Технология LoRa отлично подходит не только для сбора информации с удалённых датчиков. Её можно использовать как основу системы для обмена сообщениями. Именно такую систему я воплотил в жизнь в виде персонального коммуникатора Armachat. Для меня это самый настоящий учебный проект, на котором я оттачивал навыки создания печатных плат с беспроводными модулями и графическими дисплеями. Устройство питается от аккумулятора, оно представляет собой нечто вроде высокотехнологичной портативной рации, поддерживающей обмен текстовыми сообщениями. При этом для сборки этой рации нужно сравнительно мало компонентов — всего около 25.

Для этого проекта я, чтобы удобнее было выполнять паяльные работы, выбрал микроконтроллер SAMD21E18 в корпусе TQFP32 (того же размера, что и популярный контроллер ATmega328). Правда, к сожалению, этот микроконтроллер продаётся пустым. Для того чтобы прошить в него загрузчик, необходимо специальное устройство — Atmel-ICE. Прошивка загрузчика оказалась самой сложной частью проекта. А в остальном тому, кто решит воспроизвести мой проект, никаких специальных инструментов не понадобится. Всё, что нужно, собрано на плате коммуникатора. А на передней панели, что необязательно, можно разместить подсветку клавиатуры.


Сначала я назвал моё устройство «Armageddon communicator» (отсюда и его теперешнее название — «Armachat»), но я не думаю, что оно способно пережить какую-нибудь воображаемую всемирную катастрофу.

Программная часть устройства пока не готова полностью. Но уже сейчас можно составлять и сохранять сообщения, можно их отправлять и принимать (с подтверждением доставки), можно повторно отправлять с устройства на устройство неотправленные сообщения с высокой вероятностью их успешной доставки.

Более свежая версия коммуникатора, Ergo, с разделённой клавиатурой:

Почему я использовал SAMD21E18

Я выбрал для изготовления Armachat именно этот контроллер по следующим причинам: он совместим с Arduino, потребляет мало энергии, имеет встроенную поддержку USB, поддерживает USB OTG, имеет много флеш-памяти, для него существует MSD-загрузчик от Adafruit, обновление его прошивки выглядит так же, как запись данных на USB-диск. Он ещё и недорого стоит.

А если говорить об энергопотреблении SAMD21E18, то оно и правда очень низкое. Полное энергопотребление Armachat с включённым дисплеем — 60 мА: 20 мА потребляет модуль LoRa, ещё 20 мА — подсветка дисплея и ещё 20 мА — микроконтроллер. Мне удалось загрузить Armachat и заняться отправкой сообщений, используя питание от генератора Стирлинга.

Материалы

• Печатные платы — главная плата и плата передней панели.
• Радиомодуль LoRa — RFM95W. 868 МГц для Европы, 915 МГц для США. Или — эквивалентный модуль, подходящий для использования там, где вы живёте.
• Микроконтроллер SAMD21E18A-AU в корпусе TQFP32.
• LDO-регулятор напряжения на 3,3 В — AP2114H-3.3TRG1.
• Контроллер заряда аккумулятора — MCP73831.
• MOSFET-транзисторы — BSS123 (3).
• Микропереключатели DTS-63K, сила переключения 1 Н (30).
• Микропереключатель TACTM-35N-F.
• Литий-ионный аккумулятор формата 18650.
• Аккумуляторный отсек — BHC-18650-1P.
• Micro-USB порт — Molex MX-105017-0001.
• LCD-дисплей — 1,8 дюйма TFT LCD, 128x160, ST7735, например, такой.
• Резисторы, 0603, SMD — 1,5 кОм (2), 4,7 кОм (7), 10 Ом (1).
• Конденсаторы, 0603 — 100 мкФ (2), 1 мкФ (1), 4,7 мкФ (4).
• Танталовый конденсатор 1206, SMD — T491A107M004AT, 4 В, 100 мкФ.
• Краевой SMA-разъём под коаксиальный кабель Adam Tech RF2-143-T-17-50-G или RF2-145A-T-17-50-G-HDW.
• Излучатель звука, SMD — LD-BZEL-T61-0505.
• Светодиод, 0603, красный, для индикатора заряда аккумулятора.
• Антенна — GSM-ANT-SV03 SMA Male. Должна соответствовать используемой частоте LoRa.
• Переключатель питания (движковый) — C&K Components JS202011AQN или Ninigi MSS-2245.
• Крепёжные винты — M2×5 мм (12).
• Распорные болты — M2×5 мм (6).
• Светодиоды, 0802, Right Angle Package, зелёные (30) (необязательно) для подсветки клавиатуры.
• Резистор, 0603, 100 Ом (необязательно) для подсветки клавиатуры.

