Arduino e reti wireless LoRa (long range)

Si riporta in parte il documento redatto da Paolo Bonelli , che spiega veramente bene: come costruirsi una MiniReteLoRa .... e monitorare qualsiasi cosa (o quasi)

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AGGIORNAMENTO PDF ENG ver.5 del 29 Ago. 2023 disponibile a fondo pagina

Sommario

• Introduzione
• Cos'è e a cosa serve una MiniReteLoRa
• Perchè scegliere una MiniReteLoRa
• Come si fa?
• Hardware
• La scheda-sensore TX: LILYGO TTGO T-Deer Pro Mini
• La scheda Ricevitore RX: LILYGO TTGO LoRa32 T3_V1.6.1 (LoRa32 V2.1_1.6)
• La scheda Ricevitore RX: LILYGO TTGO LORA32 868/915Mhz (LoRa32 V1.0)
• Software
• La struttura del messaggio inviato
• Programma per un nodo TX: TX_Generic
• Struttura del programma per un nodo RX: RX_Generic_autoconnect
• Il livello del segnale RSSI e le antenne
• Librerie
• Server esterni
• Funzionamento del nodo RX
• Prove di affidabilità di una MiniReteLoRa
• Conclusioni

Introduzione

Oggi si parla tanto di IOT (Internet Of Things), intendendo oggetti sparsi per la casa, la fabbrica o un campo aperto che mandano dati su Internet allo scopo di monitorare parametri critici ed eventualmente attivare segnali di allarme.

Sistemi del genere sono già in commercio, ma, oltre al prezzo, l'ostacolo principale per un chi cerca un'applicazione particolare è la loro scarsa duttilità.
Quali tecnologie può usare un privato che vuol fare tutto da sè?
Per un privato con poca dimestichezza con l'elettronica è necessaria una tecnologia di trasmissione dati che usi hardware economico e software open source possibilmente di facile uso; inoltre può essere utile che questi sistemi funzionino anche fuori dalle mura di casa, all'aperto, dove non è presente alimentazione elettrica e rete WiFi.

In questo articolo si impara a costruire una rete di sensori che trasmettono i dati su Internet a basso costo, muovendono i primi passi verso un'esperienza entusiasmante, forse al pari di quella provata da Guglielmo Marconi alla fine del XIX secolo, quando, nel parco della sua villa, vide arrivare, con grande giubilo sul suo ricevitore rudimentale, un segnale trasmesso via radio e partito a qualche chilometro di distanza.

Cos'è e a cosa serve una MiniReteLoRa

Partiamo da alcuni esempi di applicazioni pratiche:

• in un campo coltivato c'è la necessità di misurare la temperatura dell'aria, del suolo, il contenuto di acqua nel terreno e altro, ma siamo lontani da una casa con WiFi;
• sempre in campagna, dobbiamo comandare una pompa per sollevare l'acqua da un pozzo e riempire un serbatoio quando sta per vuotarsi, ma questo si trova parecchio distante; vogliamo inoltre che la pompa si accenda automaticamente e seguire il funzionamento di tutto il sistema su Internet;
• abbiamo una serra dove è importante tenere sotto controllo la temperatura dell'aria in vari punti per comandare gli impianti di riscaldamento o l'apertura delle prese d'aria, però non vogliamo tirare fili in mezzo alle piante;
• vogliamo sapere dove è andato a finire il nostro cane o la mucca che pascola o la capra che si arrampica su un dirupo.

Fin qui si tratta di applicazioni agricole, ma pensiamo anche alla misura delle polveri sottili in aria nei giardinetti dove giocano i nostri figli, a scuola o più in generale all'inquinamento di ecosistemi acquatici come fiumi e laghi.
Tutte queste applicazioni richiedono sensori, elettronica di acquisizione-trasmissione dei dati e un ricevitore concentratore. Quale sistema si può usare per trasmettere i dati? La rete GSM-4G? Una rete WiFi? Nel primo caso dovremmo pagare un canone e dotare ogni scheda-sensore di una SIM con un consumo di energia che non ci permette di far durare la carica della batteria per mesi; nel secondo caso avremmo bisogno di schede-sensore dotate di WiFi, sempre con un consumo di batteria non trascurabile e un router WiFi/GSM come concentratore con una copertura che non potrebbe superare i 100-200 m.

Da alcuni anni una nuova tecnologia di trasmissione si è resa disponibile con il relativo Hw e Sw: si tratta di LoRa (Long Range). La sigla indica una tecnica di modulazione del segnale radio che permette di avere una grande sensibilità nel punto di ricezione, ne consegue una copertura di chilometri, come dice il nome, con potenza di uscita del trasmettitore ridotta al minimo e tempi di trasmissione brevi per ogni scheda-sensore.
LoRa, in Europa, usa la banda libera di 868 MHz a patto di non occuparla per più del 1% del tempo.
Immaginate un sensore che trasmette pochi dati ogni 5 minuti con un tempo di trasmissione di 70 ms (millisecondi), la percentuale di occupazione della banda è di circa 0,02 % che ci permetterebbe di avere fino a 50 schede sensori!! Il consumo tipico di una scheda sensore è di 140 mA in trasmissione e 0,30 mA a riposo, (con la CPU in sleep), quindi il consumo medio, sempre per lo stesso esempio, è di 0,32 mA. In queste valutazioni non ho tenuto conto del consumo dei sensori, che comunque può essere trascurabile se questi sono attivati solo poco prima della trasmissione dei loro dati.

L'uovo di Colombo per le nostre necessità?
Si ma quali difficoltà si incontrano a costruirsi una rete simile? Esiste in commercio qualcosa chiavi in mano?
Bisogna essere super esperti nel Hw/Sw?
Qui ci viene incontro il mondo dell'open source: quell'universo di conoscenze disponibili sulla Rete, gratuite e spesso rese facili da abili divulgatori. In più esiste un mercato dell'hardware a basso costo che si espande sempre di più offrendoci sensori, microcontrollori e soluzioni di facile cablaggio. Se siamo già capaci di collegare un sensore ad un microcontrollore come Arduino, possiamo con poco sforzo entrare nel mondo dell'Internet of Things (IOT) che usa LoRa e costruirci la nostra MiniReteLoRa.
Adesso cercherò di descrivere l'architettura di quella che io chiamo MiniReteLoRa, una rete di sensori trasmettitori e ricevitore concentratore, completamente autonoma, che non ha bisogno cioè di appoggiarsi a particolari server esterni e sottostare a complessi protocolli.