Wir erstellen ein Gateway zwischen Wi-Fi und LoRa für UDP

Ich hatte als Kind den Traum, jedem herkömmlichen "Nicht-WiFi"-Gerät ein Ticket ins Netzwerk zu vergeben, d. h. eine IP-Adresse und einen Port. Nach einiger Zeit wurde mir klar, dass ich nicht länger warten sollte. Ich muss es einfach tun.

Technisches Pflichtenheft

Ein Gateway mit dem M5Stack und dem installierten LoRa-Modul erstellen (siehe Abbildung 1). Das Gateway wird mit einem Wi-Fi-Netzwerk verbunden, wo es eine lokale IP-Adresse über DHCP erhalten wird. In bestimmten Zeitintervallen wird das Gateway seinen Namen (analog zu SSID für Wi-Fi) und den Bereich zulässiger Ports in die "LoRa-Luft" senden, damit andere Geräte wissen, dass es ein solches Netzwerk gibt, zu dem man sich verbinden kann, und in welchem Bereich man einen freien Port wählen kann. Da dies ein Prototyp ist, erfolgt die Authentifizierung diesmal nicht. Neue Client-Geräte werden das verfügbare LoRa-Netzwerk finden und ihm den gewählten Port übermitteln. Nachdem das Gateway den Port vom neuen Client erhalten hat, überprüft es, ob er frei ist; wenn ja, registriert es den neuen Client und beginnt, den angegebenen Port auf seinem eigenen asynchronen UDP-Server abzuhören. Nach der Registrierung erhält der Client die Zustimmung oder Ablehnung zur Nutzung des angegebenen Ports. Der Ablauf ist in Tabelle 1 dargestellt.

Abb. 1

Tabelle 1

Seite
Richtung und Daten
Seite
Sitzung

[ client ]
<— Signal-Bake —
[ gateway ]
0xA1

[ client ]
— gewählter Port —>
[ gateway ]
0xB1

[ client ]
<— Zustimmung oder Ablehnung —
[ gateway ]
0xA2

[ client ]
— UPD-Paket —>
[ gateway ]
0xB2

[ client ]
<— UPD-Paket —
[ gateway ]
0xA3

[ netz ]
<— UPD-Paket —
[ gateway ]
0xC1

Vor mir auf dem Tisch liegen verschiedene Module für den M5Stack und langweilen sich. Lassen Sie uns LoRa nehmen und mit ihr Spaß haben. Das Konzept der Module ist großartig! Was soll man dazu sagen? Aber ich habe die Module der ersten Revision, bei denen die integrierte Antenne schrecklich ist; sie wurde auf einer flexiblen Leiterplatte gefertigt und an die Seitenwand des Gehäuses geklebt. Ich habe einmal Feldtests mit solchen Modulen durchgeführt (Sie können auf dem russischsprachigen YouTube-Kanal nachsehen):

Natürlich musste ich diese Überbleibsel entfernen und standardmäßige Spiralantennen einlöten, die mit dem Ra-01 geliefert werden. Nach dieser Anpassung hat sich die Reichweite der Verbindung deutlich verbessert, aber es gab einen Nebeneffekt — die Antenne hat einen größeren Durchmesser als der zulässige Abstand zwischen den Modulen. Ich musste vorübergehend auf das abschließende Modul für die Dauer des Projekts verzichten.

Die ersten Schwierigkeiten durch synchronen Widerstand

Man könnte meinen, man nimmt einfach die Bibliothek WiFiUdp.h, wo alles für das komfortable Betreiben eines UDP-Servers vorhanden ist, ist das nicht der Fall. Die Bibliothek ist für den Betrieb eines synchronen Servers ausgelegt, der, bedauerlicherweise, nicht in der Lage ist, mehrere Verbindungen gleichzeitig in einem Thread zu bedienen. Eine solche Bibliothek ist für die aktuelle Aufgabe nicht geeignet. Es war erforderlich, viele Tassen Tee zu trinken und nach einer Bibliothek zu suchen, die es ermöglicht, einen asynchronen UDP-Server einzurichten, der mehrere Verbindungen gleichzeitig unterstützen kann. Eine solche Bibliothek wurde gefunden — AsyncUDP.h. Was ist nun der Unterschied zwischen einem synchronen und einem asynchronen Server? Lassen Sie uns sechs Episoden in Abbildung 2 betrachten, in denen die Betriebsvarianten von Sockets trivial dargestellt sind.

Abbildung 2

In den Hauptrollen:

Person in der Rolle von Socket;

Taube in der Rolle von Verbindung;

Brief in der Rolle von Daten.

Episode A. Synchroner Socket ohne Timeout

Die Person steht da, bis die Taube ihr einen Brief bringt.

Episode B. Synchroner Socket mit Timeout

Die Person wartet die vereinbarte Zeit auf die Taube, und wenn sie nicht rechtzeitig kommt, wird die Person weggehen.

Episode C. Synchroner Socket mit Multithreading

Die Person faulenzt und beobachtet, wie die Tauben selbstständig Briefe liefern.

Episode D. Asynchroner Socket (wenn nichts zu empfangen ist)

Die Person beschäftigt sich mit ihren Lieblingsbeschäftigungen, vergisst aber nicht die Tauben.

