Mała stacja bazowa Meshtastic DIY - komunikacja na ponad 5 km

[rafal2808]

Jakiś czas temu miałem okazje testować miniaturowe moduły Seeed Studio Xiao ESP32-S3 + Wio-SX1262 oraz Xiao nRF52840 + Wio-SX1262 skierowane przede wszystkim do aplikacji korzystających z komunikacji Meshtastic. Przy tej okazji przygotowałem równie artykuł, w którym opisałem te konstrukcje, różnice między MeshCore i Meshtastic oraz przeprowadzone testy zarówno domowe, jaki i terenowe. W tekście tym wspomniałem też, że w niedalekiej przyszłości planuje zbudować niewielką stację bazową, która posłuży do komunikacji nie tylko mnie, ale stanie się też pierwszym punktem w mojej okolicy, który będzie mógł przekazywać wiadomości innych użytkowników. Wpis powstał we współpracy ze sklepem Botland, który jest oficjalnym dystrybutorem rozwiązań od Seeed Studio.

Zamysł projektu był dość prosty – wykorzystać jeden z modułów Xiao, za którego źródło energii posłuży akumulator ładowany z ogniwa solarnego. Całość miała być umieszczona w obudowie wydrukowanej na drukarce 3D. Zestaw komponentów do budowy takiego urządzenia nie jest szczególnie rozbudowany. Ostatecznie zdecydowałem się na Xiao nRF52840 + Wio-SX1262, ponieważ moduł oparty na ESP32 może w przyszłości posłużyć mi do nieco bardziej rozbudowanego projektu. Za pozyskiwanie energii ze słońca posłuży ogniwo o mocy 1W generujące napięcie 5,5V (oznaczone jako AK95X95MM, co bardziej odnosi się do jego wymiarów niż typu) wraz z kontrolerem opartym na chipie CN3163.

Komponenty wykorzystane w urządzeniu.

Wybór akurat takiego zastawu nie był podyktowany niczym szczególnym, co więcej oferowana przez niego moc przewyższa znacznie konsumpcje Xiao, były to po prostu komponenty, które od dobrego roku leżały w moim kartonie z elektronicznymi różnościami, na przysłowiowe przyda się. Choć CN3163 w wielu opracowaniach i aukcjach na dalekim wschodzie przedstawiany jest jako uniwersalny kontroler, do którego podłączany jest zarówno panel słoneczny, jak i akumulator, co niestety jest błędne. Układ ten nie kontroluje poziomu rozładowania akumulatora litowo-jonowego typu 18650, który zdecydowałem się zastosować. Do tego celu potrzebna jest zewnętrzna płytka, tak zwany BMS 1S, który czuwać będzie nad napięciem pojedynczego ogniwa 3,7V. Całość uzupełnia nieco większa od oryginalnego listka antena, jest to TX868-JKS-IPX20 o mocy 3.0dBi, przystosowana do częstotliwości radia LoRa. 

Jak to połączyć?

Połączenie całości we wypełni funkcjonalne urządzenie nie należy do najtrudniejszych zadań, choć są dwie kwestie, o których należy pamiętać. Zazwyczaj płytki oparte na CN3163 posiadają dwa typy złącz, Solar IN i BAT OUT, co do znacznie pierwszego z nich nie ma większych wątpliwości, ale opis BAT OUT może być mylący. Tak jak wspomniałem, we wielu źródłach można znaleźć informacje, że podłącza się tam akumulator oraz obciążenie, czyli zasilany obwód. Chcąc jednak zachować ogniwo 18650 w przysłowiowym zdrowiu i szczęściu, należy zastosować BMS, który będzie pomostem między źródłem energii, a pozostałymi komponentami. 

„Profesjonalny” schemat poglądowy. 

Ważną kwestią jest też zasilanie samego Xiao, to posiada dedykowane złącze USB-C, jak i pin Vin. Kuszące jest też wyjście 3V3, ale co warto podkreślić jest to właśnie wyjście i nie powinno się zasilać płytki z tego wyprowadzenia. Co ciekawe jednak, Xiao posiada dedykowane dla akumulatora złącze BAT+ i BAT-, umieszczone jest na spodzie laminatu w postaci dwóch pól lutowniczych i z nich właśnie skorzystałem w moim projekcie. 