Инструменты и программы

• Паяльник и припой (подходящие для работы с компонентами для поверхностного монтажа).
• Отвёртки.
• Программатор Atmel-ICE.
• Компьютер с установленными на нём программами:

Сборка устройства

Собрать мой коммуникатор довольно просто. Я собрал два десятка прототипов, используя лишь ручную пайку, и никаких проблем у меня не возникло.

1. Монтаж элементов на печатной плате

Рис. A

На плате (Рис. A) нужно распаять микроконтроллер, а также все активные и пассивные компоненты (за исключением дисплея, модуля LoRa, кнопок и SMA-разъёма для антенны), ориентируясь на указания, которые имеются на плате.

2. Программирование микроконтроллера

Для записи загрузчика в SAMD21E18, я использую Arduino IDE и программатор Atmel-ICE.

Рис. B

В меню Arduino IDE нужно пройти по пути Arduino > Preferences > Additional Boards Manager URLs и добавить в соответствующее поле (Рис. B) следующий URL:

https://www.mattairtech.com/software/arduino/beta/package_MattairTech_index.json

Рис. C

Затем в меню Tools надо выбрать пункт Boards Manager и установить MattairTech. После завершения установки нужно пройти по пути Tools > Boards и выбрать плату MattairTech MT-D21E (rev B) (Рис. C).

Рис. D

После того, как будет выбрана эта плата, в меню Tools появятся новые настройки (Рис. D). Там надо выбрать следующее:

• Clock Source: INTERNAL_OSCILLATOR
• Serial Config: ONE_UART_ONE_WIRE_TWO_SPI

Рис. E

Теперь надо подключить плату программатора Atmel-ICE к нашей плате, к контактам GND, VCC, SWC, SWD и RST (Рис. E).

В меню Tools надо выбрать Programmer: Atmel-ICE. Затем нужно воспользоваться командой Burn Bootloader. Теперь можно загружать на устройство скетчи по USB.

‣ Альтернативный вариант: В Atmel Studio запишите специальный файл ARMABOOT.bin, который можно найти на моей GitHub-странице. После этого загружать прошивки на устройство можно будет, перетаскивая файлы мышью, как при работе с обычным USB-диском.

3. Загрузка первой прошивки

Если на устройство прошит файл ARMABOOT.bin — подключите Armachat к компьютеру по USB и дважды нажмите на кнопку RESET для активации загрузчика.

Если к вашему Armachat уже подключён дисплей — он начнёт мигать.

Скопируйте файл first.uf2, который можно найти на моей GitHub-странице, на диск, появившийся в системе после подключения Armachat. Подождите завершения записи и снова нажмите на RESET. Если вы услышали звуковой сигнал — значит прошивка заработала.

UF2-прошивки можно создавать и самостоятельно. Для этого вам понадобятся следующие библиотеки (их можно найти и на моей GitHub-странице):

• playground.arduino.cc/Code/Keypad
• github.com/adafruit/Adafruit-GFX-Library
• github.com/adafruit/Adafruit-ST7735-Library
• github.com/sandeepmistry/arduino-LoRa
• github.com/cmaglie/FlashStorage

Ещё вам понадобится исходный код отсюда. Скомпилируйте этот код и загрузите на устройство с использованием Arduino IDE.

4. Пайка оставшихся компонентов

Рис. F

Теперь к плате нужно припаять дисплей (Рис. F), после чего на плату можно подать питание. Если на дисплей выводятся сообщения — значит, плата работает. Если дисплей чист — попробуйте понажимать на кнопку RESET или нажать её и удерживать. Если это не помогло — проверьте шлейф дисплея. После того, как дисплей заработает, можно приклеить его к плате.

Рис. G

Рис. H

Теперь (Рис. G) надо припаять к плате LoRa-модуль. Если после этого подать на плату питание и на экране будет выведено LoRa init succeeded — это значит, что всё идёт по плану. Если такая надпись выведена не будет — надо проверить подключение радиомодуля к плате.

Рис. I

И, наконец, нужно припаять к плате кнопки и SMA-разъём для антенны (Рис. I).

5. Подсветка передней панели (необязательно)

Рис. J

Это необязательный шаг, на котором нужно припаять к передней панели соответствующие светодиоды. Мне хотелось сделать качественную подсветку клавиатуры, поэтому я использовал 30 светодиодов — по одному для каждой кнопки (Рис. J). После пайки передняя панель крепится к устройству с помощью распорных болтов и винтов M2.

