достаточно:
Схема радиомодема для модуля ESP32-PICO-D4 под прошивку TTGO Lora32
Схема радиомодема для модуля ESP32-DEVKIT-30 под прошивку TBeam 0.7
Схема радиомодема для модуля ESP32-DEVKIT-38 под прошивку TBeam 0.7
Схема радиомодема для модуля ESP32-DEVKIT-30 под прошивку Heltec V2
Схема радиомодема для модуля ESP32-DEVKIT-38 под прошивку Heltec V2
Схема радиомодема для модуля ESP-Lolin32 под прошивку TTGO 0.7 (не проверялось!)
Скачать все схемы высокого качества одним файлом PDF можно с Я-диска
У пытливого читателя может возникнут резонный вопрос:, а какая из схем лучше? Однозначного ответа на данный вопрос нет. Все схемы рабочие, радиомодем работает на любой из них под соответствующей прошивкой. Выбор дан для расширения охвата потенциальных абонентов Meshtastic-сети. Никто не знает, что у вас есть в рабочем столе. У одного конструктора может быть один модуль, у второго — другой, у третьего — третий. Главное — автор протестировал работоспособность всех схем. Они будут работать с постоянно обновляемыми релизами прошивок (если автор проекта что-то в коде специально не поменяет или ненароком не сломает).
Первым из доступных DEVKIT-модулей ESP32 у автора оказался ESP32-PICO-D4. Как выяснилось — это самый беспроблемный ESP32-модуль, и он «завёлся» моментально. С модулями ESP32-Devkit-30/38 пришлось немного повозиться и разобраться как они работают на разных версиях прошивок. В результате экспериментов, было решено остановиться на описанных вариантах схем для прошивок Heltec V2 и TTGO V0.7.
Для запуска в расширенном функционале удобнее схема на основе модуля ESP32-DEVKIT-38, т.к. на ней присутствуют все выводы, описанные в прошивке. Так, для прошивки Heltec V2, запустить расширенную версию схемы на плате с 30 пинами без самостоятельной правки и сборке прошивки не получится — на плате не предусмотрен вывод DIO 0, к которому подключается кнопка.
В настоящий момент идут работы по проверке схемы на основе платы Lolin32 и Wemos Lite.
Рабочий вариант быстрого старта типа «колхоз на коленке»
ПИТАНИЕ… ПИТАНИЕ…
В заключении остановимся на важном моменте. Остаётся открытым вопрос энергоэффективности и питания радиомодемов. В первой части введения говорится о сверх длительном времени работы радиомодемов. Для этого в фирменных радиомодемах на аппаратном и программном уровнях проведена колоссальная работа по оптимизации энергопотребления. Наиболее продвинутые в аспекте энергоэффективности — модули TTGO T-beam. В схемотехнике радиомодемов T-beam применён специальный высокоэффективный контроллер питания, который управляет всеми потребителями энергии по программе. Когда радиомодем простаивает — все потребители электроэнергии уводятся в сон. Более простые модули T-Lora32 не имеют контроллера питания, но подключаемых к процессору модулей, на этих платах меньше, сам процессор ESP32 при этом погружается в сон во время простоя. Для всех радиомодемов время сна и время рассылки о своих координатах можно настраивать в приложении.
Для максимального упрощения схемотехнической части и расширения возможного круга интересантов темы, автор умышленно опускает вопрос энергоэффективности и предлагает ограничиться на первом этапе конструирования питанием от USB разъёма модулей ESP32. Вторым этапом может быть переход на новые платы ESP32, в которых уже встроен контроллер Li-Ion батареи и цепочки заряда/разряда. Питание можно делать от аккумуляторов, от солнечных элементов или стационарное.
При дальнейшем самостоятельном развитии сети, нужно будет вопрос энергопотребления прорабатывать отдельно. Туда можно отдельно включить вопрос энергопитания необслуживаемого ретрансляционного узла, постоянного узла, например, на автомобиле или велосипеде, другие интересные варианты…
В настоящем состоянии развития темы в Российской группе энтузиастов эти темы пока не поднимались особо ввиду малочисленности группы. Автор предлагает этот вопрос решать совместно.
В следующей статье, мы рассмотрим поэтапно как «залить» в модем прошивку и войти в сеть.
ВАЖНОЕ ПРИМЕЧАНИЕ:
Все схемы и описания представлены «как есть», большая часть схем проверена в работе. Если вы нашли ошибку, обязательно сообщите об этом автору статьи.
Автор статьи предполагает, что берясь за паяльное дело, вы чётко себе представляете что делаете и как нужно делать. Если у вас после сборки что-то не работает, вы консультируетесь со своими более компетентными друзьями, или в сообществе.
Во время творческих изысканий, вы соблюдаете все правила техники безопасности при работе с электроустановками, с паяльно-монтажным оборудованием и слесарным инструментом.
Часть 1. < Часть 2. <<<<< Часть 3. >>>>> Часть 4. Сборка и прошивка радиомодема (Запланировано).
