Loome UDP jaoks Wi-Fi ja LoRa vahel värava

Mul oli lapsepõlve unistus — anda igale kodusele "ilma Wi-Fi" seadmele pilet võrku, s.t. IP-aadress ja port. Aja jooksul sain aru, et ei tasu edasi lükata. Tuleb lihtsalt võtta ja teha.

Tehniline ülesanne

Tehke M5Stacki värav, millel on paigaldatud LoRa moodul (joonis 1). Värav on ühendatud Wi-Fi võrku, kus see saab DHCP kaudu kohalikku IP-aadressi. Värav saadab teatud ajavahemike järel "LoRa-eetris" oma nime (sarnane SSID-ile Wi-Fi-s) ning lubatud portide vahemiku, et teised seadmed teaksid, et selline võrk on olemas ja millises vahemikus nad saavad valida avatud pordi. Kuna see on prototüüp, siis autentimist seekord ei toimu. Uued kliendiseadmed leiavad saadaval oleva LoRa-võrgu ja edastavad sellele valitud pordi. Kui värav on saanud uue kliendi porti, kontrollib ta, kas see on vaba, ja kui jah, registreerib uue kliendi ning hakkab kuulama antud porti oma asünkroonse UDP-serveri kaudu. Pärast registreerimist saab klient kas jahisõnumi või keeldumise valitud pordi kasutamiseks. Töökorraldus on esitatud tabelis 1.

Joonis 1

Tabel 1

külg
suund ja andmed
külg
seanss

[ klient ]
<— signaal-märkerohi —
[ värav ]
0xA1

[ klient ]
— valitud port —>
[ värav ]
0xB1

[ klient ]
<— nõusolek või keeldumine —
[ värav ]
0xA2

[ klient ]
— UPD-pakett —>
[ värav ]
0xB2

[ klient ]
<— UPD-pakett —
[ värav ]
0xA3

[ võrk ]
<— UPD-pakett —
[ värav ]
0xC1

Minu laual on igasuguseid M5Stack'i mooduleid, mis ootavad tegevust. Vaatame LoR'it ja meelelahutame end sellega. Moodulite mõte on suurepärane! Mida siin öelda? Kuid mul on esimesed versioonid, milles on kohutav sisseehitatud antenn, mis on valmistatud painduvale trükkplaadile ja kleebitud korpuse külgpinnale. Ma tegin kord nende moodulitega välitestide seeria (saate vaadata vene keelses YouTube'i kanalis):

Loomulikult tuli need jäänused eemaldada ja keevitada sisse standardsed spiraal antennid, mis tulevad koos Ra-01'ga. Pärast sellist kohandamist paranes ühenduse ulatus märgatavalt, kuid tekkis kõrvalmõju — antenn on suurema läbimõõduga kui lubatud kaugus moodulite vahel. Tuli projektist loobuda Lõppmodulist ajutiselt.

Alguses ilmnevad raskused synhroniseeritud jäikusega

Tundub, et võta raamatukogu WiFiUdp.h, kus on kõik vajalikud tingimused UDP-serveri mugavaks toimimiseks, paraku ei ole. Raamatukogu on mõeldud sünkroonse serveri seadistamiseks, mis, kurvastuseks, ei suuda samal ajal hallata mitut ühendust ühes voos. Selline raamatukogu ei sobi praeguseks ülesandeks. Olin sunnitud jooma palju tassi teed ja otsima raamatukogu, mis võimaldaks seadistada asünkroonset UDP-serverit, mis suudab toetada mitut ühendust korraga. Selline raamatukogu leiti — AsyncUDP.h. Mis on siis sünkroonse ja asünkroonse serveri vahe? Vaatame kuut episoodi joonisel 2, kus on lihtsalt näidatud sokettide töövõimaluste eri variandid.

Joonis 2

Peaosades:

Inimene rollis Soket;

Tuvi rollis Ühendus;

Kiri rollis Andmed.

Episood A. Sünkroonne soket ilma ajaülevaatuseta

Inimene seisab, kuni Tuvi toob talle Kirja.

Episood B. Sünkroonne soket ajaülevaatuseta

Inimene ootab koos Tuvi kokkulepitud aega ja, kui Tuvi ei tule õigeks ajaks, siis Inimene lahkub.

Episood C. Sünkroonne soket mitme lõimega

Inimene laiskleb ja jälgib, kuidas Tuvid ise toovad Kirju.

Episode D. Asünkroonne sokket (kui pole veel midagi vastuvõtta)

Inimene tegeleb oma lemmiktegevustega, kuid ei unusta Tuvisid.

