Связь Arduino с сетью вещей (TTN) с помощью модуля LoRa HPD13A


В одной из предыдущих статей на нашем сайте мы уже рассматривали подключение к плате Arduino модуля LoRa SX1278 (Ra-02) и осуществление связи между двумя платами Arduino с помощью этих модулей. И тот достаточно простой проект может быть использован в ряде приложений. Но что делать когда требуется установить связь с современными приложениями интернета вещей (IoT). Для решения данной проблемы в этой статье мы рассмотрим подключение к плате Arduino модуля LoRa HPD13A и установление связи с его помощью с сетью вещей (TTN, the things network). Таким образом мы получим возможность обмена данными с приложениями интернета вещей (IoT-related applications).

Внешний вид проекта связи Arduino с сетью вещей (TTN) с помощью модуля LoRa HPD13A

Ранее на нашем сайте мы уже рассматривали аналогичный проект на основе модуля ESP32.

Необходимые компоненты

  1. Плата Arduino Pro Mini (купить на AliExpress).
  2. Модуль LoRa.
  3. Датчик температуры и влажности DHT22 (купить на AliExpress).

Принципы работы модуля LoRa HPD13A (SX1276)

Распиновка модуля LoRa HPD13A (SX1276)

Распиновка модуля LoRa HPD13A (SX1276) показана на рисунке ниже. Для данного проекта мы будем использовать модуль LoRa HDP13A V1.1, разработанный и выпускаемый фирмой HPDTeK, хорошо известной в Китае.

Распиновка модуля LoRa HPD13A (SX1276)

Назначение контактов модуля:

GND – контакт общего провода (земли), в нашем проекте его необходимо подключить к контакту Ground платы Arduino (или любого другого микроконтроллера, который вы захотите использовать в проекте).

SDO (MISO): контакт последовательной передачи данных (Serial Data Out) в интерфейсе SPI.

SDI (MOSI): контакт последовательного приема данных (Serial Data In) в интерфейсе SPI.

SCK: линия синхронизации в интерфейсе SPI. В нашем случае синхронизирующие импульсы будут вырабатываться микроконтроллером (платой Arduino).

SEL: контакт выбора ведомого устройства (Chip Select) в интерфейсе SPI. Активируется ведущим устройством для передачи данных конкретному ведомому.

RST: контакт сброса (Reset pin), используется для сброса модуля до его первоначального значения.

IO(2-5): контакт ввода/вывода (GPIO pin) модуля LoRa. Может быть установлен в состояние High или Low программным способом.

ANT: контакт для подключения антенны к модулю. Необходимо подключать "корректную" антенну, в соответствии с даташитом на модуль.

VCC: контакт подачи питания на модуль, его необходимо подключать к источнику с напряжением 3.3V.

Модуль LoRa SX1276 868 MHZ

Для данного проекта мы будем использовать модуль LoRa, работающий на частоте 868 МГц, разработанный и производимый компанией SEMTECH. Модуль очень прост в использовании, дешево стоит, отличается хорошей энергоэффективностью и может быть использован в различных приложениях.

Внешний вид модуля LoRa SX1276

Приемопередатчики SX1276/77/78/79 включают в себя модемы LoRaTM дальнего радиуса действия, использующие широкополосные сигналы для связи, что делает их мало восприимчивыми к воздействию помех. Используя модуль SX1276 можно достичь чувствительности -148 дБм, что весьма впечатляет на таком дешевом кристалле.

Разница между модулями Lora HPD13A SX1276 и RFM95W

Как вы можете видеть на рисунке ниже наименование модуля написанное на его корпусе – HPD13A. А списке товаров на сайте производителя он значится как модуль Lora SX1276. На первый взгляд это может немного смущать.

Мы сняли крышку модуля и посмотрели что у него внутри. Как видно из рисунка ниже имя компании HPDTek напечатано на модуле и поэтому она использует свой собственный номер для его нумерации, но под крышкой видно что этот модуль построен на основе микросхемы SX1276 LoRa.

