如何使用RUI3制作一款用于電腦的多功能LoRa?適配器

LoRa?和 LoRaWAN?已經(jīng)成為了物聯(lián)網(wǎng)世界的重要技術(shù)，也向人們提供了諸多易于使用的遠(yuǎn)程通信解決方案。在這過程中電腦設(shè)備卻被忽略了，我們會發(fā)現(xiàn)帶有 LoRa?模塊的筆記本電腦很少見。

現(xiàn)在這種局面陸續(xù)得到了改善，在一些解決方案中，已經(jīng)開始出現(xiàn)用于筆記本電腦的 LoRa?模塊了。最近筆者利用瑞科慧聯(lián)的低代碼開發(fā)平臺 RUI3 制作了一個 LoRa?USB 適配器，它可以直接連接到筆記本電腦或樹莓派上。大多數(shù)時候，這個適配器可以作為收發(fā)器用于家居場景種；但它也作為一個方便測試的平臺，比如：遠(yuǎn)程用筆記本電腦發(fā)送命令、記錄結(jié)果等等。

使用瑞科慧聯(lián)的模塊化硬件開發(fā)平臺 WisBlock，讓這樣的應(yīng)用開發(fā)變得更加簡單。筆者通過 WisBlock 制作了兩種適配器，一種是使用計算機上的自定義軟件來管理 LoRa?模塊的 AT 固件，另一種是直接在LoRa?模塊上完成大部分工作。在這兩種適配器中，電腦都是作為終端來使用。今天要介紹的是后一種適配器，主要就是使用 RUI3 為 LoRa?通信模塊 RAK4631-R 制作一個簡單的自定義固件。

一、前期準(zhǔn)備

• 硬件

1、選擇 RAK4631-R（不同國家或地區(qū)對應(yīng)頻率的頻段不同）。

（注意，這里我們也可以使用另一款通信模塊 RAK3172，因為他們均支持 RUI3 編譯，只要有自己所需要的功能就行。因為 RAK3172 不支持藍(lán)牙和硬件加密，但該項目需要加密 LoRa??數(shù)據(jù)包，而且將 AES128 添加到代碼中也超出了本文的范圍，所以這里我們選擇了 RAK4631-R。）

2、底板：本例中，我們選擇了 RAK19003，它具有最小的封裝尺寸 30 mm x 35 mm。

3、USB 電纜（適用于 RAK19003 的 USBType-C）。

• 軟件

1、Arduino IDE。

2、終端應(yīng)用程序，例如筆者最喜歡的 CoolTerm。當(dāng)然 Arduino IDE 的串行終端，也能完成開發(fā)。

• 工作模式

LoRa?適配器基本上需要兩種工作模式：傳輸模式和設(shè)置模式。而 AT固件本質(zhì)上是單模模式的，即它們總是處于設(shè)置模式。在設(shè)置模式中，甚至發(fā)送和接收都是命令。與此相反，默認(rèn)的傳輸模式充當(dāng) LoRa?模塊和 USB端口之間的橋梁：“無論一端輸入任何內(nèi)容，都將從另一端輸出”。只有當(dāng)用戶發(fā)出特殊字符串時，適配器才會在傳輸和設(shè)置模式之間切換。 筆者見過一些 LoRa?模塊為此提供一兩個引腳來實現(xiàn)這一點，可以設(shè)置引腳高低電平從硬件上切換這兩種模式，但這樣的操作對電腦來說是不可能的。因此，用戶可以使用不太可能出現(xiàn)的特殊字符串去切換這兩種模式。然而在調(diào)制解調(diào)器時代，“$$$”經(jīng)常作為特殊的字符串去使用，所以我們也可以使用該字符串實現(xiàn)。

二、工作流程

在常規(guī)的 LoRa?應(yīng)用程序中，工作流程通常如下：

• 初始化串口
• 設(shè)置 Wire，然后設(shè)置 LoRa?模塊（引腳分配等）
• 設(shè)置 LoRa?配置（SF、BW、頻率等）

本文使用到 RUI3，因此可直接去掉第二點，因為 API 已經(jīng)配置完成、電池也配置好了。在RUI的 API中，LoRaWAN?是提供了LoRa選項區(qū)域幫助用戶配置 LoRa?。并且LoRa?模塊在 RAK4631-R 中是預(yù)先連通的，所以只需調(diào)用 LoRaWAN?的幾行 API 設(shè)置所需的配置，就可以檢查結(jié)果：

bool rslt = api.lorawan.nwm.set(0); if (!rslt) { // Do something } rslt = api.lorawan.pfreq.set(myFreq); if (!rslt) { // Do something } rslt = api.lorawan.psf.set(sf); if (!rslt) { // Do something } rslt = api.lorawan.pbw.set(bw); if (!rslt) { // Do something } // etc etc etc...

