Создаем собственный GPS-Трекер на технологии LoRa

^[1]

В этой статье вы узнаете, как создать собственный GPS-трекер с помощью микроконтроллеров Pycom ^[2]LoPy, а также научитесь настраивать одноканальный LoRa Nano-Gateway.
Здесь я изложу ключевые этапы со всеми необходимыми ссылками.

Если вас интересуют подробное руководство и пояснения, то можете посмотреть видео запись ^[3] моего выступления на технологическом подкасте IBM Developer Europe Crowdcast.

Начнем с общей схемы архитектуры, на которой показаны все компоненты, участвующие в процессе настройки трекера.

Узел LoPy ^[4]служит в качестве GPS-устройства, отправляющего данные на LoRa Nano-Gateway.

Сам шлюз LoRa подключен к ‘TheThingsNetwork’ по WiFi.

В конечном итоге мы получим Node-RED, выполняющийся в IBM Cloud, который будет принимать MQTT сообщения от TheThingsNetwork ^[5], сохранять их в базе данных Cloudant и отображать точки GPS-данных на карте.

Оборудование:

• 1 LoPy в качестве узла LoRa + антенна (868MHz/915MHz) + аккумулятор 3.7V LiPo;
• Последовательный GPS-модуль 1 uBlox NMEA с антенной;
• 1 LoPy в качестве LoRa Nano-Gateway + антенна (868MHz/915MHz);
• 2 платы расширения Pycom.

Ссылки на используемое оборудование здесь: pycom.io/products/hardware ^[6]

Программная часть:

Для программирования микроконтроллеров LoPy мы будем использовать Pymakr ^[7]– плагин для редакторов Atom и VS Code.

LoPy от Pycom.io – это мульти-сетевой аппаратный модуль на базе микроконтроллера ESP32. Большинство из используемых в нем функций и библиотек собраны на MicroPython.

1. Настройка LoRaWAN Nano Gateway и подключение к TheThingsNetwork

Исходный код для LoRaWAN Nano-Gateway ждет вас здесь ^[8].

Распакуйте скачанный файл, после чего найдите каталог lorawan-nano-gateway в директории examples.

Все подробности по настройке Nano-Gateway изложены в следующей ссылке ^[9].

Следуя этому руководству, вы определите шлюз в TheThingsNetwork, настроите параметры конфигурации в соответствии с вашим регионом, загрузите код на плату и убедитесь в ее работоспособности через консоль TheThingsNetwork.

Создайте бесплатный аккаунт в TheThingsNetwork ^[5]– он послужит вам точкой регистрации для шлюза и точкой получения пакетов данных, которые мы будем отправлять с LoRa-узла нашего GPS-трекера.

2. Настройка LoRa-узла с GPS-трекером

Приступаем к работе с The Things Network:
core-electronics.com.au/tutorials/pycom/getting-started-on-the-things-network-tutorial.html ^[10]

Следуйте инструкциям TheThingsNetwork ^[11] для регистрации и активации вашего устройства LoPy.

Есть два способа активации LoPy: либо через OTAA (активация «по воздуху»), либо ABP (активация путем персонализации). Первый вариант считается предпочтительным, если вы используете несколько устройств, но не подойдет для работы с LoRa Nano-Gateway.

Следующий образец кода ^[12] использует активацию ABP и после установки LoRa-соединения отправляет 10 байт в виде 10 отдельных пакетов.

1 from network import LoRa
2 import binascii
3 import struct
4 lora = LoRa(mode=LoRa.LORAWAN)
5 dev_addr = struct.unpack(">l", binascii.unhexlify('XXXXXXX'))[0]
6 nwk_swkey = binascii.unhexlify('XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX')
7 app_swkey = binascii.unhexlify('XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX')
8 # удаляем все каналы кроме предустановленных
9 for i in range(3, 16):
10       lora.remove_channel(i)
11 # настраиваем 3 предустановленных канала на одну частоту
12 lora.add_channel(0, frequency=config.LORA_FREQUENCY, dr_min=0, dr_max=5)
13 lora.add_channel(1, frequency=config.LORA_FREQUENCY, dr_min=0, dr_max=5)
14 lora.add_channel(2, frequency=config.LORA_FREQUENCY, dr_min=0, dr_max=5)
15 # подключаемся к сети с помощью ABP 
16 lora.join(activation=LoRa.ABP, auth=(dev_addr, nwk_swkey, app_swkey))
17 # создаем сокет LoRa
18 s = socket.socket(socket.AF_LORA, socket.SOCK_RAW)
19 # устанавливаем скорость обмена данными LoRaWAN
20 s.setsockopt(socket.SOL_LORA, socket.SO_DR, config.LORA_NODE_DR)
21 # делаем сокет неблокирующимся
22 s.setblocking(False)
23 for i in range (10):
24    pkt = b'PKT #' + bytes([i])
25    print('Sending:', pkt)
26    s.send(pkt)
27    time.sleep(4)
28    rx, port = s.recvfrom(256)
29    if rx:
30        print('Received: {}, on port: {}'.format(rx, port))
31    time.sleep(6)

Теперь узел LoRa настроен, и мы должны увидеть поступающие пакеты как через консоль Nano-Gateway, так и в консоли TheThingsNetwork.

Далее мы можем добавить код для считывания фиксированных данных о местоположении GPS.
Образец этого кода лежит здесь ^[13].

В данном примере мы используем библиотеку ‘adafruit_gps’ и отправляем пакет данных только, когда устанавливаем фиксированное местоположение GPS.

Это, конечно, здорово, но все полученные нами данные в байтах. Как же их перевести в доступный для использования формат? Конечно же декодировать.

Направляйтесь в консоль TheThingsNetwork и выберите ваше приложение, в котором перейдите во вкладку Payload Formats и определите декодер, не забыв также сохранить его.

1 function Decoder(bytes, port) { 
2   console.log(bytes)
3   return {
4       GPSCoordinates: String.fromCharCode.apply(null, bytes)
5   };
6 }

Теперь, когда наш GPS-трекер подключен через LoRaWAN, перейдем к самому интересному, а именно настроим сохранение в БД и начнем показывать данные на карте.

Этот процесс я привык реализовывать в среде IBM Cloud при помощи Node-RED.
Здесь ^[14]можно быстро и легко зарегистрировать бесплатный Lite-аккаунт.

По умолчанию потоки Node-RED сохраняются в БД Cloudant, поэтому можно без проблем использовать эту же БД для сохранения наших GPS-данных.

Образец потока Node-RED находится здесь ^[15].

GPS-данные через MQTT собираются с TheThingsNetwork и сохраняются в Cloudant.

Для получения этих данных вам потребуется создать/сгенерировать новый ключ доступа. Снова направляйтесь в консоль TheThingsNetwork и выберите свое приложение, перейдите во вкладку settings и найдите среди прочих настроек access keys. Сгенерированный ключ будет находиться в нижней части страницы окна просмотра приложения.

Более подробное о взаимодействии MQTT с ‘TheThingsNetwork’ рассказано здесь ^[16].

Заключение

Эта статья поможет вам лучше ознакомиться с основами использования Интернета Вещей (IoT) при помощи LoRa-соединения.

Если вам не терпится увидеть все это в действии, то еще раз напомню про свое выступление ^[3] на технологическом подкасте IBM Developer Europe Crowdcast.

В этом видео я также показываю, как подключить LoRa GPS-трекер к публичному бельгийскому провайдеру этой технологии – Proximus ^[17].

А какие еще, на ваш взгляд, есть варианты применения LoRa для Интернета Вещей?

Автор: ruvds

Источник ^[18]