Elektronika umieszczona na jednej płytce. 

Do połączenia całości wykorzystałem fragment uniwersalnej płytki PCB, na której znalazło się Xiao, BMS oraz kontroler ogniwa słonecznego, to podłączone będzie do płytki przez oryginalne przylutowane do niej złącze PH2 od JST. Całość uzupełnia też koszyk na ogniwo 18650. 

Przygotowanie obudowy 

Obudowę dla stacji Meshtastic przygotowałem w programie Autodesk Fusion i składa się ona z trzech elementów. Bazowej skrzynki, która ma formę prostopadłościanu, na którego górze pod niewielkim kątem umieszczony będzie panel solarny o rozmiarze 95x95mm. Tam też umieściłem niewielkie ucho z otworem o średnicy 5mm, tak aby skrzynka mogła być przytwierdzona do przykładowo płaskiej ściany. Wewnętrzna komora ma rozmiar 90x90x60mm i to w niej umieszczona zostanie cała elektronika, co więcej na lewej ścianie znajduje się też otwór o średnicy 7mm do montażu anteny.  

Projekt obudowy przygotowany w programie Autodesk Fusion.

Obudowa zamknięta będzie przez płaski panel widoczny po prawej stronie. Ma on cztery otwory przystosowane do śrub imbusowych M2 i długości 8mm, pod nimi w głównej obudowie należy wkleić metalowe gwinty M2, których długość to 3mm, miejsca na nie również uwzględniłem w projekcie. Na obrazku widoczna jest też zaprojektowana uszczelka poprawiająca szczelność połączenia obudowa – panel, niewielkie zagłębienie dla niej również uwzględniłem w głównej obudowie.  

Elementy po wydrukowaniu

Elementy obudowy w pierwszym prototypie wydrukowałem z białego PLA, docelowo lepszym wyborem byłby przykładowo ABS, zwłaszcza że urządzeni umieszczone będzie na zewnątrz. Ostatecznie jednak, jako że wydruk wyszedł całkiem dobrze, postanowiłem dać mu szanse i sprawdzić, jak poradzi sobie w nadchodzącą jesień i zimę. Na fotografii widoczna jest też uszczelka, tę wydrukowałem z użyciem miękkiego TPU. 

Obudowa z umieszczoną uszczelką i metalowymi gwintami. 

Pełny projekt obudowy dostępny jest na moim profilu MakerWorld.

Gotowe urządzenie i konfiguracja 

Po złożeniu wszystkiego w całość i przyklejeniu ogniwa słonecznego na sylikon, w obudowie nadal pozostaje sporo miejsca. Tak naprawdę mogłaby ona posłużyć do budowy innego, większego, lub też bogatszego w elektronikę urządzenia. Jednak dzięki przestrzeni stację charakteryzuje pewien ascetyzm i przestronność.

Gotowa stacja Meshtastic. 

Tak jak w opublikowanym jakiś czas temu artykule wspominałem, moduły Xiao, aby działać, nie potrzebują zupełnie nic. Otrzymujemy je z zainstalowanym już oprogramowaniem Meshtastic, dzięki czemu bez problemu łączą się z dedykowaną na telefony aplikacją o tej samej nazwie. To z jej poziomu dokonujemy całej konfiguracji.

Opcje Device Role widoczne w aplikacji. 