Episode E. Asynchroner Socket (wenn etwas zu empfangen ist)

Die Person hat sich kurz von ihren Tätigkeiten abgelenkt, um einen Brief von der Taube zu empfangen.

Episode F. Asynchroner Socket mit Multithreading

Die Person kümmert sich um ihre Angelegenheiten und beobachtet, wie die Tauben selbstständig Briefe liefern.

Wenn Sie aufmerksam waren, sollten Sie bemerkt haben, dass die Halsbänder der Tauben in jeder Episode eine bestimmte Farbe haben. Und das ist nicht zufällig. In den Episoden A und B funktioniert nur ein Socket auf dem Server. In Episode C sind bereits zwei Sockets aktiv. In den Episoden D, E und F sind es bereits drei Sockets. 'Warum sind da zwei und hier drei?', fragen Sie sich vielleicht. Das ist hypothetisch 2 und 3, tatsächlich kann anstelle von 2 auch 20 stehen und anstelle von drei 200. Die Aufgabe ist zu zeigen, dass asynchrone Sockets die Hardware nicht so stark belasten wie synchrone.

Wie viel Platz ist für was?

Lassen Sie uns Tabelle 1 betrachten, die die Struktur eines UDP-Pakets zeigt, und darüber nachdenken, was wir damit machen können.

Tabelle 1. Struktur eines UDP-Pakets

Bits
0 — 15
16 — 31

0-31
Quellport (Source port)
Zielport (Destination port)

32-63
Länge des Datagramms (Length)
Prüfziffer (Checksum)

64-…
Daten (Data)

Wir fügen am Anfang dieser Tabelle ein weiteres Feld hinzu. Sitzung (1 Byte). Das reicht für dieses Projekt aus. Basierend auf der Sitzung weiß das Gerät, was es mit dem Paket weiter tun soll. Jetzt erfinden wir Codes für die Sitzungen und notieren sie in Tabelle 2.

Tabelle 2. Erläuterung zu den Sitzungen

Code
Bezeichnung
Erläuterung

0xA1
Beacon
Der Gateway sendet den Namen des LoRa-Netzwerks und den Bereich der zulässigen Ports in regelmäßigen Abständen. Dies ist notwendig, damit neue Clients das verfügbare Netzwerk sehen können und aktuelle Clients, wenn keine Übertragungen stattfinden, den Signalpegel bestimmen können.

0xB1
Anfrage
Wenn der Client das Netzwerk gefunden hat, sendet er den gewünschten Port.

0xA2
Zustimmung oder Ablehnung
Wenn der vom Client angeforderte Port frei ist, antwortet der Server mit Zustimmung, andernfalls mit Ablehnung.

0xB2
Up-Link
Wenn der Client ein UDP-Paket an das Gateway überträgt.

0xA3
Down-Link
Wenn das Gateway ein UDP-Paket an den Client überträgt.

0xC1
Fortsetzung des Up-Links
Wenn das Gateway ein UDP-Paket in das lokale Netzwerk sendet.

Gut. Jetzt lassen Sie uns die Zusammensetzung der Sitzungen in Tabelle 3 besprechen.

Tabelle 3. Sitzungen

Name der Sitzung
Zusammensetzung

Beacon
Sitzungscode (1 Byte) + Name des LoRa-Netzwerks (4 Byte) + Startport (2 Byte) + Endport (2 Byte)

Anfrage
Übertragungscode (1 Byte) + Name des LoRa-Netzwerks (4 Byte) + Bevorzugter Port (2 Byte)

Zustimmung oder Ablehnung
Übertragungscode (1 Byte) + Name des LoRa-Netzwerks (4 Byte) + Bevorzugter Port (2 Byte) + Ergebnis (1 Byte)

Up-Link
Übertragungscode (1 Byte) + Name des LoRa-Netzwerks (4 Byte) + Remote-IP-Adresse (4 Byte) + Remote-Port (2 Byte) + Lokale-IP-Adresse (4 Byte) + Lokaler Port (2 Byte) + Datenmenge (2 Byte) + Daten

Down-Link
Übertragungscode (1 Byte) + Name des LoRa-Netzwerks (4 Byte) + Remote-IP-Adresse (4 Byte) + Remote-Port (2 Byte) + Lokale-IP-Adresse (4 Byte) + Lokaler Port (2 Byte) + Datenmenge (2 Byte) + Daten

Fortsetzung des Up-Links
Remote-IP-Adresse (4 Byte) + Remote-Port (2 Byte) + Datenmenge (2 Byte) + Daten

Ich habe zwei Clients für Arduino und für M5Stack geschrieben. Sie das Video können sehen, wie es funktioniert. In der Wohnung gibt es keine Probleme, Feldtests habe ich noch nicht gemacht.

Der Quellcode ist auf GitHub verfügbar unter dem Link

Mehr über das Basisgerät M5Stack erfahren und kaufen können Sie hier

Drahtlose LoRa-Module für das Basisgerät auswählen können Sie hier

Ich würde mich freuen, wenn dieses Projekt Ihnen nützlich sein wird. Vielen Dank für Ihre Zeit!

Literaturverzeichnis und (oder) Quellen:

• Habr Q&A "Was ist ein asynchroner Socket?"
• Wikipedia "UDP"

Quelle: habr.com