Comments 68
Дальняя радиосвязь с LoRa на одноплатных микрокомпьютерах Repka Pi
Реальные измерения дальности не проводились?
Нет, так как очень зависит от условий, от частоты, типа антенн и их расположения, от помех на пути радиоволн и рельефа местности.
Такое исследование могло бы стать темой отдельной статьи, но все равно дальность надо проверять в условиях конкретных применений.
В даташите на модуль E32-868T20D говорится о дальности 3000 м на открытой местности с антенной 5 dBi на высоте 2.5 м и при скорости передачи данных по воздуху 2400 bps:
"Distance for reference: 3000 m. Test condition: clear and open area, antenna gain 5 dBi, antenna heght: 2.5 m, air data rate 2.4 kbps"
Разумеется есть модули помощнее, E90-DTU(400SL44), например, дает дальность до 40 км за счет большой мощности (25 Вт). Но тут уже надо оформлять все необходимые документы в соответствии с законодательством.
Нет, так как очень зависит от условий, от частоты, типа антенн и их расположения, от помех на пути радиоволн и рельефа местности.
Т.е. все эти рассуждения по поводу "LongRange" фактически ни о чем.
Есть формула Введенского, позволяющая оценить (зная мощность передатчика и чувствительность приемника) дальность связи на открытой местности. Есть теоретический предел дальности с учетом кривизны земной поверхности и высоты расположения антенны.
А есть еще конкретный рельеф местности, различные препятствия на пути радиосигнала (плотный лес, здания и т.п.).
И в результате всего этого вам обещали аж целых 8км, а по факту 500м и оп-па...
С безлицензионной связью не понаслышке знаком.
Разумеется есть модули помощнее, E90-DTU(400SL44), например, дает дальность до 40 км за счет большой мощности (25 Вт)
Ага. Только антенны при этом надо поднять на высоту 40м. Вот тут можно прикинуть - Расчёт дальности УКВ связи
Тут одной мощности мало. Нужна еще т.н. "оптическая видимость". УКВ волны - это не гаубица, они по параболе не умеют. Только по прямой и никак иначе.
Это все в горах познается очень хорошо. Обычные 5-ваттные (ну на антенне там где-то4.5Вт честных) переноски с более-менее прилично согласованным четвертьволновым диполем. С вершины на вершину - десятки километров устойчивая связь. С одной стороны перевала на другую уже на километре (а то и меньше) полная тишина. Даже несущей не видит.
Другое дело СБ - там уже всякие ионосферные отражения и т,п. Но там габариты и мощность уже иные.
Да, серебряной пули тут нет. Или есть какая-то альтернатива LoRa для дальней связи при относительно небольших затратах на оборудование?
Нету. Потому что LoRa имеет очень условное отношение к "дальней связи".
Вот пример.
По красной линии расстояние километра полтора. От силы два. Но никакая ЛоРа связи не обеспечит. Ни при каких условиях.
Только ставить ретранслятор на вершине горы, но это уже совсем иные затраты.
Перепад высоты там метров 60-70.
Т.е. это такое решение, которое может сработать в каких-то идеальных условиях. Например, в городе, если вам нужно собирать информацию с каких-то датчиков на домах - понатыкали девайсов на крышах и получили сеть с хорошим покрытием. Но это вовсе не "дальняя", а вполне себе локальная связь.
А вот если с одного конца города на другой, да нет высоких зданий в окрестности, тогда уже упс...
Иными словами, в каждом конкретном случае, прежде чем принимать решение использовать или нет, надо проводить исследования на конкретной местности. И может быть (!) оно заработает.
Конечно, без исследования тут никак. А насчет ретранслятора - цена модуля LoRa E32 с антенной и микрокомпьютера не так уж и высока. Просто добавляется еще один узел. И еще нужно решить вопрос электропитания, разумеется.
Ну и охраны, разумеется. Оставьте его в лесу без присмотра - сколько он проживет там? День? Три? Неделю?
И сколько потребуется таких ретрансляторов, если говорить о дальней связи (ну хотя бы километров 10 с парой-тройкой горок по дороге)?