Poza poprzednio wskazanymi krokami, zastanowić można się tez nad zmianą roli urządzenia. Z poziomu rozwijanej listy dostępnych jest kilka rodzajów, których opis znaleźć można na stronie producenta, a który na potrzeby tekstu przetłumaczyłem:

• Client – tryb domyślny. Wysyła i odbiera wiadomości oraz przekazuje pakiety, jeśli inny węzeł jeszcze tego nie zrobił.
• Client Mute – Wysyła i odbiera własne wiadomości, ale nie przekazuje pakietów innych urządzeń. Dobry dla przenośnego węzła znajdującego się obok mocniejszej stacji bazowej.
• Client Hidden – Ogranicza okresowe komunikaty o swojej obecności i nie pojawia się na liście dostępnych węzłów. Nadal może się komunikować i przekazywać ruch lokalny znanych już urządzeń.
• Tracker – Priorytetowo nadawane komunikaty o pozycji GPS. Przeznaczony do śledzenia osób, samochodów lub innych ruchomych obiektów.
• Lost and Found – Regularnie wysyła na kanał domyślny wiadomość z pozycją zagubionego urządzenia. Tryb awaryjnego lokalizatora.
• Sensor – Nadawanie danych telemetrycznych, przykładowo temperatury, wilgotności i ciśnienie z dołączonych czujników.
• TAK – Tryb zoptymalizowany dla systemu ATAK i komunikatów CoT.
• TAK Tracker – Lokalizator dla ATAK, automatycznie wysyłający dane PLI o położeniu.
• Router – Zawsze przekazuje pakiety, a sieć nadaje mu pierwszeństwo. Zwiększa zajęcie kanału, zużycie energii i ryzyko kolizji. Wyłącza też normalny dostęp aplikacji przez BLE/Wi‑Fi/USB, przez co późniejsza konfiguracja jest mniej wygodna.
• Router Late – Zawsze przekazuje pakiet, ale robi to dopiero po innych węzłach. Stosowany do zabezpieczenia konkretnej „dziury” w zasięgu, zużywa więcej energii niż Client.
• Client Base – Stacja bazowa dla własnych urządzeń. Pakiety danych węzłów oznaczonych jako ulubione traktuje priorytetowo, a pozostałe jak zwykły Client.

Przeglądając listę, w oczy rzucają się oczywiście tryby Router oraz Client Base, jak te które mógłby być wskazane do przygotowanego przeze mnie projektu. Ja jednak postanowiłem zostać przy domyślnym trybie Client, ponieważ, chcę mieć możliwość odbierania wiadomości bezpośrednio z niego, ale też, aby urządzenie przekazywało inne pakiety w sieci. Tryb Routera nie ma możliwości bezpośredniego połączenia, a także nie powinien być stosowany do sprzętów zasilanych akumulatorowo. Odpowiedni byłby też tryb Client Base, ale na ten moment nie mam jeszcze własnej sieci, gdzie mógłbym oznaczać konkretne urządzenia jako ulubione. 

Tak więc urządzeni pozostanie w domyślnym trybie Client.

 

Test jeszcze bardziej terenowy

Poprzednim razem w ramach testu sprawdziłem, jak komunikują się urządzenia, z których jedno zostawiłem w domu, a drugie zabrałem ze sobą do auta. Wynikiem było około 2km, po których przekroczeniu dane nie docierały do drugiego węzła. 

Stacja postawiona na dachu niewielkiej altany. 

Tym razem postanowiłem wykonać identyczny test z tą różnicą, że zbudowaną stację postawiłem na dachu niewielkiej altany o wysokości około 2,5m. Wraz z nią pozostał telefon, który był adresatem nadawanych wiadomości. 

Drugi zestaw w postaci powerbanku i płytki ze zmienioną anteną na większą, zabrałem ze sobą w podróż rowerem po okolicznych polnych drogach. Moduł ten również połączyłem z drugim telefonem, z którego co jakiś czas wysyłałem wiadomości, szukając konkretnego punktu, gdy te przestaną docierać, jest to widoczne, ponieważ aplikacja informuje, czy dane dotarły do innego węzła. 

Drugi moduł testowy. 

W takim zestawieniu udało mi się uzyskać kontakt na nieco ponad 5km, co wydaje mi się niezwykle dobrym wynikiem, jak na „profesjonalizm” całego tego testu. Początkowo moduł i antena umieszczona była w rowerowej sakwie i nawet nie trzeba było jej wyciągać. Dopiero od mniej więcej 4km musiałem wyciągać rękę z urządzeniem ponad głowę, aby złapać sygnał, ale mimo tego zaskoczyło mnie, na jaką odległość może to działać. Zakładałem, że zmiana anten i wyniesienie odbiornika na zewnątrz pozwoli osiągnąć ponad 3km, ale nie przekraczając czterech. 