通過檢查，已經(jīng)設(shè)置完成了，結(jié)果與 API設(shè)定的配置是一致的。

然后設(shè)置 LoRa?回調(diào)：接收和傳輸。這里讓用戶能夠以異步方式將“管理這些事件的代碼”單獨管理運行，而不是在主 loop() 代碼中循環(huán)運行。

最后一行是為了將 LoRa?模塊設(shè)置為了永久監(jiān)聽模式。

api.lorawan.registerPRecvCallback(recv_cb); api.lorawan.registerPSendCallback(send_cb); rslt = api.lorawan.precv(65534);

最后，就可以在 setup()中完成自己的需求了。例如：讓 OLED 檢查狀態(tài)，或設(shè)置 LED的狀態(tài)（電路板上有 2 個可用，1 個綠色和 1 個藍(lán)色）等。到這一步一切都準(zhǔn)備好了，一起來看看接下來會發(fā)生什么？

三、loop()

在 loop() 中，循環(huán)檢查串行端口是否有字符傳入，并對其進(jìn)行相應(yīng)的操作。稍后我會詳細(xì)介紹這一點。接著還需要檢查 LoRa?模塊，如果有接收到數(shù)據(jù)包，則將接收數(shù)據(jù)包中的內(nèi)容打印到串口上。這是兩個部分之間的橋梁。在其他框架中，這通常與串口相同。接著 LoRa?模塊循環(huán)監(jiān)聽，如果有內(nèi)容，直接讀取。這個功能 RUI3中并不包含，需要在上面聲明的 void recv_cb(rui_lora_p2p_recv_t data) 函數(shù)中自己實現(xiàn)并進(jìn)行，在將LoRa?模塊接收的原始數(shù)據(jù)發(fā)送到 Serial 之前，可以在這個函數(shù)中決定如何處理原始數(shù)據(jù)。例如：如果需要 JSON 數(shù)據(jù)，可以將其解析之后在打印到串口。同樣，如果數(shù)據(jù)是加密的，或者希望它是加密的，就可以在進(jìn)一步處理之前在那進(jìn)行解密。回調(diào)函數(shù)代碼如下所示：

void recv_cb(rui_lora_p2p_recv_t data) { uint16_t ln = data.BufferSize; char plainText[ln + 1] = {0}; char buff[92]; sprintf(buff, "Incoming message, length: %d, RSSI: %d, SNR: %d", data.BufferSize, data.Rssi, data.Snr); Serial.println(buff); if (needAES) { // Do we need to decrypt the data? int rslt = aes.Process((char*)data.Buffer, ln, myIV, myPWD, 16, plainText, aes.decryptFlag, aes.ecbMode); if (rslt < 0) { Serial.printf("Error %d in Process ECB Decrypt\n", rslt); return; } } else { // No? Just copy the data memcpy(plainText, data.Buffer, ln); } // The easiest way to know whether the data is a JSON packet is to try and decode it :-) StaticJsonDocument<200> doc; DeserializationError error = deserializeJson(doc, plainText); if (!error) { JsonObject root = doc.as(); // using C++11 syntax (preferred): for (JsonPair kv : root) { sprintf(buff, " * %s: %s", kv.key().c_str(), kv.value().as()); Serial.println(buff); } return; // End for JSON messages } // There was an error, so this is not a JSON packet – not well-formed anyway. // Print it as a plain message Serial.println("Message:"); Serial.println(plainText); }

四、Tx（發(fā)送）

發(fā)送同樣也有一個回調(diào)函數(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成時可調(diào)用。用戶也可以在那里添加?xùn)|西，但它在正常使用中基本上是為了確保LoRa?模塊返回到監(jiān)聽模式中：

void send_cb(void) { // TX callback Serial.println("Tx done!"); isSending = false; // Flag used to determine whether we're still sending something or we're free to send. api.lorawan.precv(65534); }

該回調(diào)函數(shù)需要快速的執(zhí)行并使 Lora?模塊返回到監(jiān)聽模式，不需要在其中加入長延時等待。

五、設(shè)置模式

當(dāng)用戶發(fā)送 $$$（后綴為 \n）時，代碼會切換到設(shè)置模式。這部分稍微復(fù)雜一些，發(fā)送命令這一段會重復(fù)被使用，所以為了使用方便，大部分都是復(fù)制粘貼后，對該段進(jìn)行更改其函數(shù)名，并為每個命令添加合適的代碼。因此我們需要一個統(tǒng)一的命令結(jié)構(gòu)，如下所示：

int cmdCount = 0; struct myCommand { void (*ptr)(char *); // Function pointer char name[12]; char help[48]; };

（cmdCount 馬上就會派上用場）。命令的結(jié)構(gòu)由指針函數(shù)、函數(shù)名和命令描述三部分組成。

下圖是聲明了一個命令數(shù)組：

myCommand cmds[] = { {handleHelp, "help", "Shows this help."}, {handleP2P, "p2p", "Shows the P2P settings."}, {handleFreq, "fq", "Gets/sets the working frequency."}, {handleBW, "bw", "Gets/sets the working bandwidth."}, {handleSF, "sf", "Gets/sets the working spreading factor."}, {handleCR, "cr", "Gets/sets the working coding rate."}, {handleTX, "tx", "Gets/sets the working TX power."}, {handleAES, "aes", "Gets/sets AES encryption status."}, {handlePassword, "pwd", "Gets/sets AES password."}, {handleIV, "iv", "Gets/sets AES IV."}, {handleJSON, "json", "Gets/sets JSON sending status."}, };

