Использование LoRa для интеграции кота в IoT

Я всегда мечтал жить в деревне - чтобы зелень и птички щебетали летом - но недалеко от города и выбора удобств. И наконец мечта сбылась - я поселился в доме с садом, в местечке Дёйвендрехт, тихой деревне, которая ближе к центру Амстердама чем половина собственных его районов.

А в дом с садом просто необходимы коты.

Держать котов в квартире никогда не казалось правильным - ведь эти пушистые любопытные существа имеют в голове высокоэффективные нейронки, над которыми работали миллионы лет эволюции, с помощью которых они способны составлять карты больших участков территории, и их надо загружать работой.

Поэтому через некоторое время у нас появился Барсик, по паспорту Эскобар.

Именно благодаря этому неординарному животному состоялся этот проект. Когда Барсику исполнилось полгода, ему стало скучно гулять в саду, и он решил удрать. Все меры по огораживанию сада имели лишь временный успех - через пару дней Барсик находил новую дырку и отправлялся шариться по окрестностям.

Вариант превратить сад в клетку не устраивал никого. Вариант через некоторое время расклеивать объявления про потерянного кота, или же найти Барсика раскатанного по асфальту - тоже не казался слишком привлекательным.

Было решено исследовать рынок кото-трекеров. Кейс простой - хочу знать где гуляет кот в данный момент, и если он вдруг потерялся, не может найти дорогу домой, или же куда-то направился, где много и часто ездят машины - знать, куда направлять спасательную группу.

Протестированы были устройства Invoxia, Findster, Tractive и некоторые другие. Invoxia это сеть SigFox, Tractive и прочие - GPRS с симкой, Findster - собственное радио.

• Симочные все требуют денег, минимум 5 евро в месяц абонемент. При этом видимо используются какие-то дешёвые IoT симки с 2G connectivity. Задержки сигналов 1-2 минуты.

• На SigFox возлагались надежды - но сеть теряет сигналы как-то уж очень часто, локации приходят в перемешанном порядке. Качество фикса позиции ужасное.

• Findster - хороший фикс и реалтайм отслеживание. Производитель рекламирует радиус 900 метров в городе, реально 100+ метров - трекинг теряется. Его я использовал дольше всего - пока Барсик вокруг дома уже всё не изучил, ему не стало скучно и он отправился в более дальние экспедиции.

• Жизнь батарейки - реалтайм GNSS трекинг выжирает часа за 2-3 батарейку у всех трекеров.

LoRa и The Things Network

Трекеру в общем-то не очень нужна симка, надо передавать десятки байт раз в минуту или несколько минут. Погуглив туда и сюда, выяснил, что есть радиостандарт LoRa, который гораздо лучше подходит под мой кейс чем всё вот это вот.

• LoRa использует EU 868MHz нелицензированные частоты, которые доступны и в РФ.

• LoRa использует chirp модуляцию, изначально придуманную для военных целей, которая позволяет энерго-эффективную радио коммуникацию в отсутствии прямой видимости.

• LoRa поддерживает различные сети - можно делать частную сеть со своей базовой станцией, или пользоваться сетью провайдера. KPN предоставляет покрытие по всем Нидерландам.

• Устройства LoRa не стоят индустриальных денег

Стандартных решений для трекеров с LoRa сетью на рынке не было - и нет - но почему бы и не сделать собственное?

Gateway и антенна

Нидерландская компания The Things Network предлагает TTN Indoor gateway за 70 евро. Установка и конфигурация (gateway передаёт через wifi на сеть TTN всё, что ловит на радио сам) была завершена за 10 минут.

Единственная проблема - gateway содержит внутреннюю напечатанную антенну, которая не обеспечивает связи вне дома.

Решение проблемы - подключить внешнюю антенну. Благо дом свой, можно лезть на крышу и ставить что угодно.

Решение по частям

• заказать внешнюю антенну с ground plane диаграммой (например Aurel GP 868, EUR 40,-)

• заказать IPEX кабель-адаптер (для Aurel был нужен IPEX-to-BNC-female, EUR 3,-)

• вскрыть корпус gateway, отсоединить IPEX кабель от печатной планы и воткнуть свой кабель внешней антенны

После такого хака я увидел на гейтвее трафик с нескольких LoRa устройств поблизости. Это колхозный принцип организации TTN - каждый любитель, типа меня, с гейтвеем ловит и передаёт трафик от всех устройств, активированных в TTN. В сутки где-то 100 тысяч сообщений, но каждое меньше 100 байт, поэтому +10 мегабайт в сутки на фоне всего остального незаметно, от слова вообще.

В результате получается бесплатная (и без SLA) колхозная сеть. Покрытие не 100% и даже не близко, но сам факт, почему бы и нет?

С антенной как есть - покрытие порядка 1 км радиус, планирую поднять антенну на 6 метров, посмотрю насколько увеличится радиус. Фанаты устанавливают рекорды LoRa связи в несколько сотен километров.

На рынке LoRa трекеров есть несколько устройств, но единственное устройство можно было использовать в качестве кото-трекера. Это BroWAN Object Locator, которые делает тайваньская фирма Browan. Кроме этих сенсоров, они делают ещё десятки других LoRa устройств, от CO₂ до протечек воды. Очень милые ребята, хорошая техническая поддержка.