W kilku słowach na koniec można podsumować, że urządzenie działa, nawet lepiej niż zakładałem i na stałe stanie się częścią drewnianej altany, rozszerzając możliwości stale rosnącej sieci Meshtastic. 

Edytowano 29 sierpnia przez rafal2808
link do wcześniejszego artykułu

[SOYER]

Mega ciekawe rozwiązanie. Naprawdę.

Jako, że od kilku lat rzadziej udzielam się na forum z powodu obowiązków społecznych jakie na siebie wziąłem, widzę tutaj piękne zastosowanie dla łączności awaryjnej pięknie związanej z tym czym akurat się zajmuję.

W mojej gminie nie ma czegoś takiego, a zdarzały się już sytuacje, że było odcięcie od sieci GSM. Telefonów stacjonarnych nikt już prywatnie nie używa, a w przypadku wichury są równie zawodne jak GSM. Radiostacje dostępne tylko dla służb i władz „najwyższych”. 

Widzę w lustrze moje świecące się oczy na ten pomysł (podobnie było z flightradarem na moim malutkim ekranie).

Zaraz biorę się za ponowne przestudiowanie Twoich postów na temat tego sprzętu. 

Napisałeś, że panel solarny wziąłeś z szuflady, czy mógłbyś mi pomóc w doborze zestawu sprzętu, tak by całość działała autonomicznie bez zasilania i ładowania promieniami słonecznymi powiedzmy przez 48h?

Kluczowa pozostaje cena oczywiście, pewnie kilka takich modułów będę potrzebował na pokrycie ok 80km2:)

Z góry dziękuję:)

Edytowano 29 sierpnia przez SOYER

[Treker (Damian Szymański)]

53 minuty temu, SOYER napisał:

Kluczowa pozostaje cena oczywiście, pewnie kilka takich modułów będę potrzebował na pokrycie ok 80km2:)

@SOYER zdaje sobie sprawę, że pójdziesz pewnie w stronę DIY i super, ale czysto informacyjnie - są gotowe takie stacje solarne (trochę bardziej rozbudowane). Pewnie w niektórych przypadkach sprawdzą się lepiej (bo są gotowym produktem):

• SenseCAP Solar Node P1
• SenseCAP Solar Node P1-Pro

A jak interesujesz się komunikacją kryzysową to jeszcze zerknij na poniższy moduł, bo Xiao mogą "odstraszyć" osoby nietechniczne, a te produkty są już bliżej elektroniki użytkowej, niż DIY:

• SenseCAP Card Tracker T1000-E do Meshtastic

[rafal2808]

@SOYER Tak jak wspomniał Traker istnieją już gotowe rozwiązania, ale jeśli chciałbyś budować coś samodzielnie to można przyjąć, że taki zestaw potrzebuje około 10-15mA średnio do działania. Wiadomo, że jeśli ruchu w sieci nie ma, będzie to mniej, przy przesyłaniu nieco więcej, ale z tego co czytałem taką średnia wartość można przyjąć. Na dobę wychodzi, że potrzebne jest 15x24 360mAh, u siebie zastosowałem akumulator 3400mAh, także zapasu jest sporo, nawet gdyby słońce postanowił zgasnąć na kilka dni. Ogniwo będzie jednak codziennie doładowywane, panel o mocy 1W spokojnie pokrywa dzienne zapotrzebowanie, nawet z zapasem, zakładając średnie obciążenie sieci. Także szukałbym czegoś o właśnie takiej mocy, u chińczyków jest tego sporo, zazwyczaj właśnie z kontrolerami różnego rodzaju, mój egzemplarz też kupiłem u nich lata temu. Chyba, że chciałbyś zbudować coś ze sporym, sporym zapasem to można szukać w okolicy 3/5W.