Сборка LoRa-шлюза на модуле RAK831 и Raspberry Pi 3 — пошаговое руководство

Это руководство проведет вас через каждый шаг запуска модуля LoRa-шлюза RAK831 на Raspberry Pi 3 с использованием Wi‑Fi в качестве бэкхола.

Введение

Посвящено разработчикам, желающим создать собственный LoRa-шлюз. Предполагается базовое знакомство с экосистемой Raspberry Pi, её GPIO-выводами и Debian-ориентированной ОС. Приступим.

Что такое LoRa?

LoRa Alliance™ обеспечивает технологию LoRaWAN™ — спецификацию сети LPWAN (Low‑Power Wide‑Area Network), поддерживающую батарейные IoT-устройства на региональном, национальном или глобальном масштабах. LoRaWAN предоставляет безопасную двунаправленную связь, мобильность и службы локализации, удовлетворяющие ключевые требования современных IoT-развертываний.

Схема выше иллюстрирует ключевые компоненты LoRa-сети. Ниже — важнейшие аспекты:

Ключевые особенности технологии LoRa и протокола LoRaWAN

• Геолокация: GPS‑free, низкоэнергопотребляющее отслеживание мобильных активов.
• Низкая стоимость: снижение затрат на инфраструктуру, эксплуатацию и датчики.
• Стандартизация: глобальная совместимость ускоряет внедрение.
• Низкое потребление: рассчитано на батареи до 20 лет.
• Дальность: одна базовая станция охватывает сельские районы до 30 миль, проникая в плотные городские и внутренние среды.
• Безопасность: встроенное сквозное шифрование AES‑128.
• Высокая пропускная способность: поддержка миллионов сообщений на базовую станцию, идеально для публичных операторов.

RAK 831 — это радиофронтенд LoRa. Он принимает входящие LoRa-пакеты и передает их хост-системе — например, Raspberry Pi 3 — которая также может приказывать RAK 831 передавать. В этом уроке Pi выступает хост-платой, управляющей RAK 831.

Выбор бэкхола

Бэкхол — это интернет-канал, связывающий ваш Raspberry Pi с внешней сетью. Руководство фокусируется на Wi‑Fi, но Ethernet или 3G/4G также возможны. Если доступен Ethernet-порт, он предпочтительнее, так как устраняет дополнительный радиосигнал внутри корпуса, создающий шумы. В шумных средах ПО может компенсировать, но чистая связь всегда повышает надежность. Для Wi‑Fi используйте адаптер с внешней антенной и выведите антенну за пределы корпуса.

Настройка оборудования

Перед подачей питания настройте Raspberry Pi и RAK 831 следующим образом:

Raspberry Pi

1. Приобретите Raspberry Pi 3 и прошейте microSD 8 ГБ образом Raspberry Pi OS (ранее Raspbian). Готовые карты «Noobs» доступны в продаже, или следуйте этому руководству для прошивки ОС.
2. Подключите блок питания 5 В, 2 А. RAK 831 может потреблять до 700 мА в пике передачи, поэтому надежный источник критичен.

RAK 831

1. Установите антенну из комплекта на винтовой клемму — этот шаг обязателен.

Детали подключения

Таблица ниже показывает, как соединить RAK 831 с Raspberry Pi 3. Для распиновки Pi см. эту документацию.

Примечания

• Вывод reset может быть подключен к любому свободному GPIO.
• Проверьте питание, чтобы не повредить RAK 831.

Включение SPI

Интерфейс SPI отключен по умолчанию. Включите через:

1. Запустите sudo raspi-config.
2. Перейдите в Advanced Options → SPI и выберите Yes для включения SPI и загрузки модуля ядра.
3. Завершите и перезагрузитесь.

После перезагрузки проверьте интерфейс:

> ls /dev/*spi* /dev/spidev0.0 /dev/spidev0.1

Это SPI-устройства для chip enable 0 и 1.

Варианты питания платы

Так как беспроводные модули часто потребляют больше, чем могут выдать выводы питания Pi, есть два варианта:

• Использовать 5 В линию Pi для питания обоих устройств.
• Обеспечить отдельные 5 В линии для Pi и RAK 831.

Установка программного обеспечения

На Raspberry Pi выполните:

• Включите SPI (как выше) и расширьте файловую систему (Advanced options → Expand filesystem).
• Обновите систему и установите git:

sudo apt-get update sudo apt-get upgrade sudo apt-get install git

• Настройте Wi‑Fi, отредактировав /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf:

network={ ssid="The_SSID_of_your_wifi" psk="Your_wifi_password" }

• Клонируйте установщик и запустите с веткой spi:

git clone -b spi https://github.com/ttn-zh/ic880a-gateway.git ~/ic880a-gateway cd ~/ic880a-gateway sudo ./install.sh spi

• Во время установки при необходимости включите удаленную конфигурацию. Скрипт покажет EUI шлюза — запишите его для следующих шагов.

Если выбрана удаленная конфигурация, создайте JSON-файл с именем вашего EUI (например, B827EBFFFE7B80CD.json) в репозитории gateway‑remote‑config. Сделайте форк, добавьте файл, закоммитьте и создайте pull request. Пример конфигурации:

{ "gateway_conf": { "gateway_ID": "your_gateway_EUI_here", "servers": [ { "server_address": "your_router_address_here", "serv_port_up": 1700, "serv_port_down": 1700, "serv_enabled": true } ], "ref_latitude": your_latitude, "ref_longitude": your_longitude, "ref_altitude": 40, "contact_email": "your_email@example.com", "description": "short description" } }

Список валидных адресов серверов см. в вики The Things Network.

По умолчанию установщик меняет hostname Pi на ttn-gateway для избежания конфликтов. Можно задать свое имя. После установки перезагрузите шлюз на следующий день, чтобы JSON-файл скачался корректно.

При необходимости скорректируйте global_config.json. Для США отредактируйте файл по адресу US‑global_conf.json. Если предпочитаете форвардер mp_pkt_fwd, следуйте инструкциям в этом репозитории и скопируйте обновленный global_conf.json в папку bin после компиляции.

Настраиваемые параметры в global_conf.json

После установки файл ./bin/global_conf.json содержит секции для тонкой настройки:

1. Радионастройки (radio_0 или radio_1) — корректируйте Frequency и параметры сканирования min/max.
2. Идентификатор шлюза — обновите gateway_ID или EUI.
3. Порты сервера — измените serv_port_up и serv_port_down вместе с адресом сервера.

После выполнения этих шагов ваш LoRa-шлюз RAK 831 должен быть полностью работоспособен, готов к передаче и приему данных через выбранный бэкхол.