Использование технологии LoRa® для управления антеннами в полевых условиях
Раджив Деван (Rаjiv Dеwаn), N2RD
Если вы используете направленную антенную систему — например, фазированную вертикальную решетку, антенну типа «Яги» или любую другую антенну, требующую переключения непосредственно у места установки, — то вам, вероятно, знакома проблема прокладки кабелей управления. Тянуть отдельный многожильный кабель от шека (радиостанции) к антенне — дорого, ненадежно (кабель может выйти из строя) и крайне неудобно при монтаже.А что, если полностью отказаться от кабеля и управлять антенной по беспроводному каналу, который стоит менее 40 долларов, потребляет лишь милливатты энергии и надежно работает даже сквозь каменные стены на расстоянии сотен футов (десятков метров)?
Именно это я реализовал для своей антенной системы из четырех вертикальных излучателей (four-square array) в диапазоне 40 метров, используя технологию LoRa® — радиосвязь большой дальности с низким энергопотреблением, ставшую стандартом в сфере «интернета вещей» (IoT).
Почему радиолюбителям стоит обратить внимание на LoRa? Большинство радиолюбителей хотя бы раз сталкивались с «чирпом» (chirp) — неприятным дрейфом частоты передаваемого сигнала. Это особенно заметно во время работы телеграфом (CW), например, в ходе мероприятия ARRL «Straight Key Night», когда в эфире появляются старинные трансиверы. «Чирп» обычно возникает из-за того, что в момент включения передатчика происходит падение напряжения, которое приводит к смещению частоты задающего генератора.
Долгое время это считалось неизбежным злом. Однако выяснилось, что если «чирп» правильно контролировать, он становится невероятно эффективным инструментом. Если плавно (линейно) изменять частоту сигнала от одного значения к другому — создавая то, что инженеры называют «сжатым высокоинтенсивным радиолокационным импульсом» (CHIRP), — то полученный сигнал обретает уникальное свойство: его очень легко обнаружить, даже если он практически полностью скрыт шумами. Этот метод десятилетиями применяется в радиолокационных системах для улучшения разрешающей способности по дальности и повышения чувствительности обнаружения.
Собранный полевой блок [фото N2RD].LoRa® — это проприетарная технология беспроводной связи, запатентованная компанией Semtech. В ней для передачи данных используется именно такая модуляция на основе «чирпов».
Каждый символ в системе LoRa представляет собой строго контролируемый «чирп» — сигнал, частота которого линейно изменяется в пределах заданной полосы пропускания. Приёмник сопоставляет входящий сигнал с ожидаемой формой Lora-импульса (CHIRP), что позволяет восстанавливать данные, даже когда уровень сигнала значительно ниже уровня шума — задача, с которой не могут справиться модемы, использующие традиционные методы частотной (FSK) или фазовой (PSK) манипуляции. Радиосвязь по технологии LoRa служит физическим уровнем для популярного протокола Meshtastic — автономной ячеистой сети (mesh-сети) с открытым исходным кодом.
Для оценки эффективности работы стоит рассмотреть требования к соотношению сигнал/шум (SNR) для распространенных любительских видов связи при эталонной полосе пропускания 2500 Гц (см. Таблицу 1).
Таблица 1 — Отношение сигнал/шум (SNR)
Хотя минимальное значение SNR для декодирования сигнала LoRa с коэффициентом расширения спектра (spreading factor) 7 на 4 дБ выше, чем у JT65, технология LoRa позволяет осуществлять двусторонний обмен данными практически в реальном времени, в отличие от цифровых видов связи для слабых сигналов, требующих многоминутных циклов декодирования. Текущий рекорд дальности связи для LoRa при мощности +22 дБм (158 мВт) в диапазоне частот ISM (промышленного, научного и медицинского назначения) составляет 830 миль. В моем же проекте требуется дальность около 200 футов.
