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).
Ранее на нашем сайте мы уже рассматривали аналогичный проект на основе модуля ESP32.
Необходимые компоненты
- Плата Arduino Pro Mini (купить на AliExpress).
- Модуль LoRa.
- 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 |
// project-specific definitions // project-specific definitions #define CFG_eu868 1 //#define CFG_us915 1 //#define CFG_au915 1 //#define CFG_as923 1 // #define LMIC_COUNTRY_CODE LMIC_COUNTRY_CODE_JP /* for as923-JP; also define CFG_as923 */ //#define CFG_kr920 1 //#define CFG_in866 1 #define CFG_sx1276_radio 1 |
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:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 |
// This EUI must be in little-endian format, so least-significant-byte // first. When copying an EUI from ttnctl output, this means to reverse // the bytes. For TTN issued EUIs the last bytes should be 0xD5, 0xB3, // 0x70. static const u1_t PROGMEM APPEUI[8] = { 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00 }; void os_getArtEui (u1_t* buf) { memcpy_P(buf, APPEUI, 8); } // This should also be in little endian format, see above. static const u1_t PROGMEM DEVEUI[8] = { 0xFF, 0x43, 0x45, 0xD0, 0xDE, 0xD5, 0xB3, 0x70 }; void os_getDevEui (u1_t* buf) { memcpy_P(buf, DEVEUI, 8); } static const u1_t PROGMEM APPKEY[16] = { 0xBB, 0xAB, 0xAA, 0xD6, 0x47, 0x5A, 0xAC, 0xBC, 0x36, 0xAC, 0x22, 0x4A, 0xF2, 0x78, 0x33, 0x72 }; |
Теперь нам необходимо сконфигурировать контакты модуля, внутри текста примера вы увидите следующую структуру данных:
1 2 3 4 5 6 |
const lmic_pinmap lmic_pins = { .nss = 5, .rxtx = LMIC_UNUSED_PIN .rst = 4, .dio = {34, 35, LMIC_UNUSED_PIN}, }; |
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).
1 2 3 |
// DHT digital pin and sensor type #define DHTPIN 5 #define DHTTYPE 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.
1 2 3 4 5 6 7 8 |
LMIC_setLinkCheckMode(0); // Set the data rate to Spreading Factor 7. This is the fastest supported rate for 125 kHz channels, and it // minimizes air time and battery power. Set the transmission power to 14 dBi (25 mW). LMIC_setDrTxpow(DR_SF7,14); // in the US, with TTN, it saves join time if we start on subband 1 (channels 8-15). This will // get overridden after the join by parameters from the network. If working with other // networks or in other regions, this will need to be changed. LMIC_selectSubBand(1); |
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)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 |
* The Things Network - Sensor Data Example * * Пример передачи пакетов LoRaWAN с данными температуры и влажности от датчика DHT22 * в сеть вещей (The Things Network) с помощью Feather M0 LoRa. * * Learn Guide: https://learn.adafruit.com/the-things-network-for-feather * * Copyright (c) 2015 Thomas Telkamp and Matthijs Kooijman * Copyright (c) 2018 Terry Moore, MCCI * Copyright (c) 2018 Brent Rubell, Adafruit Industries * * Permission is hereby granted, free of charge, to anyone * obtaining a copy of this document and accompanying files, * to do whatever they want with them without any restriction, * including, but not limited to, copying, modification and redistribution. * NO WARRANTY OF ANY KIND IS PROVIDED. *******************************************************************************/ #include <lmic.h> #include <hal/hal.h> #include <SPI.h> // библиотека для работы с датчиком DHT22 #include "DHT.h" // контакт, к которому подключен датчик DHT и его тип #define DHTPIN 5 #define DHTTYPE DHT22 // // For normal use, we require that you edit the sketch to replace FILLMEIN // with values assigned by the TTN console. However, for regression tests, // we want to be able to