Другие сенсоры были либо слишком тяжёлые (для авто или мотоциклов), либо с батарейкой, которая не перезаряжается, либо не позволяли сконфигурировать себя под TTN.

Вес 28 граммов, батарейка 540mAh, которой хватает на передачу позиции раз в минуту в течение 8 часов, или дольше, если реже.

Но если бы я был котом, мне бы с такой блямбой на шее бегать было бы неудобно. К тому же кот носил Findster и теперь носит два BroWAN tab - TTN с моей антенной и KPN, который тестируется.

Поэтому я купил шлейку для прогулок котов, отрезал всё лишнее и пришил как умел два кармашка, получился такой типа жилетик-разгрузка.

Пришлось ещё удлинить лямку вокруг шеи, чтобы не затягивать сильно, но и не расстёгивалось.

Два ярких вырвиглазных жёлтых кармашка - для оборудования. Вырвиглазных, потому что мех голубого британца Барсика - это наноматериал, который принимает разные оттенки серого в зависимости от угла падения света, смешивая кота с фоном. Сделать кота заметнее важно и для его безопасности, чтобы не раздавило машиной, и для птичек.

Для птичек, потому что эта пушистая машина убийства в полном камуфляже, с точной моторикой и реакцией в миллисекунды убивала бы местных птичек в больших количествах, не находя понимания у живущих по соседству граждан нашего болотного королевства.

Чтобы сместить баланс жизни и смерти в пользу птичек, я ещё пришил звякающий шарик сверху. Теперь Эскобар может выполнять функцию верхнего хищника просто гоняя птичек, чтобы не жирели, но не убивая их. Или же, если некая птица не способна заметить кота с колокольчиком в ярком жилетики и свалить восвояси, кот может рассчитывать на применение по отношению к ней законов Дарвина, а не человеческой этики.

Ещё Барсик таскает в одном из кармашков маленькую круглую таблетку Tile - она не умеет в GNSS и из радио всего лишь Bluetooth. Но зато она умеет громко пиликать, когда ты от неё в 10 метрах или ближе (в рекламе 30-40, но с 10 точно берёт). Это позволяло мне находить жилетик в 6 случаях, когда кот его сбрасывал и гулял дальше голый.

Программное обеспечение

Пока что было всё про железки, теперь про софт немного. Архитектура решения выглядит примерно так:

Кот начинает гулять, трекер активируется акселерометром и начинает посылать позиции раз в минуту. Пакеты ловятся каким-то gateway (иногда несколькими) и пересылаются в сеть TTN.

Каждый пакет это примерно 50 байт, содержит заголовки, метаданные, локация и напряжение батарейки.

Gateway добавляет свою информацию, в частности отношение сигнал/шум и посылает всё в сеть TTN. В консоли TTN каждое устройство (device) конфигурируется как честь приложения (application) - группа устройств, парсер входящих пакетов + дальнейшие интеграции - MQTT, HTTP и прочие.

В TTN application можно добавить функцию-парсер для преобразования байтов из устройства в структуру типа JSON. Для BroWAN трекеров код выглядит так:

function Decoder(bytes, port) {
    var params = {
        "bytes": bytes
    };

    bytes = bytes.slice(bytes.length-11);

      if ((bytes[0] & 0x8) === 0) {
        params.gnss_fix = true;
      } else {
        params.gnss_fix = false;
      }

      // Mask off enf of temp byte, RFU
      temp = bytes[2] & 0x7f;

      acc = bytes[10] >> 5;
      acc = Math.pow(2, parseInt(acc) + 2);

      // Mask off end of accuracy byte, so lon doesn't get affected
      bytes[10] &= 0x1f;

      if ((bytes[10] & (1 << 4)) !== 0) {
        bytes[10] |= 0xe0;
      }

      // Mask off end of lat byte, RFU
      bytes[6] &= 0x0f;

      lat = bytes[6] << 24 | bytes[5] << 16 | bytes[4] << 8  | bytes[3];
      lon = bytes[10] << 24 | bytes[9] << 16 | bytes[8] << 8  | bytes[7];

      battery = bytes[1];
      capacity = battery >> 4;
      voltage = battery & 0x0f;

      params.latitude = lat/1000000;
      params.longitude = lon/1000000;
      params.accuracy = acc;
      params.temperature = temp - 32;
      params.capacity = (capacity / 15) * 100;
      params.voltage = (25 + voltage)/10;
      params.port=port;

      return params;

}
view rawttn-browan hosted with ❤ by GitHub

В TTN добавлена интеграция HTTP, чтобы посылать события в приложение catracker, которое сохраняет позиции в базу и посылает их подключенным клиентам по вебсокетам.

Приложение состоит из Scala/Akka сервиса, фронтенда на голом TypeScript, Azure DevOps CI и Kubernetes дескриптора.

Полный код доступен в https://github.com/jacum/catracker.

Интерфейс минималистичный но вполне MVP - показывает проценты батарейки, позицию кота и время с апдейта последней позиции, если прошло больше двух минут. Скриншот сделан после 1 часа и 53 того, как кот пришёл домой - трекер не посылает событий, если акселерометр не показывает движения.

Большое спасибо TTN за надёжное и недорогое оборудование, и добротную консоль, и BroWAN — за лучшие LoRa трекеры.

И конечно же коту Барсику за ежедневные усилия по тестированию решения.

Оригинал (моей же) статьи

Автор: Тим Евдокимов

Источник