Я не против ЛоРа как таковой. Идей хорошая. Но любую подачу информации о ней надо начинать с принципов радиосвязи и доведения до сведения того факта, что УКВ связь в принципе не для дальних рассеяний дешевыми способами. Что это вещь капризная, работает только в пределах прямой видимости. Еще и препятствия на пути не любит (тут еще можно про способность радиоволн огибать препятствия в зависимости от длины волны пояснить)
Вот это все надо упомянуть. Прежде всего остального.
Вот, например, сбор данных на обширной территории фабрики, которая уже огорожена и охраняется. Или на большом участке около загородного дома. Вот еще сбор данных со счетчиков в жилых домах.
А дешево или нет - это понятия условные. Разумеется, в промышленных применениях нужно подходить ко всему с умом и с расчетом.
И может быть (!) оно заработает.
До тех пор, пока между точками ВНЕЗАПНО не построят дом или не вырастет дерево :))
Фишка LoRa именно в том, что умеет заходить в зону оптической невидимости в городских условиях и иметь возможность работать хоть и на малой скорости, но на больших расстояниях, чем просто УКВ связь.
А можно физику процесса? С формулами? Без ссылок на чатгпт, а вот именно с формулами как эти волшебные волны так особенно распостраняются.
А то все это напоминает гаубицу, которая, если на бок положить, за угол стрелять начнет.
А то все это напоминает гаубицу, которая, если на бок положить, за угол стрелять начнет.
У вас спор с какой-то странной терминологией, судя по всему, самостоятельно выдумываемой на ходу обоими оппонентами.
Что такое «зона оптической видимости»? У меня вот до роутера оптической видимости нет, он вообще в другой комнате, а вайфай всё равно работает. Да и крышка ноутбука, под которой антенны стоят, оптически непрозрачная.
Модуляция LoRa позволяёт дёшево сделать приёмопередатчик с двусторонней связью, с приемлемой для ряда задач скоростью работающий с сигналами ниже уровня шума. Точка, абзац. Ничего другого она не позволяет.
Дальше всё определяется радиопоглощением среды на пути распространения сигнала. Где-то можно и 50+ км на лоре получить, где-то (в городе) 2-3 километра.
В чём смысл? В том, что на других модуляциях вы в таких условиях и на такой дальности вообще ничего не получите.
Все эти "километры" при наличии хорошей антенны и в чистом поле. В городе в такой конфигурации как на фото метров 300 при условии что принимающая нода на высоте 4 этажа, а вокруг частный сектор. И то если есть прямая видимость хотя бы через окно. Это при SF7. А при SF12 никакой батареи не напасешься. Так что "дальняя радиосвязь" это преувеличение.
На самом деле при необходимости с помощью LoRa, способной принимать сигнал ниже уровня шума, можно обеспечить большую дальность связи. Для этого нужно правильно располагать антенны, а также можно использовать ретрансляторы.
Что такое "сигнал ниже уровня шума"?
Есть вполне определенные критерии - чувствительность приемника. Если напряженность э/м поля (данного сигнала) в данной точке ниже чувствительности приемника - все. Никто ничего не принимает. Выше уровня шума, ниже - не важно.
Вот, например, ответ на этот вопрос, который сходу выдала ChatGPT:
Одной из особенностей LoRa является его способность принимать сигналы ниже уровня шума, что обеспечивает большую надежность связи и расширяет радиодальность.
Существуют несколько причин, почему LoRa E32 может принимать сигналы ниже уровня шума:
Модуляция Chirp Spread Spectrum (CSS): LoRa использует метод модуляции CSS, который имеет преимущество в чувствительности к слабым сигналам. Это означает, что модулятор и демодулятор LoRa способны обрабатывать сигналы, которые значительно ниже уровня шума. Модуляция CSS позволяет LoRa E32 достичь высокой чувствительности при приеме слабых сигналов.
Низкий уровень шума и динамический диапазон: LoRa E32 имеет низкий уровень шума и широкий динамический диапазон приема. Это позволяет ему эффективно извлекать слабые сигналы из фонового шума и обеспечивает прием сигналов на значительно более низком уровне, чем у других типов радиосистем.
Функция прямого расширения спектра (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS): LoRa использует технологию DSSS, которая помогает улучшить спектральную эффективность и устойчивость к помехам. Это позволяет LoRa E32 обрабатывать и восстанавливать сигналы даже при наличии сильных помех или слабых сигналов.