到目前為止一切都順利。所以在 setup() 函數(shù)啟動時，會計算可用命令的數(shù)量，以便知道我們有多少個命令。cmdCount = sizeof (cmds)/ sizeof (myCommand):這在 evalCmd函數(shù)中用于遍歷命令，cmdCount即為最終統(tǒng)計到的命令個數(shù)。

void evalCmd(char *str, string fullString) { uint8_t ix, iy = strlen(str); for (ix = 0; ix < iy; ix++) { char c = str[ix]; // lowercase the keyword if (c >= 'A' && c <= 'Z') str[ix] = c + 32; } Serial.print("Evaluating: `"); Serial.print(fullString.c_str()); Serial.println("`"); for (int i = 0; i < cmdCount; i++) { if (strcmp(str, cmds[i].name) == 0) { // call the function cmds[i].ptr((char*)fullString.c_str()); return; } } }

在此之后，添加命令和處理它們的調(diào)用就非常容易了。讓我們來看看 handleHelp (char*)命令：

void handleHelp(char *param) { Serial.printf("Available commands: %d\n", cmdCount); for (int i = 0; i < cmdCount; i++) { sprintf(msg, " . %s: %s", cmds[i].name, cmds[i].help); Serial.println(msg); } }

char *param 參數(shù)可能需要也可能不需要，因此默認(rèn)發(fā)送，每個命令都可以自由使用或者直接忽略它。例如：handleFreq() 命令便要使用該參數(shù)：

void handleFreq(char *param) { if (strcmp("fq", param) == 0) { // no parameters sprintf(msg, "P2P frequency: %.3f MHz\n", (myFreq / 1e6)); Serial.print(msg); sprintf(msg, "Fq: %.3f MHz\n", (myFreq / 1e6)); displayScroll(msg); return; } else { // fq xxx.xxx set frequency float value = atof(param + 2); if (value < 150.0 || value > 960.0) { // sx1262 freq range 150MHz to 960MHz // Your chip might not support all... sprintf(msg, "Invalid frequency value: %.3f\n", value); Serial.print(msg); return; } myFreq = value * 1e6; api.lorawan.precv(0); // turn off reception while we're doing setup sprintf(msg, "Set P2P frequency to %3.3f: %s MHz\n", (myFreq / 1e6), api.lorawan.pfreq.set(myFreq) ? "Success" : "Fail"); Serial.print(msg); api.lorawan.precv(65534); sprintf(msg, "New freq: %.3f", value); displayScroll(msg); return; } }

一切操作之后有了現(xiàn)在的結(jié)果，編碼歷時幾個小時，就得到了一個功能齊全的 LoRa?USB適配器。但實際上沒有用這么多時間，因為筆者重用了以前項目中的 Commands.h 代碼，并且暫時跳過 AES 加密部分，把它留在示例項目中是因為它相對比較復(fù)雜，且通常不是簡單項目的一部分。通常可以在項目正常運行后再添加 AES，這樣就不必?fù)?dān)心其他東西會受影響。但是，就像 Commands.h 一樣，筆者已經(jīng)從其他項目準(zhǔn)備好 AES 文件，所以對它的實現(xiàn)也只是復(fù)制粘貼工作。

六、擴展

功能蔓延（feature creep）一直都是困擾開發(fā)人員的問題，但現(xiàn)在我們暫時可以先忽略這一點。一起來看看這個項目可以有哪些擴展：

1、OLED顯示屏

由于引腳配置，顯示屏要在底板背面添加，但添加起來也是很方便。學(xué)習(xí)一些如何關(guān)閉屏幕的編程代碼，可以幫助節(jié)省能源和保護(hù)屏幕；

2、RTC實時時鐘

可以在 JSON 數(shù)據(jù)包或類似 Cayenne LPP 的格式中為數(shù)據(jù)包添加時間戳；

3、GNSS模塊

用戶可以將 GPS 坐標(biāo)添加到數(shù)據(jù)包中，而且如果已經(jīng)在家中設(shè)置了收發(fā)器的坐標(biāo)，還可以使用它們的自動計算距離（Haversine 公式）的功能。

4、固件的BLE UART路由

添加這個功能很簡單。一旦設(shè)置了 BLE，代碼就與串行代碼幾乎相同了。這樣操作之后，它就不僅僅是一個用于電腦的 USB LoRa?適配器了，加上電池它可以成為手機無線 LoRa?適配器。

以上這些，這個使用 RUI3 制作的項目都能實現(xiàn)、也都可以擁有這些功能。如果你們感興趣，也可以自己動手試試！