marți, 16 ianuarie 2024

Meshtastic - IoT pentru radioamatori


Meshtastic este o platforma de comunicatii bazata pe tehnologia retelelor mesh si a standardului de comunicatie LoRa. Aceasta platforma a fost dezvoltata pentru a oferi o solutie eficienta si flexibila pentru comunicatii, in special in situatii de urgenta in care infrastructura comerciala ar putea fi limitata, sau chiar indisponibila.

Membrii retelei pot vedea pozitia geografica a celorlalti membri si pot schimba mesaje text, atat private, cat si de grup. Optional se pot transmite date de telemetrie, precum nivelul de incarcare al acumulatorului, tensiunea de alimentare a nodului, temperatura, umiditatea, presiunea atmosferica, etc.


Tehnologia LoRa, prescurtarea pentru "Long Range", reprezinta un standard de comunicatie radio dezvoltat pentru a permite transmiterea eficienta a  unei cantati mici de date, dar pe distante lungi, fiind ideal pentru aplicatii IoT (Internet of Things) si nu numai.

LoRa utilizeaza o tehnica de modulare numita "Chirp Spread Spectrum" (CSS), care permite o acoperire extinsa si o eficienta energetica crescuta. Ofera o raza de actiune semnificativ mai mare decat alte tehnologii de comunicatie radio in benzile de frecventa ISM, permitand comunicarea pe distante de pana la cativa zeci de kilometri, in functie de conditiile de mediu.

Dupa cum ne sugereaza numele, Meshtastic este bazat pe conceptul de retele mesh, o abordare in care nodurile sunt interconectate direct unul cu celelalt, eliminand astfel nevoia unui punct central de control. Aceasta abordare aduce avantaje in ceea ce priveste flexibilitatea, scalabilitatea si securitatea retelei.


Daca nu exista vizibilitate radio directa intre anumite noduri ale retelei, pachetele de date sunt transportate prin alte noduri intermediare. Practic fiecare nod din retea poate avea rolul de repetor.
Reteua mesh dispune de algoritmi de autoreconfigurare, in cazul in care anumite noduri devin neoperationale, sau ies din raza de acoperire radio. Scopul principal al acestor algoritmi este de a gasi cea mai buna ruta pentru a transmite pachetele de date de la sursa pana la destinatie.
In functie de configuratia utilizata, o retea Meshtastic poate sustine pana la 80 de noduri.

Nodurile Meshtastic sunt compacte, usor de utilizat si ofera o gama extinsa de functionalitati, de la mesaje text, la pozitionare GPS si telemetrie.

Firmware-ul este compatibil cu o gama larga de placi de dezvoltare cu microcontrollere nRF52 sau ESP32, de exemplu RAK Wisblock, TTGO/Lilygo T-EchoLoRa32 sau T-Beam / Supreme. Microcontrollerul ESP32 are interfete WiFi si Bluetooth integrate, servicii Web, memorie mai mare, dar consuma mai multa energie, in timp ce nRF52 are numai interfata Bluetooth si este mult mai eficient energetic.

RAK WisBlock

TTGO T-Echo

TTGO LoRa32

TTGO T-Beam

TTGO T-Beam Supreme

Firmware-ul se instaleaza cu ajutorul unui PC prin intermediul unui browser web Chrome sau Edge, accesand pagina Meshtastic Flasher. Un tutorial pas-cu-pas poate fi gasit pe Youtube.

Pana in acest moment am testat doua modele de placi TTGO, LoRa32 v2.1_1.6 si T-Beam v1.0. Primul model, LoRa32, este compact si are display OLED inclus. Al doilea model, T-Beam, are suport pentru acumulator Li-Ion de tip 18650 si receiver GPS, dar displayul OLED trebuie achizitionat separat. Pe langa portul USB, ambele placi au WiFi si Bluetooth.

