UDP용 Wi-Fi와 LoRa 사이의 게이트웨이 만들기

저는 어린 시절 꿈을 꾸었습니다. "Wi-Fi가 없는" 모든 가구에 네트워크 티켓, 즉 IP 주소와 포트를 발급하는 것입니다. 시간이 지나서 나는 더 이상 미룰 필요가 없다는 것을 깨달았습니다. 우리는 그것을 받아들이고 그것을 해야 합니다.

기술적 과제

LoRa 모듈이 설치된 M5Stack 게이트웨이로 만듭니다(그림 1). 게이트웨이는 Wi-Fi 네트워크에 연결되어 DHCP를 통해 로컬 IP 주소를 수신합니다. 게이트웨이는 해당 이름(Wi-Fi의 SSID와 유사)과 유효한 포트 범위를 특정 주파수의 LoRa 브로드캐스트로 브로드캐스트하므로 다른 장치는 연결할 수 있는 네트워크가 있고 범위에 있음을 알 수 있습니다. 그들은 무료 포트를 선택할 수 있습니다. 프로토타입이므로 이번에는 인증이 필요하지 않습니다. 새로운 클라이언트 장치는 사용 가능한 LoRa 네트워크를 찾아 선택한 포트를 해당 네트워크로 전송합니다. 게이트웨이는 새 클라이언트로부터 포트를 수신한 후 해당 포트가 사용 가능한지 확인합니다. 그렇다면 새 클라이언트를 등록하고 자체 비동기 UDP 서버에서 이 포트를 수신하기 시작합니다. 등록 후 고객은 신고된 항구 사용에 대한 동의 또는 거부를 받게 됩니다. 작동 절차는 표 1에 나와 있습니다.

그림 1

표 1

측면
방향과 데이터
측면
세션

[ клиент ]
<— сигнал-маяк —
[ шлюз ]
0xA1

[ клиент ]
— выбранный порт —>
[ шлюз ]
0xB1

[ клиент ]
<— согласие или отказ —
[ шлюз ]
0xA2

[ клиент ]
— UPD-пакет —>
[ шлюз ]
0xB2

[ клиент ]
<— UPD-пакет —
[ шлюз ]
0xA3

[ сеть ]
<— UPD-пакет —
[ шлюз ]
0xC1

내 앞 테이블에는 온갖 종류의 M5Stack용 모듈이 놓여 있는데 지루합니다. LoR을 가지고 재미있게 놀자. 모듈 자체의 개념은 훌륭합니다! 내가 무엇을 말할 수 있습니까? 하지만 가장 끔찍한 내장형 안테나가 있는 첫 번째 개정 모듈이 있는데, 유연한 인쇄 회로 기판으로 제작되어 케이스 측벽에 접착되었습니다. 저는 그러한 모듈에 대한 현장 테스트를 수행한 적이 있습니다(YouTube의 러시아어 채널에서 시청할 수 있습니다).

당연히 우리는 이러한 기본 요소를 제거하고 Ra-01과 함께 제공되는 표준 헬리컬 안테나에 납땜해야 했습니다. 이러한 사용자 정의 후 통신 범위가 눈에 띄게 향상되었지만 부수적인 문제가 나타났습니다. 즉, 안테나의 직경이 모듈 간 허용 거리보다 큽니다. 프로젝트 기간 동안 최종 모듈을 포기해야 했습니다.

동기식 견고성으로 인한 첫 번째 어려움

도서관을 이용하는 것 같습니다 WiFiUdp.h, UDP 서버의 편안한 존재를 위해 모든 것이 존재하는 경우에는 그렇지 않습니다. 라이브러리는 불행히도 하나의 스레드에서 여러 연결을 동시에 서비스할 수 없는 동기 서버를 생성하기 위해 설계되었습니다. 이러한 라이브러리는 현재 작업에 적합하지 않습니다. 나는 차를 많이 마셔야 했고 동시에 많은 연결을 지원할 수 있는 비동기 UDP 서버를 구축할 수 있는 라이브러리를 찾아야 했습니다. 그런 도서관이 발견되었습니다 - AsyncUDP.h. 동기식 서버와 비동기식 서버의 차이점은 무엇입니까? 소켓 작동 방식을 간단하게 보여주는 그림 2의 XNUMX개 에피소드를 살펴보겠습니다.

그림 2

주연 :

사람 역할에서 소켓;

비둘기 역할에서 연결;

피스모 역할에서 단나흐.

에피소드 A. 시간 초과가 없는 동기 소켓

그 남자는 비둘기가 그에게 편지를 가져올 때까지 서있을 것입니다.

에피소드 B. 시간 제한이 있는 동기 소켓

남자는 비둘기와 약속한 시간을 기다렸다가 시간에 맞춰 도착하지 않으면 남자는 떠나게 된다.

에피소드 C. 멀티스레딩을 사용한 동기 소켓

남자는 편히 앉아 비둘기들이 스스로 편지를 전달하는 모습을 지켜본다.

에피소드 D. 비동기 소켓(더 이상 수신할 것이 없을 때)

사람은 자신이 가장 좋아하는 일을 하지만 비둘기를 잊지 않습니다.