compile these scripts. The regression tests define // COMPILE_REGRESSION_TEST, and in that case we define FILLMEIN to a non- // working but innocuous value. // #ifdef COMPILE_REGRESSION_TEST #define FILLMEIN 0 #else #warning "You must replace the values marked FILLMEIN with real values from the TTN control panel!" #define FILLMEIN (#dont edit this, edit the lines that use FILLMEIN) #endif // This EUI must be in little-endian format, so least-significant-byte // first. When copying an EUI from ttnctl output, this means to reverse // the bytes. For TTN issued EUIs the last bytes should be 0xD5, 0xB3, // 0x70. static const u1_t PROGMEM APPEUI[8] = { 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00 }; void os_getArtEui (u1_t* buf) { memcpy_P(buf, APPEUI, 8); } // This should also be in little endian format, see above. static const u1_t PROGMEM DEVEUI[8] = { 0xF5, 0x33, 0x05, 0xD0, 0x7E, 0xD5, 0xB3, 0x70 }; void os_getDevEui (u1_t* buf) { memcpy_P(buf, DEVEUI, 8); } // This key should be in big endian format (or, since it is not really a // number but a block of memory, endianness does not really apply). In // practice, a key taken from ttnctl can be copied as-is. static const u1_t PROGMEM APPKEY[16] = { 0xB8, 0x2B, 0xEA, 0xC6, 0x49, 0x5A, 0xAC, 0xBC, 0x36, 0xAC, 0x22, 0x4A, 0xF2, 0x78, 0x33, 0x72 }; void os_getDevKey (u1_t* buf) { memcpy_P(buf, APPKEY, 16); } // payload to send to TTN gateway static uint8_t payload[5]; static osjob_t sendjob; // Schedule TX every this many seconds (might become longer due to duty // cycle limitations). const unsigned TX_INTERVAL = 30; // Pin mapping for Adafruit Feather M0 LoRa // /!\ By default Adafruit Feather M0's pin 6 and DIO1 are not connected. // Please ensure they are connected. const lmic_pinmap lmic_pins = { .nss = 9, .rxtx = LMIC_UNUSED_PIN, .rst = 10, .dio = {8, 7, LMIC_UNUSED_PIN}, }; // инициализируем датчик DHT DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); void printHex2(unsigned v) { v &= 0xff; if (v < 16) Serial.print('0'); Serial.print(v, HEX); } void onEvent (ev_t ev) { Serial.print(os_getTime()); Serial.print(": "); switch(ev) { case EV_SCAN_TIMEOUT: Serial.println(F("EV_SCAN_TIMEOUT")); break; case EV_BEACON_FOUND: Serial.println(F("EV_BEACON_FOUND")); break; case EV_BEACON_MISSED: Serial.println(F("EV_BEACON_MISSED")); break; case EV_BEACON_TRACKED: Serial.println(F("EV_BEACON_TRACKED")); break; case EV_JOINING: Serial.println(F("EV_JOINING")); break; case EV_JOINED: Serial.println(F("EV_JOINED")); { u4_t netid = 0; devaddr_t devaddr = 0; u1_t nwkKey[16]; u1_t artKey[16]; LMIC_getSessionKeys(&netid, &devaddr, nwkKey, artKey); Serial.print("netid: "); Serial.println(netid, DEC); Serial.print("devaddr: "); Serial.println(devaddr, HEX); Serial.print("AppSKey: "); for (size_t i=0; i<sizeof(artKey); ++i) { if (i != 0) Serial.print("-"); printHex2(artKey[i]); } Serial.println(""); Serial.print("NwkSKey: "); for (size_t i=0; i<sizeof(nwkKey); ++i) { if (i != 0) Serial.print("-"); printHex2(nwkKey[i]); } Serial.println(); } // Disable link check validation (automatically enabled // during join, but because slow data rates change max TX // size, we don't use it in this example. LMIC_setLinkCheckMode(0); break; /* || This event is defined but not used in the code. No || point in wasting codespace on it. || || case EV_RFU1: || Serial.println(F("EV_RFU1")); || break; */ case EV_JOIN_FAILED: Serial.println(F("EV_JOIN_FAILED")); break; case EV_REJOIN_FAILED: Serial.println(F("EV_REJOIN_FAILED")); break; break; case EV_TXCOMPLETE: Serial.println(F("EV_TXCOMPLETE (includes waiting for RX windows)")); if (LMIC.txrxFlags & TXRX_ACK) Serial.println(F("Received ack")); if (LMIC.dataLen) { Serial.println(F("Received ")); Serial.println(LMIC.dataLen); Serial.println(F(" bytes of payload")); } // расписание следующей передачи os_setTimedCallback(&sendjob, os_getTime()+sec2osticks(TX_INTERVAL), do_send); break; case EV_LOST_TSYNC: Serial.println(F("EV_LOST_TSYNC")); break; case EV_RESET: Serial.println(F("EV_RESET")); break; case EV_RXCOMPLETE: // data received in ping slot Serial.println(F("EV_RXCOMPLETE")); break; case EV_LINK_DEAD: Serial.println(F("EV_LINK_DEAD")); break; case EV_LINK_ALIVE: Serial.println(F("EV_LINK_ALIVE")); break; /* || This event is defined but not used in the code. No || point in wasting codespace on it. || || case EV_SCAN_FOUND: || Serial.println(F("EV_SCAN_FOUND")); || break; */ case EV_TXSTART: Serial.println(F("EV_TXSTART")); break; case EV_TXCANCELED: Serial.println(F("EV_TXCANCELED")); break; case EV_RXSTART: /* do not print anything -- it wrecks timing */ break; case EV_JOIN_TXCOMPLETE: Serial.println(F("EV_JOIN_TXCOMPLETE: no JoinAccept")); break; default: Serial.print(F("Unknown event: ")); Serial.println((unsigned) ev); break; } } void do_send(osjob_t* j){ // Check if there is not a current TX/RX job running if (LMIC.opmode & OP_TXRXPEND) { Serial.println(F("OP_TXRXPEND, not sending")); } else { // считываем значение температуры с датчика DHT22 float temperature = dht.readTemperature(); Serial.print("Temperature: "); Serial.print(temperature); Serial.println(" *C"); // adjust for the f2sflt16 range (-1 to 1) temperature = temperature / 100; // считываем значение влажности с датчика DHT22 float rHumidity = dht.readHumidity(); Serial.print("%RH "); Serial.println(rHumidity); // adjust for the f2sflt16 range (-1 to 1) rHumidity = rHumidity / 100; // float -> int // note: this uses the sflt16 datum (https://github.com/mcci-catena/arduino-lmic#sflt16) uint16_t payloadTemp = LMIC_f2sflt16(temperature); // int -> bytes byte tempLow = lowByte(payloadTemp); byte tempHigh = highByte(payloadTemp); // place the bytes into the payload payload[0] = tempLow; payload[1] = tempHigh; // float -> int uint16_t payloadHumid = LMIC_f2sflt16(rHumidity); // int -> bytes byte humidLow = lowByte(payloadHumid); byte humidHigh = highByte(payloadHumid); payload[2] = humidLow; payload[3] = humidHigh; // prepare upstream data transmission at the next possible time. // transmit on port 1 (the first parameter); you can use any value from 1 to 223 (others are reserved). // don't request an ack (the last parameter, if not zero, requests an ack from the network). // Remember, acks consume a lot of network resources; don't ask for an ack unless you really need it. LMIC_setTxData2(1, payload, sizeof(payload)-1, 0); } // Next TX is scheduled after TX_COMPLETE event. } void setup() { delay(5000); while (! Serial); Serial.begin(9600); Serial.println(F("Starting")); dht.begin(); // LMIC init os_init(); // Reset the MAC state. Session and pending data transfers will be discarded. LMIC_reset(); // Disable link-check mode and ADR, because ADR tends to complicate testing. // Start job (sending automatically starts OTAA too) do_send(&sendjob); } void loop() { // we call the LMIC's runloop processor. This will cause things to happen based on events and time. One // of the things that will happen is callbacks for transmission complete or received messages. We also // use this loop to queue periodic data transmissions. You can put other things here in the `loop()` routine, // but beware that LoRaWAN timing is pretty tight, so if you do more than a few milliseconds of work, you // will want to call `os_runloop_once()` every so often, to keep the radio running. os_runloop_once(); } |
Все необходимые файлы для проекта вы можете скачать по следующей ссылке.