Адаптивная модуляция и кодирование (Adaptive Modulation and Coding, AMC): LoRa E32 может автоматически выбирать оптимальную модуляцию и кодирование для передачи данных в зависимости от условий канала. Это позволяет модулю успешно передавать данные даже при низком уровне сигнала и высоком уровне шума.
Преимущество приема сигнала ниже уровня шума состоит в том, что устройство может обнаруживать и декодировать слабые сигналы, которые обычно были бы несостоятельными или непригодными для других радиосистем. Это особенно полезно в сельской местности, горных районах или других удаленных местах, где существует много помех или сигналы должны проникать сквозь препятствия.
За счет своей способности принимать слабые сигналы, LoRa E32 может обеспечивать большую дальность связи. В отличие от других радиосистем, где сигнал быстро ослабевает на больших расстояниях, LoRa способен передавать данные на расстояния до нескольких километров, что делает его подходящим для различных приложений IoT (Интернета вещей), например, в умных городах, сельском хозяйстве, промышленности и т.д.Важно отметить, что, хотя LoRa E32 может принимать сигналы ниже уровня шума, его производительность все же может быть ограничена в условиях сильных помех или при большом расстоянии от источника сигнала.
Факторы, такие как препятствия, атмосферные условия и другие радиосигналы, могут влиять на достижимую дальность и надежность связи.В целом, благодаря способности принимать слабые сигналы ниже уровня шума, LoRa E32 и другие устройства LoRa предлагают эффективный и надежный способ беспроводной связи на большие расстояния с минимальным энергопотреблением.
Я говорил несколько об ином. Не надо спрашивать у ГПТ. Надо просто почитать учебник по теории радиосвязи.
Есть напряженность э/м поля в точке приема. Если она выше чувствительности приемника - прием будет. Ниже - не будет.
А выше-ниже уровня шума это уже способность приемника выделить из принятого сигнала (если он его вообще принял) полезную составляющую и отфильтровать шумы. Вы говорите об этой способности. Я говорю о способность вообще услышать сигнал.
Будет или нет прием при наличии сильных шумов - как раз зависит от способа модуляции. Еще и патенты на это есть. Так понимаю, что LoRa как раз умеет выделять из шумов полезный сигнал.
Разумеется, чудес не бывает, и LoRa не сможет детектировать слишком слабый сигнал. Но у нее есть преимущества в этом перед другими средствами радиосвязи. Хотя и ценой низкой скорости передачи данных.
Есть еще метод накопления - работает ниже уровня шума.
Физически антенна всё равно принимает. Фишка Лоры - в обработке сигнала и последующих кодов.
- Ретранслятор требует питание, притом желательно постоянное.
- Ретранслятор, как минимум, удваивает количество пакетов отправляемых в эфир. Что само собой приводит к увеличению числа коллизий, так как набор каналов ограничен.
- Само собой, ретранслятор требует больше золота.
Радиомодули E32 в составе ретранслятора могут принимать данные на одном канале, а передавать на другом. Кроме канала можно задать адрес для каждого такого модуля.
Питание, разумеется, нужно, как и для каждого узла связи. Что касается золота, то модули E32 недорогие. Но все относительно, конечно.
Если кто знает альтернативное решение, чтобы работало на большие расстояния без интернета, не через космос и без космических цен, с удовольствием почитаю.
Приемник то работает на одном канале, если это не базовая станция lorawan (SX13xx). придется держать два приемника. Для пакетов от обычных датчиков и пакетов от ретранслятора на другой частоте. Либо придумывать протокол для согласованного переключения каналов.
Можно сделать, например, так. Центральный узел по очереди опрашивает периферийные узлы, напрямую или через ретрансляторы, и дожидается ответа от каждого. Если нужна скорость, никто не мешает разделить узлы по сегментам с разными каналами, и, установив в центральном узле дополнительные модули, опрашивать такие сегменты параллельно.
Но вообще говоря, создание и обслуживание радиосетей - тема для отдельных статей.
Было бы интересно почитать такие статьи, например, про сбор данных электросчетчиков и счетчиков воды в условиях плотной городской застройки в масштабах города. Сравнимого по размером с Москвой, например.