Exista mai multe versiuni de module LoRa, dar pentru piata europeana numai 433 MHz sau 868 MHz. In Romania banda de frecventa preferata pentru Meshtastic este cea de 433 MHz, deoarece se poate utiliza in banda UHF pentru radioamatori, unde deja exista antene instalate in acest scop.

Interfata simpla si usor de utilizat face Meshtastic accesibil chiar si pentru cei fara experienta tehnica avansata. Utilizatorii pot forma grupuri/canale de comunicare si pot gestiona parametrii retelei cu usurinta prin intermediul unei aplicatii mobile dedicate.
Aplicatia este disponibila pentru cele doua sisteme mobile de operare iOS si Android.

Fiecare nod Meshtastic acceptă o singura conexiune de la un singur terminal. Conexiunea dintre nod si telefon se face initial prin Bluetooth, apoi poate fi reconfigurata sa functioneze prin WiFi, dupa preferinte. 
Ca solutie alternativa, in absenta unui smartphone, configurarea si interactiunea cu reteaua poate fi facuta de pe PC, din browser sau CLI.
Pozitia geografica poate fi configurata manual, poate fi data de terminalul mobil, sau direct de receiverul GPS in cazul utilizarii unui T-Beam.

Meshtastic Android

Meshtastic iOS

Cu o antena decenta, raza de acoperire a unui nod poate ajunge pana la peste 100 km daca exista vizibilitate directa, dar scade considerabil in oras din cauza obstacolelor. Recordul terestru de distanta este de 254 km.

In cazul in care exista doua sau mai multe retele Meshtastic in zone geografice diferite, fara sa se suprapuna in ceea ce priveste acoperirea radio, exista posibilitatea de a le conecta intre ele prin intermediul unui server MQTT. Pentru a realiza aceasta interconectare, este necesara existenta unei conexiuni la internet a nodului prin WiFi.

Nodul principal pe care testez Meshtastic in acest moment se afla in locatia principala din KN34BK, Bucuresti. Aici folosesc o placa TTGO Lora32 conectata la o antena Diamond BC-200 pentru banda UHF amplasata pe terasa blocului.

Pentru a compensa pierderile pe cablul coaxial, am adaugat un amplificator AB-IOT-433, iar pentru a imbunatatii SNR-ul in conditiile de zgomot RF din oras, un filtru SAW de 433 MHz.

Puterea masurata a unui modul LoRa este de aproximativ 19 dBm (90 mW), iar amplificatorul are un castig de maxim 13 dB, rezultand o putere de iesire de aproximativ 32 dBm (1.5 W). Amplificatorul are comutare automata RX/TX si preamplificator la receptie de aproximativ 11 dB.



Datorita suportului pentru acumulator si a GPS-ului intern, TTGO T-beam este ideal pentru un nod portabil. Pentru a proteja placa de socuri mecanice, se poate printa o carcasa 3D dupa proiecte care pot fi gasite in mediul online.






Cu ocazia unei deplasari recente la Sinaia, am testat nodul portabil de la cota 1400. Am reusit sa ma conectez la majoritatea nodurilor din Bucuresti cu numai 90 mW si o antena Diamond SRH36 de 36 cm lungime. Distanta intre mine si cel mai indepartat corespondent a fost de aproximativ 113 km.







Pentru a va familiariza cu toate configuratiile si functionalitatile acestui proiect, va recomand sa parcurgeti documentatia oficiala de pe site-ul Meshtastic.
In plus va recomand un canal de Youtube care merita vizionat si care explica pe intelesul tuturor despre ce este vorba.



In concluzie, Meshtastic ofera o solutie alternativa si accesibila pentru comunicare. Datorita tehnologiilor inovatoare, Meshtastic are o acoperire radio extinsa si o eficienta energetica crescuta , fiind util pentru situatii in care comunicatiile traditionale ar putea intampina dificultati, de la aventuri in aer liber in zone izolate pana la situatii de urgenta.