Loome Wi-Fi ja LoRa vahel UDP-i sild.

Mul oli lapsena unistus — anda igale kodusele „ilma Wi-Fi-ta“ seadmele pilet võrku, st IP-aadress ja port. Mõne aja pärast sain aru, et ei tasu edasi lükata. Tuleb võtta ja teha.

Tehniline ülesanne

Tehke M5Stackist sild, millel on paigaldatud LoRa moodul (joonis 1). Sild ühendatakse Wi-Fi-võrguga, et saada DHCP kaudu kohalik IP-aadress. Sild edastab regulaarselt „LoRa-eetris“ oma nime (sarnane SSID-le Wi-Fi-le) ja lubatud portide vahemikku, et teised seadmed teaksid, et selline võrk on olemas, millele saab ühenduda ja millises vahemikus vabade portide valida. Kuna see on prototüüp, pole autentimine seekord vajalik. Uued kliendi seadmed leiavad saadaval oleva LoRa-võrgu ja edastavad selle valitud porta. Pärast seda, kui sild on saanud uuelt kliendilt porta, kontrollib, kas see on vaba, ja kui jah, registreerib uue kliendi ning hakkab kuulama antud porta oma asünkroonse UDP-serveris. Pärast registreerimist saab klient nõusoleku või keeldumise valitud porta kasutamiseks. Töökorraldus on esitatud tabelis 1.

Joonis 1

Tabel 1

külg
suund ja andmed
külg
sessioon

[ klient ]
<— signaal-majak —
[ sild ]
0xA1

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

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

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

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

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

Minu laual on erinevad M5Stacki moodulid ja nad igatsevad. Vaatame, kas saame LoR'aga natuke lõbutseda. Moodulite kontseptsioon on suurepärane! Mida siia öelda? Aga mul on esimesed versioonid, kus on kohutav integreeritud antenn, mis on tehtud paindlikust trükkplaadist ja liimitud korpuse külgseinale. Ükskord viisin läbi välitestid nende moodulitega (võite vaadata venekeelsel YouTube'i kanalis):

Muidugi tuli need jäägid eemaldada ja sisse joodetakse standardsed spiraalsed antennid, mis tulevad koos Ra-01-ga. Pärast sellist kohandamist on sideulatus märgatavalt paranenud, kuid tekkis kõrvalnäht — antenni läbimõõt on suurem kui lubatud kaugus moodulite vahel. Tuli projektis ajutiselt loobuda lõppmodulist.

Esimene raskus sünergilise jäikuse tõttu

Tundub, et võtta on raamatukogu WiFiUdp.h, kus kõik on olemas mugavaks UDP-serveri eksisteerimiseks, nii et ei ole. Raamatukogu on mõeldud süntaktilise serveri loomiseks, mis, sügava kahetsusega, ei saa korraga teenindada mitmeid ühendusi samas lõimes. Selline raamatukogu ei sobi praeguseks ülesandeks. Pidi jooma palju tasse teed ja otsima raamatukogu, mis võimaldaks luua asünkroonset UDP-serverit, mis suudab toetada palju ühendusi samaaegselt. Selline raamatukogu leiti — AsyncUDP.h. Mis on asünkroonse serveri ja süntaktilise serveri vahe? Vaatame kuut episoodi joonisel 2, kus on selgelt näidatud sokettide töövõimalusi.

Joonis 2

Peaosades:

Inimene rollis Sokett;

Kohvits rollis Ühendus;

Kiri rollis Andmed.

Episood A. Süntaktiline sokett ilma ajapiiranguta

Inimene seisab, kuni Kohvits toob talle Kirja.

Episood B. Süntaktiline sokett ajapiiranguga

Inimene ootab Kohvitsa kokkulepitud aega, ja kui ta ei saabu õigel ajal, lahkub inimene.

Episood C. Süntaktiline sokett mitme lõimega

Inimene loorib ja jälgib, kuidas Kohvits ise Kiri toob.

Episood D. Asünkroonse soketi (kui pole veel midagi vastu võtta)

Inimene tegeleb oma lemmiktegevustega, kuid ei unusta Kohvitsaid.

Episood E. Asünkroonse soketi (kui on, mida saada)

Inimene eemaldas veidi oma tegevust, et saada kiri Kohvitsalt.