в зависимости от режима (2500 Гц)
Доступное оборудование
Компания Semtech предлагает чипсеты LoRa по низким ценам, а вокруг них сформировалась обширная экосистема. Модель SX1262 представляет собой полноценный приемопередатчик диапазона 800...900 МГц, выполненный на одном кристалле. В его состав входят малошумящий усилитель, усилитель мощности, система ФАПЧ (фазовой автоподстройки частоты), задающий генератор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), модемы LoRa и FSK, блок обработки протоколов, буфер данных и интерфейс SPI — и всё это в одном корпусе. На момент подготовки материала отладочные платы на базе этого чипа можно приобрести у компании Adafruit примерно за 10 долларов, а также от компании Seeed Studio — по цене менее 5 долларов.
Для разработчиков более удобны платы со встроенным микроконтроллером (MCU), объединяющие приемопередатчик LoRa и микроконтроллер — например, решения от Adafruit или серия Heltec WiFi LoRa. В данном проекте я использовал платы Heltec LoRa для обоих устройств: они недороги, а одна из версий даже оснащена встроенным дисплеем. Эти платы отлично интегрируются в экосистему Arduino, поддерживаются надежной библиотекой (RadioLib) и работают с логическими уровнями 3,3 В, что упрощает подключение периферии. В США технология LoRa работает в нелицензируемом ISM-диапазоне 902–928 МГц — именно его я и задействовал.
Архитектура системы
Система состоит из двух блоков (см. рис. 1).
Блок управления принимает команды направления — либо через кнопки на передней панели, либо с подключенного ПК по USB (используется простой и распространенный протокол DCU-1, разработанный компанией Hy-Gain и поддерживаемый множеством программных и аппаратных средств). Затем блок передает заданный азимут на выносной модуль по каналу LoRa. Получив от выносного модуля подтверждение установки направления, блок управления дважды мигает соответствующим светодиодом и выводит информацию на OLED-дисплей. Блок управления также можно подключить к линии PTT (передача) усилителя или трансивера.
Рис.1. Блок управления (в помещении оператора)При таком подключении во время передачи система запрашивает данные о мощности, подаваемой на эквивалент нагрузки (dummy load) в блоке фазирования антенн. Полученное от выносного модуля значение мощности отображается на дисплее. Эта функция является опциональной, поскольку не все блоки фазирования антенн оснащены ответвителями ВЧ-сигнала.
Выносной блок (у антенны)
Выносной блок принимает LoRa-пакеты от блока управления, расположенного в шеке (помещении с аппаратурой), переключает соответствующие реле в блоке фазирования и отправляет обратно пакет подтверждения с телеметрией. Телеметрия включает данные об уровне сигнала, напряжении шины питания и токе, потребляемом реле. Кроме того, по запросу блок передает контроллеру значение пиковой мощности (измеренное за интервал 100 мс).
Питание на выносной блок подается по существующему коаксиальному фидеру с использованием инжектора постоянного тока (схема типа bias-tee), поэтому отдельный кабель питания не требуется. Единственным физическим соединением между шеком и выносным блоком фазирования является антенный фидер — точно так же, как в простой одноантенной системе.
Изготовление блока управления (для шека)
Блок управления построен на базе двух плат: модуля Heltec WiFi LoRa 32 (V4) с OLED-дисплеем и платы пользовательского интерфейса (UI) (см. рис. 2). На верхней стороне платы UI установлены восемь светодиодов и восемь тактовых кнопок. На нижней стороне размещены расширитель портов ввода-вывода (GPIO) общего назначения Adafruit MCP23017 (интерфейс I2C) и токоограничительные резисторы для светодиодов. Внешний вид собранной платы UI (вид сверху и снизу) показан на рис. 3. Микроконтроллер Heltec соединяется с платой UI всего четырьмя проводами (для передачи данных и питания), что упрощает сборку и обслуживание устройства.