Тут возникает еще одна проблема. На центральный узел можно поставить хорошую дорогую антенну но на каждое периферийное устройство не поставишь, дорого. Потому связь будет скорее односторонняя. Центральный узел еще может принять данные, но вот периферийное устройство уже нет. Не хватит чувствительности антенны. Так что инициализировать опрос и синхронизировать время центральный узел не сможет. Это примерно соответствует устройствам LoRaWAN c ABP и отправкой без подтверждения. Так главным образом устройства с LoRa на дальних расстояниях и эксплуатируются. Иначе расстояния между устройствами нужно еще больше сокращать.
Разделение по времени тоже не очень подходит если вы работаете с сотней датчиков. Кроме того в районе и диапазоне частот вы скорее всего не одни будете.
Для избежания коллизий при передаче, я использую способ подсмотренный в LoRaWAN (почему-то применяется он только в китайском диапазоне частот). Перед передачей на некоторое время перевожу приемопередатчик в режим приемника и измеряю уровень сигнала на частоте. Если он выше определенного предела, то ожидаю некое случайное время и пробую прослушать эфир повторно.
Нет такого понятия "чувствительность антенны". Говорят про чувствительность приёмника, а по сути - это способность демодулировать сигнал с заданным выходным BER при заданном входном S/N. Плохая антенна (т.е. с низким Ку) будет одинаково плохо и принимать, и передавать сигнал. "Односторонняя" связь в первую очередь обусловлена схемотехникой приёмопередатчика базовой станции. Там обычно нет проблем с электричеством, поэтому можно использовать мощный передатчик и высококачественный (высокодинамичный высокоизбирательный) приёмник. Например, GSM: у мобильного аппарата излучаемая мощность 1-2 Вт, а базовая станция передаёт десятки ватт. Вот и получаем "однонаправленность". Если взять две антенны, одна хорошая, другая плохая, то при прочих равных условиях бюджет линии что в одну, что в другую сторону будет одинаков.
"Хорошая дорогая" [направленная] антенна действительно может улучшить приём, но только за счёт подавления помех с побочных направлений.
А не подскажите хорошую антенну на 868?
А то как-то реально все это работает только на сотни метров.
А LoRaWAN провайдер в нашем городе тупо все решает установкой ретрансляторов для обеспечения покрытия.
В сложных случаях мы используем что-то вроде этого если где-то внуnри склада то есть образцы покороче 10dBi
Даже если в этом конкретном случае не проводились, то в целом - очень много проводились: в привязке как обычно к микросхемам Semtech но и скажем к модулям Ebyte на них построенных, а так же других устройствах. В ютубе достаточно набить что то типа "LoRa range test"
Но зачем для LoRa, которая передаёт байты, а не мегабайты, Репка и Распберри, а не более дешёвое Ардуино??? https://docs.arduino.cc/learn/communication/lorawan-101
Сейчас ардуино не такое и дешевое. платы с esp8266 подешевле будут. Ну или bluepill с одним из китайских клонов stm.
Более мощные микрокомпьютеры позволяют запускать различные сервисы или дополнительную обработку. Например, на Repka Pi можно поднять сервер NodeJS, OpenVPN, использовать шифрование данных или что-то еще, недоступное на микроконтроллерах.
К тому же, Repka Pi представляет собой отечественную разработку, что может иметь большое значение в некоторых проектах.
Согласен, на приёмнике. Где сервер. А на передатчиках зачем? Ну, не ардуино, аналоги?
Представьте себе, что микрокомпьютер передатчика собирает некий массив информации, например, результат распознавания объектов обученной нейросетью, зашифровывает этот результат и передает на центральный узел, подключенный к интернету.
Другой вариант - необходимость использования отечественного микрокомпьютера, когда более дешевые, но зарубежные варианты не подходят.
Согласен, но это редкий случай - умное видеонаблюдение в местах, где нет интернета по кабелю, Wi-Fi и сотовой связи (в сибирской тайге).
Кроме видео наблюдения достаточно требования шифрования данных или их какой-либо другой сложной обработки, недоступной на микроконтроллере.
Доступ в интернет может и быть, но не всегда его удобно использовать. Если, например, устройств много, то возникнут ограничения на количество подключений. Да и платно это, и не особо надежно.