에피소드 E. 비동기 소켓(얻을 것이 있을 때)

그 남자는 비둘기로부터 편지를 받기 위해 잠시 일을 쉬었습니다.

에피소드 F. 멀티스레딩을 사용한 비동기 소켓

남자는 할 일을 하며 비둘기들이 스스로 편지를 전달하는 것을 지켜본다.

주의를 기울이셨다면 아마도 각 에피소드의 비둘기 목걸이에 특정 색상이 있다는 것을 눈치채셨을 것입니다. 그리고 이것은 이유가 없는 것이 아닙니다. 에피소드 A와 B에서는 단 하나의 소켓만 서버에서 작동하고 그게 전부입니다. 에피소드 C에서는 두 개의 소켓이 이미 작동하고 있습니다. 에피소드 D, E, F에는 이미 2개의 소켓이 있습니다. “왜 거기에는 3개, 여기에는 2개가 있나요?” - 물어. 이는 조건부로 20와 200이며 실제로 XNUMX 대신 XNUMX이 있고 XNUMX 대신 XNUMX이 있을 수 있습니다. 목표는 비동기 소켓이 동기 소켓만큼 철을 가열하지 않는다는 것을 보여주는 것입니다.

어디에 얼마나 들어맞나요?

UDP 패킷의 구조를 보여주는 표 1을 살펴보고 이를 통해 무엇을 할 수 있는지 생각해 보겠습니다.

표 1. UDP 패킷 구조

비트
0 - 15
16 - 31

0-31
소스 포트
대상 포트

32-63
데이터그램 길이(Length)
체크섬

64- ...
데이터

이 테이블의 시작 부분에 다른 필드를 추가해 보겠습니다. 세션 (1바이트). 이 프로젝트에는 이것으로 충분합니다. 세션을 기반으로 장치는 패킷으로 다음에 수행할 작업을 알게 됩니다. 이제 세션에 대한 코드를 작성하여 표 2에 적어 보겠습니다.

표 2. 세션 설명

암호
이름
설명

0xA1
Маяк
게이트웨이는 특정 주파수에서 LoRa 네트워크 이름과 유효한 포트 범위를 브로드캐스트합니다. 이는 새 클라이언트가 사용 가능한 네트워크를 확인하고, 전송이 없을 때 현재 클라이언트가 신호 레벨을 확인할 수 있도록 하기 위해 필요합니다.

0xB1
의뢰
클라이언트가 네트워크를 발견하면 기본 포트를 보냅니다.

0xA2
동의 또는 거부
클라이언트가 요청한 포트가 무료이면 서버는 동의로 응답하고 그렇지 않으면 거부로 응답합니다.

0xB2
업링크
클라이언트가 UDP 패킷을 게이트웨이로 보내는 경우.

0xA3
다운링크
게이트웨이가 클라이언트에게 UDP 패킷을 전송할 때.

0xC1
업링크 계속
게이트웨이가 UDP 패킷을 로컬 네트워크로 보내는 경우.

괜찮은. 이제 표 3의 세션 구성에 대해 논의해 보겠습니다.

표 3. 세션

세션 이름
구조

Маяк
세션 코드(1 Byte) + LoRa 네트워크 이름(4 Byte) + 시작 포트(2 Byte) + 끝 포트(2 Byte)

의뢰
전송 코드(1Byte) + LoRa 네트워크 이름(4Byte) + 기본 포트(2Byte)

동의 또는 거부
전송 코드(1 Byte) + LoRa 네트워크 이름(4 Byte) + 기본 포트(2 Byte) + 결과(1 Byte)

업링크
전송 코드(1Byte) + LoRa 네트워크 이름(4Byte) + 원격 IP 주소(4Byte) + 원격 포트(2Byte) + 로컬 IP 주소(4Byte) + 로컬 포트(2Byte) + 데이터 크기(2Byte) ) + 데이터

다운링크
전송 코드(1Byte) + LoRa 네트워크 이름(4Byte) + 원격 IP 주소(4Byte) + 원격 포트(2Byte) + 로컬 IP 주소(4Byte) + 로컬 포트(2Byte) + 데이터 크기(2Byte) ) + 데이터

업링크 계속
원격 IP 주소(4바이트) + 원격 포트(2바이트) + 데이터 크기(2바이트) + 데이터

저는 Arduino와 M5Stack용으로 두 개의 클라이언트를 작성했습니다. ~에 비디오 어떻게 작동하는지 볼 수 있습니다. 아파트 내부에는 아무런 문제가 없습니다. 아직 현장 테스트를 수행하지 않았습니다.

소스 코드는 GitHub에서 사용할 수 있습니다. 링크

M5Stack 기본 장치에 대해 자세히 알아보고 구매할 수 있습니다. 여기에

기본 장치에 LoRa 무선 모듈을 선택할 수 있습니다. 여기에

이 프로젝트가 당신에게 도움이 된다면 기쁘겠습니다. 시간 내 주셔서 대단히 감사합니다!

참고문헌 및/또는 출처 목록:

• Habr Q&A “비동기 소켓이란 무엇입니까?”
• 위키피디아 "UDP"

출처 : habr.com