Episood F. Asünkroonse soketi mitme lõimega

Inimene tegeleb oma asjadega ja jälgib, kuidas Kohvits ise Kiri toob.

Kui olite tähelepanelik, siis olete tõenäoliselt tähele pannud, et Kohvitsate kaelarihmadel igas episoodis on kindel värv. Ja see pole juhus. Episoodides A ja B töötab serveris ainult üks sokett ja kõik. Episoodis C töötavad juba kaks soketti. Episoodides D, E ja F on juba kolm soketti. „Miks seal on kaks ja seal kolm?” — küsite Te. See on tinglikult 2 ja 3, tegelikult võib seal olla 20, ja kolmes 200. Ülesanne näidata, et asünkroonsed soketid ei koormata riistvara sama palju kui süntaktilised.

Kuhu ja kui palju midagi mahub?

Vaatame tabelit 1, kus on toodud UDP-paketi struktuur, ja mõtleme, mida selle tegemisega alustada.

Tabel 1. UDP-paketi struktuur

Bitid
0 — 15
16 — 31

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

32-63
Daatagrafi pikkus (Length)
Kontrollsummad (Checksum)

64-…
Andmed

Lisame juurde veel ühe välja tabeli algusesse Seanss (1 bait). Seda on antud projekti jaoks piisavalt. Seansi põhjal saab seade aru, mida teha paketiga edasi. Nüüd mõtleme välja koodid seansside jaoks ja kirjutame need tabelisse 2.

Tabel 2. Seansside selgitus

Kood
Nimi
Selgitus

0xA1
Piik
Loodus häälestab LoRa võrgu nime ja lubatud sadamate vahemiku kindla ajavahemiku järel. See on vajalik, et uued kliendid näeksid saadaval olevat võrku, ja olemasolevad kliendid saaksid signaali taset määrata, kui edastusi ei toimu.

0xB1
Päring
Kui klient on võrgu avastanud, saadab ta eelistatud sadama.

0xA2
Nõusolek või keeldumine
Kui kliendi poolt küsitud sadam on vaba, vastab server nõusolekuga, vastasel juhul keeldumisega.

0xB2
Üleslink
Kui klient edastab UDP-paketi siit.

0xA3
Allaling
Kui siht edastab UDP-paketi kliendile.

0xC1
Üleslinki jätkamine
Kui siht saadab UDP-paketi kohalikku võrku.

Hea. Nüüd arutame seansside koostist tabelis 3.

Tabel 3. Seansid

Seansi nimi
Koostis

Piik
Seansi kood (1 bait) + LoRa võrgu nimi (4 baiti) + Algne port (2 baiti) + Lõpp-port (2 baiti)

Päring
Edastamise kood (1 bait) + LoRa võrgu nimi (4 baiti) + Eelistatud port (2 baiti)

Nõusolek või keeldumine
Edastamise kood (1 bait) + LoRa võrgu nimi (4 baiti) + Eelistatud port (2 baiti) + Tulemus (1 bait)

Üleslink
Edastamise kood (1 bait) + LoRa võrgu nimi (4 baiti) + Kaug-IP-aadress (4 baiti) + Kaug-port (2 baiti) + Kohalik IP-aadress (4 baiti) + Kohalik port (2 baiti) + Andmete suurus (2 baiti) + Andmed

Allaling
Edastamise kood (1 bait) + LoRa võrgu nimi (4 baiti) + Kaug-IP-aadress (4 baiti) + Kaug-port (2 baiti) + Kohalik IP-aadress (4 baiti) + Kohalik port (2 baiti) + Andmete suurus (2 baiti) + Andmed

Üleslinki jätkamine
Kaug-IP-aadress (4 baiti) + Kaug-port (2 baiti) + Andmete suurus (2 baiti) + Andmed

Kirjutasin kaks klienti Arduinole ja M5Stackile. Saate video vaadata, kuidas see töötab. Korteris pole mingeid probleeme, välitestid pole veel tehtud.

Allika kood on saadaval GitHubis aadressil lingil

Saate rohkem teada M5Stacki baasseadmest ja osta selle siit

Saate valida LoRa-ühenduse mooduleid baasseadmest siit

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

Kirjanduse ja (või) allikate loetelu:

• Habr Q&A „Mis on asünkroonne sokkel?”
• Wikipedia „UDP”

Allikas: habr.com