Внешний вид модуля SX1276 при снятой крышке

Теперь остается вопрос в чем же разница между модулями RFM95W и HX1276. По своей сути это одинаковые модули и характеристики у них одинаковые и оба они используют технологию LoRa. На представленных выше рисунках вы можете видеть разницу между этими двумя модулями. HopeRF работает по лицензии Semtech. Модуль RFM95W идентичен модулям семейства SX127x и его контакты и программное обеспечение совместимо с ними.

Внешний вид модуля RFM95W при снятой крышке

Изготовление переходной платы для работы с модулем

Если вы посмотрите на контакты модуля LoRa, то вы увидите что они явно не "дружественны" по отношению к макетной плате. Чтобы преодолеть этот недостаток можно изготовить либо переходную плату (breakout board), припаяв к ней контакты модуля, либо использовать печатную плату (PCB). Для нашего проекта мы выбрали первый вариант поскольку он проще. Изготовленная нами переходная плата для модуля показана на следующем рисунке.

Изготовленная нами переходная плата для модуля LoRa

Изначально модуль HPA13A поставляется с металлической крышкой, которая уменьшает воздействие на него электромагнитных излучений и помех. Мы эту крышку в нашем проекте снимали чтобы посмотреть что находится внутри модуля.

Наиболее часто задаваемые вопросы про модуль LoRa

Что такое модуляция LoRa?
LoRa – это метод беспроводной передачи сигналов, основанный на расширении спектра сигнала с помощью линейной-частотной модуляции (Chirp Spread Spectrum, CSS). В LoRa для передачи сигналов посредством радиоволн используются импульсы с линейной частотной модуляцией (chirp pulses) – аналогичный способ связи между собой используют дельфины и летучие мыши. Модуляция LoRa устойчива к воздействию различных помех и может быть использована для связи на большие расстояния.

Какова дальность действия технологии LoRa?
Сама по себе аббревиатура LoRa расшифровывается как long-range, что означает в переводе "дальнего радиуса действия". Разработанная компанией Semtech, технология LoRa способна обеспечить связь на расстояние до 5 км в городских условиях и до 15 км в сельской местности.

Разрешена ли технология LoRa в России?
Да, в России для нее выделен частотный диапазон 868 МГц, поэтому модули LoRa работающие на данной частоте разрешены к применению в России. И в сети интернет можно найти информацию о российских компаниях, выпускающих различное оборудование на основе технологии LoRa – в основном, это датчики учета расхода воды, тепла и т.д. А вот модули LoRa 433 МГц не разрешены для использования в России – этот частотный диапазон используется в России для работы других служб.

Могут ли модули LoRa работать без антенны?
Нет, антенна настроена для работы на определенных частотах. К примеру, для технологии WiFi это частоты 2.4Ghz или 5Ghz, а для LoRa – набор частот в диапазоне от 166 до 915 МГц. Использование неправильной антенны приведет к невозможности передачи/приема сигналов в необходимом частотном диапазоне.

Схема проекта

Схема подключения модуля LoRa HPD13A к плате Arduino представлена на следующем рисунке.

Схема подключения модуля LoRa HPD13A к плате ArduinoКак видно из представленной схемы мы подключили модуль SX1276 к плате Arduino по интерфейсу SPI. Более подробно об использовании данного интерфейса в платах Arduino вы можете прочитать в этой статье. Также мы подключили датчик температуры и влажности к контакту 5 платы Arduino. В данном проекте мы используем плату Arduino Pro Mini и поскольку модуль SX1276 не толерантен к напряжению 5V мы запитываем плату Arduino Pro Mini от 3.3V с помощью конвертера USB to Uart.