Episode E. Asünkroonne sokket (kui on, mida vastu võtta)

Inimene eemaldas korraks oma tegemistest, et saada kiri Tuvalt.

Episode F. Asünkroonne sokket koos mitme toiminguga

Inimene tegeleb oma asjadega ja jälgib, kuidas Tuvid toovad Kirjat ise.

Kui olete tähelepanelik olnud, siis kindlasti olete märganud, et Tuvidel on igas episoodis kindel kaelarihmade värv. Ja see pole juhuslik. Episoodides A ja B töötab serveris vaid üks sokket. Episoodis C töötab juba kaks sokket. Episoodides D, E ja F on juba kolm sokket. "Miks seal on kaks ja siin kolm?" — küsite teie. Need on tinglikud 2 ja 3, tegelikult võib 2 asemel olla 20 ja kolme asemel 200. Eesmärk on näidata, et asünkroonsed soketid ei koorma riistvara nii, nagu sünkroonsed.

Kuhu, kui palju, mida mahub?

Vaatame tabelit 1, kus on toodud UDP-paketi struktuur ja mõtleme, mida sellega teha.

Tabel 1. UDP-paketi struktuur

Bitid
0 — 15
16 — 31

0-31
Saatja port (Source port)
Saaja port (Destination port)

32-63
Datagrammi pikkus (Length)
Kontrollsumma (Checksum)

64-…
Andmed (Data)

Lisame selles tabelis veel ühe väliku algusesse Sessioon (1 bait). Seda on selle projekti jaoks piisavalt. Sessioonist lähtuvalt teab seade, kuidas paketiga edasi tegutseda. Nüüd mõtleme välja sessioonikoodid ja kanname need tabelisse 2.

Tabel 2. Sessioonide selgitus

Kood
Nimi
Selgitus

0xA1
Majakas
Värav edastab LoRa võrgu nime ja lubatud portide vahemikku teatud sagedusega. See on vajalik, et uued kliendid näeksid saadaolevat võrku, ja juba registreeritud kliendid, kui ülegandeid ei toimu, saaksid määrata signaali taset.

0xB1
Püsiküsimus
Kui klient on võrgu avastanud, saadab ta soovitud porta.

0xA2
Nõusolek või keeld
Kui klient soovitud port on vaba, vastab server nõusolekuga, muul juhul toimub keeld.

0xB2
Ülesülekande
Kui klient edastab UDP-paketti väravale.

0xA3
Allasülekande
Kui värav edastab UDP-paketti kliendile.

0xC1
Ülesülekande jätk
Kui värav saadab UDP-paketti kohaliku võrku.

Hea. Nüüd arutame sessioonide koostist tabelis 3.

Tabel 3. Sessioonid

Sessiooni nimi
Koostis

Majakas
Sessioonikood (1 bait) + LoRa võrgu nimi (4 baiti) + Algne port (2 baiti) + Lõpp-port (2 baiti)

Püsiküsimus
Edastuskoodeks (1 bait) + LoRa võrgu nimi (4 bait) + Eelistatud port (2 bait)

Nõusolek või keeld
Edastuskoodeks (1 bait) + LoRa võrgu nimi (4 bait) + Eelistatud port (2 bait) + Tulem (1 bait)

Ülesülekande
Edastuskoodeks (1 bait) + LoRa võrgu nimi (4 bait) + Kaug IP-aadress (4 bait) + Kaug port (2 bait) + Kohalik IP-aadress (4 bait) + Kohalik port (2 bait) + Andmete suurus (2 bait) + Andmed

Down-link
Edastuskoodeks (1 bait) + LoRa võrgu nimi (4 bait) + Kaug IP-aadress (4 bait) + Kaug port (2 bait) + Kohalik IP-aadress (4 bait) + Kohalik port (2 bait) + Andmete suurus (2 bait) + Andmed

Ülesülekande jätk
Kaug IP-aadress (4 bait) + Kaug port (2 bait) + Andmete suurus (2 bait) + Andmed

Olen loonud kaks klienti Arduino ja M5Stack jaoks. Saate vaadata video kuidas see töötab. Korteris pole probleeme, aga ma pole veel välitestimist teinud.

Lähtekood on saadaval GitHubis aadressil lingi kaudu

Rohkem teavet M5Stack Basic seadme kohta ning selle ostmine on saadaval siin

Valige LoRa traadita moodulid M5Stack Basic seadme jaoks siin

Olen rõõmus, kui see projekt on teile kasulik. Suur tänu, et leidsite aega!

Kirjanduse ja (või) allikate nimekiri:

• Habr Q&A "Mis on asünkroonne soket?"
• Wikipedia "UDP"

Allikas: habr.com