И есть еще другой вариант - когда нужен именно отечественный микрокомпьютер с поддержкой от производителя.
ну репка не такая уж и дешевая, будем честны по сравнению с зарубежными аналогами
Если сравнивать с Raspberri Pi 3, то у Репки, на мой взгляд, цена вполне адекватная. С учетом того что разработчик находится в России. Да, есть варианты подешевле, но они изготовлены за рубежом и потому не везде их можно использовать.
А так да,если цена - единственный критерий, а проект домашний или вообще не критичный ни к чему, то можно найти варианты подешевле.
но железо не такое и свежее, а за цену репки можно сразу и rpi 4 взять, зачем нам редрогнадное движение?
Во-первых, далеко не везде и не всегда нужно самое новое железо. Вот, например, мы сделали одному нашему клиенту сервер для обслуживания касс, так там справится практически любой одноплатник с Linux. Аналогично нет никакой необходимости ставить платы с самыми новыми процессорами в обучающие наборы для детей. И уже запланированы новые модели Repka Pi 4 и 5 с новыми процессорами.
Во-вторых, наличие одноплатника, разработанного и собранного в России, открывает новые перспективы в тех областях, где страна разработки микрокомпьютера является определяющим фактором при выборе. А цены вы можете сравнить самостоятельно, на мой взгляд они приемлемые. Посмотрите здесь: https://repka-pi.ru/products
В-третьих, "нам" - это кому? У микрокомпьютеров есть множество самых разных потребителей, критерии выбора для которых совершенно различные.
А насколько она отечественная? Она заявлялась как клон Малинки, не более, по идее и комплектующие, они какие-то особенные?
Вообще не клон. Заявлялась как замена для Raspberry Pi 3.
Плата полностью разработана и изготовлена в НПО Рэйнбовсофт. Соответственно, возможно внесение изменений не только в ПО, но и в железо.
Подробнее о проекте можно почитать в блоге на сайте компании. Ведется разработка новых версий платы. Также есть фильм: Репка Pi ответит сколько в ней российского и откуда деньги на разработку.
Кто о чем, а любители ЛоРы о дальности. Их есть у меня!
4.69км по прямой видимости на 868МГц модулями от ЛилиГо ТТГЩ 2.1 с мештастиком в прошивке. Антенны - штырь для 868МГц на 90см для Хелиум Майнинга, бывают и больше. По прямой видимости и 5ти этажки и 9ти этажки были.
Раздача на 5м этаже 5ти этажки с окна, прием 6й этаж. Пробовал на 6м этаже антенну штырь 15см - тоже связь была.
Выезжал на дорогу за частным сектором на 4км и раздачей с окна 5 этажки - тоже работало. Пробовал на 400м по земле за 5ти этажками, даже 2х - работало.
Все эти модули без нормального канального шифрования и авторизации. Поиграться только
Можно шифровать данные, которые будут передаваться через эти модули, или подписывать их. Соответственно, на принимающем узле расшифровывать полученные по радиоканалу данные, либо проверять подпись.
А есть ли подобные решения с шифрованием, которое пригодно для промышленного применения (ГОСТ, например), и сколько они стоят?
в общем то в некоторых из них какое никакое шифрование есть, встроенное: предлагается задавать 16 битный ключ. Уж наверное достаточно чтобы передать температуру из теплицы. Если же есть желание послать кому то нечто интимное то шифровать можно тем к чему этот модуль будет подключатся.
Да, вот для такого шифрования как раз и пригодится Repka Pi на узле.
Проблема в том, что можно записать пакет с эфира и потом ретранслировать его по своему усмотрению. Даже не заморачиваясь подбором ключа. Хотя 16 бит шифра перебрать не так долго. И условная "теплица" будет всегда получать одну и ту же температуру. Т.е. регулирование температуры в теплице уже будет нарушено. Поэтому дополнительное шифрование и авторизация пакетов жизненно необходимы + обязательна нумерация зашифрованных пакетов
Сетевые карты типа Ethernet тоже все так хорошо шифруют? Wifi вон WEP приделали, а толку... все обеспечивается шифрованием на совсем других уровнях.
