Projekt ELEKTRONIČKA META
Komunikacijski protokoli
Za bežičnu komunikaciju između mete i strijelca (do 300 metara) logički izbor je Long Range (LoRa) modul koji omogućuje prijenos podataka na velike udaljenosti uz iznimno malu potrošnju energije. Takvi moduli omogućuju prijenos digitalnih podataka na udaljenosti 2-15 km (ovisno o konfiguraciji terena) na nelicenciranim ISM radio frekvencijama od 433 MHz, 868 MHz ili 915 MHz. Veliki domet i mala potrošnja idu na štetu brzine prijenosa podataka koja je niska, obično od 0,3 kbps do 50 kbps. Ovo je posve dovoljno za naše senzorske podatke, ali svakako ne bi bilo dovoljno za video ili glasovnu komunikaciju.
Strana mete (predajnik)
U našem slučaju, za povezivanje EPM570 sa ESP32, kao i za povezivanje ESP32 sa bežičnim LoRa modulom koristi se brza SPI sabirnica.
Međutim, iako je SPI brzina između MCU-a ESP32 i LoRa modula velika (1 MHz do 10 MHz) i MCU može “napuniti” međuspremnik (buffer) LoRa modula u djeliću milisekunde, sam bežični prijenos tih podataka iz buffera traje puno duže. Kako je odziv senzora zbog RC konstante usko grlo detektorskog sustava (unatoč vrlo brzoj logici), tako je i bežični protokol slanja podataka usko grlo u komunikacijskom dijelu (unatoč vrlo brzim SPI sabirnicama).
LoRa je naime bežični sustav dizajniran za veliki domet uz malu potrošnju struje (što nama svakako i treba), ali nije dizajniran i za veliku brzinu. Također u mnogim regijama (uključujući Europu), zakonski smijete emitirati samo 1% vremena na određenoj frekvenciji (433 MHz). To znači da nakon slanja jednog paketa, modul mora “šutjeti” određeno vrijeme, što dodatno smanjuje propusnost.
Prema našem razvijenom CPLD protokolu, jedan paket podataka za jedan hitac čini ukupno 10 bajtova (80 bita), od čega 1 bajt zauzima Header, 8 bajtova sadrže podatak za 64 senzora i 1 bajt je Checksum ili ID. Za veću metu (128 senzora) treba 18 bajtova, no to ipak ne povećava značajno vrijeme potrebno za prijenos. To je zato što svaki LoRa paket ima fiksno zaglavlje (Preamble i Header) koje zapravo oduzima većinu vremena kod slanja ovako malih paketa.
Također, vrijeme slanja znatno ovisi i o postavljenim parametrima LoRa modula: Spreading Factor (SF), Bandwidth (BW) i Coding Rate (CR). Pri optimalnim postavkama koje smo odabrali za naš LoRa Ra-02 modul (SF8, BW 125 kHz, CR 4/5), slanje 10 bajtova traje tek oko 31 ms, a slanje 18 bajtova (za 128 senzora) bi trajalo oko 41 ms. To znači da je sustav u oba slučaja gotovo trenutačno spreman za sljedeći hitac.
Čak i da želimo najveći mogući domet (teoretski do 10 km) dakle uz SF12 i propusnost 125 kHz, vrijeme slanja podataka bi bilo ispod jedne sekunde (oko 991 ms prema Semtech LoRa Calculatoru). I ovo je sasvim dovoljno za pojedinačno gađanje bilo kojim oružjem. Domet od 300 metara je i dvostruko veći nego je nama realno potreban, tako da su SF7 ili SF8 idealni za ovu distancu i dobivamo vrlo brz odziv svakako ispod 50 ms.
Sve ove kalkulacije vrijede za LoRa Ra-02 SX1278 modul koji košta oko 6 eura, međutim dostupna je novija inačica LoRa SX1262 modula. Novi modul ima bolju prijemnu osjetljivost, veću brzinu slanja podataka i bolju energetsku efikasnost. Brzina slanja podataka preko ovog modula bi mogla biti i 4x brža (7-10 ms). Cijena ovog modula je oko 8 eura.
Strana strijelca (prijemnik)
Napravio sam prve testove sa modulima EPM570 + ESP32 + LoRa Ra-02 na predajnoj strani (meta) i ESP32 + LoRa Ra-02 modulima na prijemnoj strani (strijelac). Testovi su prošli dosta dobro, međutim, došao sam do granice gdje se testiranja više ne mogu vršiti na eksperimentalnim pločicama i spajanjem „u zraku“. Sada imamo FPGA sa oscilatorom takta na 50 MHz, ESP32 sa oscilatorom takta na 40 MHz i CPU taktom 240 MHz, obrađujemo veliki broj signala reda nano-sekunde, te imamo bežične module. Potrebno je osigurati dobra i stabilna napajanja i dobre zaštite od EM smetnji kako bi mogli nastaviti sa testiranjima stabilnosti i daljnjim razvojem softvera.
Brzu digitalnu logiku možete do neke razine spajati “u zraku”, no onda sve više dolaze do izražaja vanjske EM smetnje, parazitski kapaciteti i induktiviteti i druga “preslušavanja” između vodova koja uzrokuju nestabilnost sklopa.