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APRS over LoRa 系統介紹
概要
這個專案是我們引用sh123 的[開源 LoRa 專案] (https://github.com/sh123/esp32_loraprs) 進行改寫的部分,在這個倉庫中裡面的版本,有些是移除掉藍芽功能純跑 iGate 的程式碼,由於藍芽佔的程式體積過於龐大,所以我把它給移除,並且加進去了 OTA 的功能,以利遠端維護程式碼。
簡介
傳統的封包無線電中,我們在 FM 上使用 AFSK (Bell 202) 調變傳輸 AX.25 訊框;不過到了 2020 年配合物聯網使用的低成本無線通訊模組變得常見,其中 LoRa 協定特別適合使用於業餘無線電中(有現成的,能運作在 UHF 業餘頻段的模組),於是我們構想透過 LoRa 來進行 APRS 封包的傳輸。 LoRa是一個低功率遠距離的傳輸協定,它可以透過展頻來增強在弱信號狀況下的解碼能力,且對 CW (Continuous Wave) 干擾有一定的免疫能力。 經歷了很久的發展,我們的板子到了第三代,雖然我們的專案停滯了一段時間,但最近我們重啟了這項專案。
專案特色
- 相容性高:我們只有把實體層的傳輸協定改成 LoRa 其他層協定皆與傳統 APRS 無異,因此可以相容現有 APRS 的軟體。
- 成本低廉:追蹤器成本標配目前價格為 725 元,需搭配安卓手機使用。
- 開源免費:我們的電路圖以及程式碼皆以 GPL 3.0 開源條款授權,您可以自由地使用這個專案。
- 通用性:除了可用我們設計的板子之外,還可以使用TTGO T-Beam 、 T-Echo 的現成開發版來發射(但是比較不建議)
價格表
三代
- 標配版本 725 元。
- GNSS模駔 +500 元。
- 充電版 +100 元。
- OLED +125 元。
- 電池 尚未採購。
四代
標配版本 等待報價中。
GNSS模駔 +500 元。
充電版 +100 元。
OLED +125 元。
目前三代版沒有現貨,而一次訂購需要做五片,大約需要兩千多元的成本,所以有興趣購買者可以聯絡我,我會盡快安排。
實際運作
我們採用了國外開源作者 sh123 的開源LoRa專案進行使用,而這個倉庫是存放我們修改過的程式碼,這個專案蠻符合我們的需求,所以就採用這個作者的開源作品,大家有興趣可以進去專案的頁面點個星星鼓勵作者。 sh123 的程式可以不使用 GNSS 定位模組,透過手機藍芽連接 ESP32 ,然後丟資料給 ESP32 之後再透過 LoRa 模組進行發射。 另外原本基於 ESP32 的 TNC 接收到封包後還必須透過 USB 序列傳輸到電腦的 APRS 軟體內,最後再上傳到 aprs.fi 上,但是 sh123 的專案的解決方案,為直接使用 ESP32 的網路功能進行封包的上傳,這樣架設接收站台,就不需要依賴電腦或樹梅派了。 在某些需求下有可能會使用 GNSS 模組例如:認為依賴手機不便者或是說使用 ios 的使用者,這個時候可以考慮選配版子的 GNSS 模組進行改裝,再搭配 BX4ACV 寫的程式碼來進行燒綠。 如果沒有版子但是有 TTGO T-Beam 、 T-Echo的版子,最近我成功移植到這兩個平台,不過功能還在測試中,使用時可能會遇到一些問題。
待完成的坑(軟體方面)
- 雖然 sh123 的專案很讚,但仍有一些缺點,例如:它的 BLE 功能有問題,無法正常運作,這樣導致 ios 的使用者透過 APP 進行連線時功能無法正常的運作。
- DIGI 功能有潛在的問題,尚在研究中。
空中 AX.25 訊框格式
與標準 AX.25 相同,有使用 CRC 來檢查封包是否毀損,如果毀損就丟棄。
材料/零件
追蹤器
如果你想要自己訂製 LoRa 板子可以到板子作者 BV5DJ 的專案頁面存取,板子的電路圖,並且送訂單給嘉利創製造板子,當然這也是開源的,所以你也可以自己重新設計自己喜歡的樣式。 或是可以在淘寶自行購買 TTGO T-Beam 的 LoRa 開發版來使用,
通訊距離
我們使用發射端運作在 UHF 頻率,以我的基地台 (iGate) 使用 106cm 的車天線,移動端的部分採用 40cm 的手機天線在車車外發射,目前極限距離最遠來到 7Xkm (北屯到梅山鄉瑞峰附近),在市區的話以台中為例:東半部基本上可以涵蓋,由於我的基地位於北屯,所以台中西邊的區域效果可能會比較差,但經過以放大器增加功率,並把手持機天線吸在汽車引擎蓋上,在台中西側發射仍可以收到封包。
至於東側部分,目前測試到太平那邊都是可以收到的(如下圖)
神雅潭自行車道測試( 400mW 40CM 手持機天線)
新竹外婆家測試,我接收端使用 40cm 手持機天線,然後發射端使用長度很短的普通 433Mhz 通訊天線。以下是測試的結果。
新竹後來安裝車天線試跑的結果圖
涵蓋範圍
目前實測涵蓋範圍。條件 40cm 手持機天線 2.6W 發射。 台中站: 106CM 車天線。 新竹站: 11XCM 車天線。 雲嘉站: 200木瓜。
台中
- 北屯區。
- 新社區(部分)
- 太平區。
- 霧峰區。
- 西屯區。
彰化
- 八卦山-彰化段。
- 北斗
南投
- 八卦山-南投段。
- 國道三號南投路段。
雲林
- 開車經過有被接收到,實際涵蓋仍需測試。
- 古坑。
- 斗六。
- 斗南。
- 土庫。
- 東勢。
- 台西。
- 麥寮。
- 嘉義快速道路沿途。
- 西濱沿途等地方。
- 國道一號西螺服務區以南,台南鹽水區以北。
專案連結
https://github.com/sh123/esp32_loraprs
專案依賴的函式庫
依照 sh123 作者的實作,以下是您需要安裝的函式庫。
- Arduino ESP32 (ESP32的開發環境)。
- RadioLib (控制LoRa晶片用的,我們採用SX1268晶片)。
- Arduino Timer。
- CircularBuffer。
- DebugLog。
通訊參數
頻率: 430.64Mhz
。
頻寬: 125kHz
。
SF: 12
。
CR: 8
。
CRC: 2
。
LORA_EXPLICIT:false
。
SYNC: 0x12
。
PWR: 22
討論社群
如果您有興趣想要購買板子來玩或是您遇到問題想要詢問,可以透過以下管道連絡到我們。
- 我們的 Telegram 社群 https://t.me/NeoNetworkHamRadio 。
- 加我的 LINE ID:pepetoad
Q&A
Q:相比傳統的 FM AFSK 傳輸方式 LoRa APRS 有什麼優勢?