Предусмотрен опциональный вход PTT, подключенный к выводу 3 платы Heltec; он позволяет блоку управления инициировать запрос телеметрии в момент передачи, благодаря чему на OLED-дисплее можно в реальном времени отслеживать уровень отраженной мощности (на эквиваленте нагрузки у антенны).
Рис.2. Принципиальная схема платы пользовательского интерфейса в блоке, размещаемом в помещении.USB-подключение выполняет двойную функцию: обеспечивает питание блока управления и предоставляет последовательный порт. Программное обеспечение (прошивка) распознает команды протокола DCU-1, поступающие через этот порт, что делает систему совместимой с программами для ведения аппаратного журнала (логгерами) и контроллерами антенн, поддерживающими управление поворотными устройствами по протоколу DCU-1. Это позволяет легко изменять направление с помощью программного обеспечения, например PstRotator.
Рис.3. Вид сверху и снизу на плату пользовательского интерфейса блока управления.Вся конструкторская документация для стационарного и выносного блоков — включая файлы Gerber, печатные платы (PCB), STL-файлы для корпусов, а также микропрограммное обеспечение (исходный код и исполняемые файлы) — доступна на сайте www.arrl.org/qst-in-depth и на платформе GitHub по адресу https://github.com/n2rd. Микропрограммы для обоих устройств написаны на языке Arduino C++ с использованием библиотеки RadioLib (для управления пакетами LoRa), а также библиотек Adafruit (для работы с расширителем портов MCP23017 и OLED-дисплеем).
Перечни компонентов для стационарного и выносного блоков приведены в таблицах 2 и 3 соответственно.
Блок для установки на мачте (Field Unit)
Конструкция этого блока также отличается простотой (см. схему на сайте www.arrl.org/qst-in-depth и заглавное фото). Процессор Heltec управляет работой до шести реле с помощью интегральных схем ITS4200, представляющих собой интеллектуальные ключи верхнего плеча (high-side switches). ITS4200 — это надежный твердотельный ключ, совместимый с логикой TTL; он способен коммутировать индуктивную нагрузку (например, обмотки реле), избавляя от проблем с обратными выбросами напряжения, которые возникают при прямом подключении реле к выводам GPIO. Эти микросхемы широко применяются в автомобильной электронике и промышленном оборудовании для коммутации цепей с напряжением 12 и 24 В. Они недороги, но при этом обеспечивают защиту от перегрузки по току и электростатического разряда.
Программное обеспечение (прошивка) устройства предусматривает возможность настройки под различные схемы коммутации реле в блоках фазирования. Я успешно использовал его с блоками фазирования COMTEK и контроллером фазирования RemoteQTH. В случае с устройством RemoteQTH на одном из выходных контактов формируется напряжение, пропорциональное мощности, рассеиваемой на встроенной эквивалентной нагрузке; вывод A2 считывает это напряжение через простой резистивный делитель и включает полученное значение в каждый пакет телеметрии, передаваемый на базовую станцию.
Протоколы связи
Для передачи команд смены направления и для считывания данных о мощности на эквивалентной нагрузке используются разные протоколы связи.
Каждая операция смены направления выполняется по простому циклу «запрос — подтверждение»:
- Блок управления (в помещении) передает LoRa-пакет, содержащий запрошенный азимут.
- Выносной блок (на антенной площадке) принимает пакет, активирует соответствующую комбинацию реле, собирает телеметрические данные и отправляет пакет подтверждения.
- Блок управления получает подтверждение, обновляет информацию на OLED-дисплее и включает мигающую индикацию на кнопке, соответствующей выбранному направлению.
Если подтверждение не получено в течение заданного времени ожидания, блок управления может повторить передачу.
Пакет телеметрии, поступающий от выносного блока, содержит следующие данные:
- Индикатор уровня принимаемого сигнала (RSSI): уровень сигнала на стороне передатчика и приемника. Этот параметр позволяет оценить качество канала связи. Значение RSSI ниже 120 дБ достаточно для обеспечения надежной связи. На основе этого показателя можно снизить мощность LoRa-передатчика, чтобы уменьшить помехи в общем диапазоне ISM.