Модули предназначены для передачи байтов. Есть кстати два варианта - первый это который чисто радиоканал, там вообще ничего нет кроме голого пакета с данными. И второй - с дополнительным контроллером, который обеспечивает эти вещи на минимальном уровне. Для конкретно теплицы - достаточно. А регулятор неплохо бы вообще локально реализовать. Ну а то вдруг кто то с PortaPack H2 по деревням шастает.
Думаю модули в которых все это реализовано максимально по уму, и протестировано по правильному будут стоить космически, это уже что то типа тех штук которые банковские платежи обеспечивают, и там все очень закрытое.
Проще уж это все на более высоких уровнях прикрутить, в том числе такие методы которые производитель модулей никогда не сделает.
Да. Но статья помечена как обучающая. Новички должны знать о рисках применения таких модулей и то, что нужно писать стек шифрования. А примеры кода в статье только для использования в детском кружке. А то кто-то может подумать, что такой код и для промышленного применения пригоден. Ресурсов репки вполне достаточно для реализации любого шифрования.
Должны знать это одно. А вот первый урок сразу портянку кода писать - это перебор. Вон тут коллега чуть выше наоборот предлагает зачем нам Линуксы, давайте на ардуине
Разработчики промышленных применений все же обычно не новички в своем деле. Что же касается статьи, то она про подключение радиомодулей к Repka Pi, и не претендует на детальный обзор необъятных тем, имеющий отношение к организации и безопасности радиосетей. Тут каждая из тем тянет на отдельный набор статей.
Изучите законодательство
В законодательстве есть ограничения по используемым частотам, уровням мощности и времени передачи. Найдите перечень и условия использования безлицензионных диапазонов частот (Industrial, Scientific, Medical, ISM) для использования протокола LoRa в вашей стране.
В России правила использования радиочастотного спектра устанавливаются Государственной комиссией по радиочастотам (ГКРЧ). Подробнее об использовании безлицензионных частот можно почитать здесь.
На момент написания этой статьи в России к безлицензионным диапазонам частот отнесены 433 МГц, 868 МГц, 2400 МГц и 5725 МГц.
Для создания сетей интернета вещей в России используют диапазон частот от 864 МГц до 869 МГц с мощностью до 25 мВт. При этом выделяются поддиапазоны от 864,0 МГц до 865,0 МГц и 868,7 МГц до 869,2 МГц. В первом из этих поддиапазонов действуют дополнительные ограничения: период активной работы может составлять не более 0,1%, и не разрешается работать вблизи аэропортов. У второго поддиапазона таких ограничений нет.
Законодательство постоянно изменяется, поэтому его необходимо отслеживать.
А ничего что рекомендуемые вами модули E32 433T30D используют дополнительный усилитель сигнала и имеют максимальную мощность до 1Вт?
Там еще есть интересные подробности насчет времени рабочего цикла . Постоянно что то вещать - не моги, типа такого.
Да, в России это касается поддиапазона 864,0 МГц до 865,0 МГц.
Ну да
LoRa - протокол исключительно для низкоскоростной телеметрии которая в основном находится в режиме сна.
Тут к нам в Горсвет пришли распальцовщики с крутыми LoRaWAN светильниками, которыми можно "управлять в онлайн" и "прошивать по воздуху"
Когда я попросил показать прошивку по воздуху 1000 светильников, сдулись. )))
В статье нет рекомендаций конкретных модулей для тех или иных применений и стран, она обзорная. Мощность модулей E32 настраивается при конфигурировании, так же как и частота, на которой ведется передача.
Так что выбирайте модули и устанавливайте их конфигурацию в соответствии с законодательством в вашей стране.
Ставьте Ваши оценки и пишите в комментариях о чём бы Вы хотели ещё прочитать в этом цикле статей о применении одноплатного компьютера Repka Pi Российской разработки и производства, о применении с ним разных видов датчиков, исполнительных устройств и устройств ввода и вывода информации, а может и о чём то ещё.
Для продвижения репки подобные статьи имеют важное значение. Человек который решит начать разбираться с одноплатными ПК будет смотреть не только на характеристики но и на размер комьюнити... В моем видении нужно просто брать популярные проекты на других одноплатных ПК и переносить на репку. С одной стороны все относительно одинаково, но тупить каждый может)
Дальняя радиосвязь с LoRa на одноплатных микрокомпьютерах Repka Pi