Какой метод активации использовать – TTN ABP или OTAA

Каждое оконечное устройство должно быть зарегистрировано в сети перед передачей и приемом сообщений. Эта процедура называется активацией. Доступны два метода активации:

  • Over-The-Air-Activation (OTAA) – беспроводная активация, "по воздуху". Самый безопасный и рекомендованный метод активации для оконечных устройств. Устройства выполняют процедуру присоединения к сети, во время которой им присваивается динамический адрес и выделяются ключи безопасности;
  • Activation By Personalization (ABP) – требует "жесткого" аппаратного вмешательства в работу устройства для изменения его адреса и ключей безопасности, выданных ему. Процедура ABP менее безопасна чем OTAA, также в этом случае недостатком является то, что устройство не может сменить провайдера сети без ручного изменения ключей устройства.

Процедура присоединения для стандартов LoRaWAN 1.0.x и 1.1 немного отличается. В следующих разделах статьи рассматриваются процедуры присоединения к LoRaWAN 1.0.x и 1.1 по отдельности.

Если вы хотите получить более подробную информацию относительно процесса активации устройств в сетях TTN, вам необходимо посмотреть официальную документацию на веб-сайте TTN.

Установка оконечных узлов для сети вещей

Для передачи данных в сеть вещей (TTN Network) вам сначала нужно настроить шлюз, а потом настроить оконечные узлы (End Nodes). Подробно данный процесс описан в аналогичном проекте на основе модуля ESP32.

Объяснение программы для Arduino

Полный код программы приведен в конце статьи, здесь же мы кратко рассмотрим его основные фрагменты.

Код нашей программы для взаимодействия с модулем Lora HPD13A SX1276 сравнительно простой. Для этого необходимо всего лишь скачать библиотеку arduino-lmic от mcci-catena и использовать код ее примера для взаимодействия с модулем SX1276. Но в нашем проекте мы будем делать немного больше чем предусматривает код данного примера, а именно передавать данные счетчика в сеть вещей (TTN) и наблюдать в режиме реального времени за его обновлениями.

После установки библиотеки arduino-lmic необходимо ее настроить для работы с модулем SX1276. Для этого необходимо открыть каталог куда устанавливаются библиотеки Arduino по умолчанию.

В нашем случае необходимо открыть файл C:\Users\USER\Documents\Arduino\libraries\arduino-lmic-master\project_config. В нем необходимо раскомментировать строки CFG_eu868 1 и CFG_sx1276_radio 1 и закомментировать все остальные строки.

После этого откройте пример скетча TTN-OTAA расположенный по адресу File > Examples > MCCI LoRaWAN LMIC Library > ttn-otaa-feather-us915-dht22 и немного измените этот код чтобы сделать его совместимым с модулем SX1276.

В него необходимо добавить такие параметры как APPEUI (Application Extended Unique Identifier), DEVEUI (Device Extended Unique Identifier), APPKEY(Application Key) как показано в следующем фрагменте кода:

Теперь нам необходимо сконфигурировать контакты модуля, внутри текста примера вы увидите следующую структуру данных:

В этой структуре нам необходимо назначить контакты NSS, RST, IO0 и IO1. После этого нам необходимо указать в программе к какому контакту платы подключен датчик температуры и влажности и указать тип этого датчика (в нашем случае это DHT22).

И после этого нам необходимо удалить часть функций поскольку они используются для установки частоты и мощности передачи. Если мы это не сделаем, то у нас возникнут ошибки в программе.

Когда это будет сделано мы можем компилировать код программы и загружать его в плату Arduino. Если все работает корректно, вы сначала увидите в окне монитора последовательной связи ход процесса аутентификации, а затем в него будут выводиться значения температуры.

Тестирование работы проекта

На представленном видео вы можете увидеть процесс работы нашего модуля LoRa. Код программы мы написали таким образом, что при инкрементировании счетчика его значение выводится в окне монитора последовательной связи, также мы можем видеть его значение на странице TTN.

Исходный код программы (скетча)

Все необходимые файлы для проекта вы можете скачать по следующей ссылке.

Источник статьи

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
20 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.