- Напряжение шины питания (Bus V): напряжение постоянного тока, измеренное после устройства подачи питания (bias tee) в выносном блоке. Позволяет отслеживать потери в линии питания и элементах ввода постоянного тока.
- Ток шины питания (Bus mA): потребляемый ток блока фазирования (зависит от состояния реле). Помогает контролировать ток, потребляемый реле. При изменении фазировки антенны включаются и выключаются различные группы реле; это дает дополнительную информацию для оценки исправности блока фазирования.
- Положение: подтвержденное значение азимута.
Эти телеметрические данные отображаются на 1,3-дюймовом OLED-дисплее в радиорубке в компактном формате, который попадает в периферийное зрение оператора.
Блок управления в радиорубке может быть дополнительно подключен к PTT для приемопередатчика. В случае активации PTT инициируется следующий протокол связи:
- Блок в радиорубке отправляет полевой блок запрос через LoRa на считывание мощности, подаваемой на эквивалентную нагрузку.
- Полевой блок измеряет мощность, подаваемую на эквивалентную нагрузку, каждые 10 мс в течение 100 мс и отправляет обратно среднее значение трех лучших считанных значений показания, как надежную оценку пиковой мощности, подаваемой на эквивалент нагрузки. Для получения отсчета достаточно даже одной точки (сигнала «dit») азбуки Морзе.
- Блок, установленный в радиокомнате, принимает данные о пиковой мощности на эквиваленте нагрузки и выводит их на OLED-дисплей.
Работа в реальных условиях
Мой стационарный блок находится в подвале дома из камня и кирпича — по сути, массивного аттенюатора для сигналов частотой 900 МГц. Выносной блок расположен на расстоянии около 60 метров (200 футов). В обоих устройствах используются недорогие штыревые антенны («резинки») на диапазон 900 МГц. Я легко получаю уровень сигнала (RSSI) –100 дБм при выходной мощности всего 0 дБм.
Расширение сферы применения
Хотя я создавал эту систему для антенной решетки типа «four-square» (четыре вертикальных излучателя), ее архитектура универсальна. К этому решению можно адаптировать любую антенную систему, требующую переключения реле на удаленном объекте: например, решетку антенн Бевереджа, контроллер поворотного устройства, удаленный антенный тюнер или переключатель диапазонов для выносного приемника. Передняя панель с восемью кнопками и индикация на восьми светодиодах отлично подходят для любых задач, предусматривающих до восьми дискретных состояний. Дальность действия канала LoRa значительно превышает потребности большинства любительских радиостанций, что позволяет использовать его и для управления удаленными объектами на участке, где прокладка кабелей управления нецелесообразна. Кроме того, система позволяет легко управлять несколькими устройствами, так как каждое из них имеет уникальный адрес.
Сочетание высокой помехоустойчивости, большой дальности действия, низкого энергопотребления и очень низкой стоимости оборудования делает технологию LoRa идеальным решением для инфраструктуры любительской радиосвязи. Если вам нужно организовать удаленное управление оборудованием, стоит серьезно рассмотреть LoRa.
Раджив Деван (Rajiv Dewan), N2RD, — лицензированный радиолюбитель с 1991 года. Он является пожизненным членом ARRL, а также состоит в ряде местных радиолюбительских объединений, в числе которых «Radio Amateurs of Greater Syracuse», «Liverpool Amateur Repeater Club» и «Rochester DX Association». Раджив живет в Сиракьюсе (штат Нью-Йорк) и увлекается участием в соревнованиях (контестингом) телеграфом (CW), работой с дальними станциями (DXing) и созданием инфраструктуры радиостанции. С Радживом можно связаться по электронной почте: n2rd@arrl.net.
