радиомодем что это такое
Meshtastic – оперативно-тактический радиочат без сотовой связи и интернета. Часть 2. Радиомодемы фирменные
ОГЛАВЛЕНИЕ:
>>> Часть 2. Радиомодемы фирменные.
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
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
GPS NEO-M8N of LILYGO TTGO T-Beam V1.1 ESP32 LORA 433/868/915/923MHZ WiFi Wireless Bluetooth Module IPEX 18650 Battery Holder
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.
LILYGO TTGO Meshtastic T-Beam V1.1 ESP32 433/868/915/923Mhz WiFi Bluetooth ESP32 GPS NEO-6M SMA 18650 Battery Holder With OLED
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.
TTGO LORA32 V2.0 433/868/915Mhz ESP32 LoRa OLED 0.96 Inch SD Card Display Bluetooth WIFI ESP32 Module With Antenna
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!
Heltec WIFI Lora Kit 32 V2 433MHZ ESP32 LoRa SX1278 esp32 0.96 Inch OLED Display Bluetooth Development Board for Arduino
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.
Meshtastic – оперативно-тактический радиочат без сотовой связи и интернета. Часть 3. Радиомодемы самодельные
ОГЛАВЛЕНИЕ:
>>> Часть 3. Радиомодемы самодельные.
ИЗУЧАЕМ. ДУМАЕМ. ГОТОВИМСЯ.
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 с SPI-интерфейсом – 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.
Резистор, номиналом 10ком – 1 шт.
Резистор, номиналом 1ком – 1 шт.
Конденсатор, номиналом 47…100нФ – 3шт.
Конденсатор электролитический 47…470мкФ – 3шт.
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.
Обратите внимание, LoRa-модули должны быть с SPI-интрфейсом.
Китайский LoRa NONAME
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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
Беспроводная 433МГц (радиомодемы)
Радиомодемы предназначены для передачи и приема цифровой информации при работе в составе распределенных сетей телеметрии. Радиомодем представляет собой программно-управляемое приемно-передающее устройство, преобразующее сигналы стандартных последовательных интерфейсов RS-232 или RS-485 в радиочастотные посылки и обратно. Преимуществами беспроводной связи являются:
Основным недостатком данного вида связи является необходимость организационной и технической защиты высоко расположенных антенн радиомодемов от грозовых разрядов.
Преимуществами радио-модемной связи при развертывании системы удаленного мониторинга являются:
Организация связи
При прокладке линии RS485 кабелем «витая пара» между радиомодемом и приборами Гигротермон, в целях достижения надежной связи между приборами и ПК, рекомендуется придерживаться рекомендаций, изложенных в разделе «Особенности организации сети», а так же следующих ограничений:
к одному радиомодему Невод-5 могут быть подключены от 1-го до 32 приборов Гигротермон;
При использовании в составе сети больше 2-х радиомодемов рекомендуется использование схемы расположения антенн типа «звезда» (без ретрансляции сигналов). При этом центральная антенна должна быть ненаправленной.
Для связи с приборами в программе «Гигротермон-АРМ» или «Гигротермон-Монитор» необходимо настроить адрес СОМ-порта, к которому подключен радиомодем диспетчера, скорость соединения и сетевые адреса приборов.