LoRa 具有低功率遠距離的優勢,如前文涵蓋範圍的 Demo 我們僅使用不到 3W 的功率(模組本身 1W )就達到了廣大涵蓋範圍,雖然傳輸速度僅僅 18Xbps 但是對於座標的傳送已經十分足夠。
Q:為何你們要採用 E22-400M30S 這款模組?
當初在選購模組時,主要會採用有兩點:
- 模組有一瓦的輸出功率。許多 LoRa 模組僅僅幾百毫瓦,我們認為瓦數過低。(加上功率放大器可以來到 2W 但是模組不能全功率輸出,不然長期下來模組的功率會衰退)。
- 該模組採用最新一代的 SX1268 晶片,相比上一代的 SX1278 晶片,新一代的晶片具有更低的功耗以及更強的接收能力,再加上該模組有 LNA 的設計,讓接收的靈敏度最低可達 -14Xdbm 比依據公式計算出來的靈敏度還要更高。
Q:為何你們不要使用現成的 LoRa32 晶片的開發版( TTGO系列 )來當追蹤器就好?
其實我們有購買TTGO T-Beam 的產品來做實驗,但發現了幾個缺點:
- 採用上一代晶片。
- 輸出功率僅 100mW
- 內建的 GNSS 定位模組過於老舊,性能不佳。(新的 T-Beam 改採用較新的晶片,可以考慮購買) 以上這些因素所以我們自己設計板子,並且使用 E22-400M30S 這款模組,根據我們在國外 LoRa APRS 的社群中觀察發現,已經有人採用這款模組了。 但是 TTGO T-Beam 的優勢是成本比我們自己製作的來的低,對於預算有限的參予者可以考慮這個選項。
- 目前藍芽版本的韌體(sh123)以及使用 TTGO T-Beam 內建的 GNSS 定位模組發射皆可以使用, ios 使用者請安裝使用內建 GNSS 的韌體。
Q:我對此專案有興趣,可以索取版子來玩嗎?要收費嗎?有什麼必須條件?
如果您的 QTH 位於台中、雲林、嘉義、新竹,這些地區目前有站台涵蓋,如果沒有架設站台意願的人,可以僅索取追蹤器。 目前三代版,不含 GNSS 定位模組等等附件,價格725元。收費是為了專案的永續經營,如果不想付費可以自己送PCB板子去製作,或者是購買價格較低的 TTGO T-Beam 來使用,程式碼的部分已經放在該專案的 GitHub 的倉庫之中。
Q:我覺得選配的零件太貴了,我可以自己買零件來 DIY 嗎?
可以喔,板子是您自己的,你想怎麼改都行,也歡迎分享改裝心得。
Q:前面有聽你提到放大器,這個再購買板子時會附嗎?
根據目前試驗下來的結果,如果不是在都市叢林內,其實 1W 基本上就可以通很遠了,但如果您希望功率可以更大的話可以點我購買放大器。 請注意: 如果您使用放大器,LoRa 模組不得超過 316 mW 否則長期使用下來模組的發射功率會衰減。(調整方式請聯絡我)
Q:我有動手做的能力,我發現板子上有預留一些電路接頭可以來改造它嗎?
可以的。我們的專案是全面開源的,而且版子是您自己的,您可以在本頁面找到電路圖等等資訊,在符合 GNU GPLv3 的條件下都可以自由改裝。
拿到套件該注意的事項
開機時請一定要接上天線
這樣做是確保在不確定模組何時發射時,不會因為駐波過高而損毀模組,所以請開機後一定要接上天線。
可以接放大器,但…..
請注意放大器的最高功率耐入力,輸入過高的功率給放大器,除了會造成模組的發射晶體功率衰退外,長期使用下來放大器會燒掉(親身經歷)。
架設iGate注意事項
在iGate模式下,當發送信標時,除了會向網路送封包以外,射頻部份也會發射,所以千萬要注意您的天線系統是可以發射的。
架設站點周圍有強訊號
如果您架設站台周遭會有過強的訊號,你必須買帶通濾波器來過濾強訊號。
關於以及程式碼授權
此專案所有文檔以及程式碼均以 GNU GPLv3 或更新版本釋出
程式作者:BX4ACV(交流電)(一代、二代板子的程式碼)、sh123 (三代板子採用)。
PCB電路板開發:BV5DJ
程式研究與改良:BX2AHP
站台場地架設、程式研究:BM2OBM https://www.tmmarc.org
感謝以上同好的努力與付出,沒有你們就不會有這個專案。
專案贊助推廣:BX4ACP(蜜蜂)