Использование Armachat

Рис. K

Управление коммуникатором осуществляется с использованием «горячих клавиш». На Рис. K показан главный экран. В надписях, выведенных на нём, можно увидеть упоминание этих клавиш.

Рис. L

S: Setup — открывает раздел, где можно настроить параметры LoRa — частоту, другие параметры передачи данных, установить свой ID от 0 до 10 (Рис. L).

Рис. M

С: Contacts — открывает адресную книгу, которая (пока) рассчитана на 10 записей с фиксированными именами (Рис. M). Я работаю над новой прошивкой, которая позволит пользователям Armachat выбирать собственное имя, которое автоматически будет синхронизировано с адресными книгами тех, с кем они общаются.

N: New message — новое сообщение. Клавиши клавиатуры имеют различные функции, на них влияет клавиша Alt. Так, в режиме «нижнего регистра» клавиша Enter отправляет сообщение. В других режимах она играет роль клавиши-стрелки «Вправо», а Del играет роль клавиши-стрелки «Влево». Кнопка Пробел позволяет вводить пробелы, точки и запятые.

После отправки сообщения Armachat ожидает подтверждения его доставки. Если доставка не подтверждена — сообщение сохраняется в памяти с атрибутом undelivered, указывающем на то, что оно не доставлено получателю.

Устройства Armachat при включении отправляют сообщение alive. Каждое устройство, получившее подобное сообщение, пытается отправить недоставленные сообщения.

Рис. N

M: Messages — этот раздел позволяет читать новые сообщения и даёт доступ к отправленным/полученным/недоставленным сообщениям (Рис. N).

Как видите, программная часть Armachat устроена очень просто, но я напряжённо работаю над её новыми функциями. LoRa открывает перед нами практически безграничные сетевые возможности, в число которых входит маршрутизация, перенаправление, шифрование сообщений. А само устройство на данном этапе работы имеет большой объём свободной флеш-памяти и немалую незадействованную вычислительную мощь.

Исследования расстояния передачи сообщений

Технология LoRa известна тем, что позволяет передавать данные на значительные расстояния. Вот каких максимальных расстояний передачи данных мне удалось достичь с использованием Armachat в моём посёлке с учётом того, что приёмник и передатчик разделяло не свободное пространство, а небольшие холмы и строения, и того, что устройство использовалось на максимальной мощности и с параметром Spread factor, установленным в значение 12:

• 700 метров до шлюза, находящегося в саду, на террасе.
• 1500 метров до шлюза, закреплённого на окне, на высоте примерно 4 метра над землёй.
• 4300 метров до шлюза, установленного на окне чердака — примерно в 10 метрах над землёй.

Конечно, расстояние, на котором можно установить LoRa-связь, сильно зависит от антенны, от препятствий, которые имеются на пути радиосигнала, и от настроек радиочасти устройства.

Итоги

Устройство, о котором я рассказал, это в конечном счёте учебный проект, предназначенный для экспериментов с LoRa и для изучения высокотехнологичных сторон Arduino. Благодаря этому проекту я углубил свои знания в следующих сферах:

• Чтение данных с QWERTY-клавиатуры.
• Создание и вывод графики.
• Проектирование пользовательских интерфейсов.
• Хранение данных во флеш-памяти.
• Отправка данных по радиоканалу или по USB.
• Работа с I2C-датчиками.
• Обработка GPS-данных.

Рис. O

Сейчас я работаю над новым вариантом Armachat — над платой Ergo. Она предусматривает использование разделённой клавиатуры, работать с которой проще и удобнее, чем с обычной. Тут в одной из новых плат используется тот же микроконтроллер и тот же LoRa-модуль, что и в исходном варианте Armachat, но другой дисплей (1,3 дюйма, 240×240 ST7759 IPS). А в другой — модуль RAK4260 производства RAKwireless Technology. В нём Microchip ATSAMR34J18 SiP объединён с возможностями LoRa (Рис. O). Это позволяет упростить плату, на которой, помимо этого чипа, нужно разместить лишь модуль заряда аккумулятора, регулятор напряжения на 3,3 В и излучатель звука.

И, наконец, я создал компактную версию Armachat без клавиатуры, но — с USB-портом для подключения внешней клавиатуры. Она называется Nano, а её размеры составляют всего 4x4 см. Я работаю над новой прошивкой, которая позволит использовать эту плату в виде миниатюрного репитера или ресивера.

Если говорить о других проектах, напоминающих Armachat, то среди них можно отметить Meshtastic и Disaster.radio.