Вне зоны действия…

Как общаться по смартфону, если мобильная связь «упала» из-за хакерской атаки, разрушена в результате природной или техногенной катастрофы или войны? Как ни странно, даже такая ситуация — не повод переводить телефон в разряд бесполезных вещей. С помощью небольшого дополнительного аксессуара на базе смартфонов «вне сети» можно организовать оперативно-тактический радиочат Meshtastic и использовать гаджет для связи!

Несколько лет назад энтузиасты радиосвязи создали любительский некоммерческий проект Meshtastic («Мэштестик»), позволивший всем желающим общаться текстовыми сообщениями с помощью смартфона без покрытия сотовой сети и совершенно бесплатно. Радиосети Meshtastic уже многократно демонстрировали свою эффективность в различных чрезвычайных ситуациях, при поиске пропавших людей, в условиях сложных туристических путешествий и автомобильных рейдов. Давайте без лишней «заумности» разберемся, как это работает и чем может быть полезно.

От LoRa до Meshtastic

Чтобы в полной мере рассказать о Meshtastic, нужно начать издалека, с технологии под названием LoRa… Эта технология появилась в 2012–2014 годах. LoRa дословно расшифровывается как long range — дальняя дистанция, большой радиус действия. По факту же это стандарт передачи данных на радиочастоте.

Этот стандарт был создан, когда стало понятно, что в обиходе появляются тысячи и сотни тысяч различных датчиков, которым нужно передавать данные удаленно. Это датчики разных коммунальных и промышленных систем, метеорологических сетей, «умного дома» и т.п. Вот, к примеру, многоквартирное многоэтажное здание — в каждой из нескольких сотен квартир имеются счетчики электричества, горячей и холодной воды, газа, датчики задымления. И от каждого из этих приборов в современном новом доме нужно передавать данные в центр учета и контроля.

Wi-Fi и Bluetooth для этого вполне подходят, но не годится их малая дальность  действия. Идеально подходят GSM-модули, но они дорогие (в таких количественных масштабах), для каждого нужна сим-карта, и в конечном итоге пропускная способность сотовых сетей такое количество датчиков не потянет, даже с учетом того, что трафик от них мизерный… Плюс, опять же, GSM-радиомодули неэкономичны по питанию (даже при редких включениях для передачи мизерного пакета данных) — не могут месяцами работать от автономной батарейки, а для большинства датчиков это необходимо, ибо при привязке к розетке они сильно теряют в удобстве использования.

LoRa-устройства  обмениваются данными, передавая  пакеты небольшого объема при  небольшой мощности радиопередатчика  и с высокой экономичностью, что  позволяет длительно работать  от автономного источника питания  вроде компактной батареи или  аккумулятора. При этом модуль субкомпактен и дешев. А использование широкополосного радиоканала с высокоуровневым кодированием не мешает тысячам радиопередающих LoRa-модулей одной сети работать в непосредственной близости друг от друга и при этом не глушить друг друга и не создавать помех ни самим себе, ни другим LoRa-сетям.

Но самая важная особенность протокола LoRa в том, что каждый радиомодуль является не просто приемо-передатчиком, но и ретранслятором! То есть создается децентрализованная сеть, без «базовых станций».

Предположим, дальность действия LoRa-модулей (с учетом определенной мощности, определенного типа антенн и определенного рельефа местности) — 1 километр. Если в LoRa-сети находятся, скажем, 3 датчика на расстоянии 1, 2 и 3 километра от единого приемного центра сбора информации, то датчик №1 передает данные напрямую в центр, датчик №2 — через датчик №1, а датчик №3, соответственно, через датчики №2 и №1.

Рабочие частоты для технологии LoRa не принципиальны — они формально могут быть любыми: важны не конкретные мегагерцы и типы антенн, а алгоритм формирования пакетов передаваемых данных. Просто изначально предполагалось, что рабочие частоты должны лежать в безлицензионных участках для упрощения распространения технологии. Поэтому LoRa-устройства обычно выпускаются на несколько частотных участков, выделенных для безлицензионного радиооборудования:

• Европа/Россия — 433 и 863–870 мГц;
• США — 902–928 мГц;
• Китай — 779–787 мГц.

При создании сети эта география учитывается, и закупаются устройства на нужную частоту.

В итоге производство универсальных и дешевых LoRa-модулей освоила китайская электронная промышленность, и сегодня на любом маркетплейсе их сотни на выбор. Коммерческие компании создают LoRa-сети для коммерческих же клиентов, предлагая готовые решения сбора данных с тысяч датчиков «под ключ». Но и самый обычный человек может этот модуль приобрести. Правда, до недавнего времени смысла для обычного человека в такой покупке не было, пока несколько лет назад американский инженер и разработчик Кевин Хестер не создал программное обеспечение Meshtastic, подарившее LoRa-модулям новый необычный функционал для альтернативной радиосвязи!

Meshtastic — «сотовая» сеть… без сот

Meshtastic — попсовая аббревиатура, которая, впрочем, не лишена смысла. Mesh в данном случае означает ячеистую сеть радиопокрытия — этот термин известен компьютерщикам и радиоинженерам. А tastic — часть слова fantastic, означающая впечатляющие, по мнению разработчика, возможности новой технологии.

В сети Meshtastic смартфон становится пультом управления для LoRa-модуля, с помощью которых пользователи такого оборудования могут обмениваться друг с другом текстовыми сообщениями, не используя сотовую сеть. LoRa-модуль подключается к Android- или Apple-смартфону по Bluetooth или Wi-Fi, затем два и более таких «гибридов» объединяются в мини-сеть, и все готово! Если в сети два устройства — они могут общаться друг с другом напрямую в зоне действия радиовидимости, а если устройств больше, то дальность действия пропорционально увеличивается, поскольку, как уже говорилось, каждое LoRa-устройство является ретранслятором для других в рамках общей сети.

Именно в составе сетей, где абонентов больше двух, технология связи через текстовые сообщения Meshtastic проявляет свои сильные стороны. Двум абонентам, если честно, Meshtastic не слишком-то нужен — если они находятся вне зоны действия сотовой сети и мобильного Интернета, им проще и удобнее иметь две портативные радиостанции и общаться голосом. А вот когда в группу объединены десятки, сотни или даже тысячи абонентов Meshtastic, это уже очень продуктивно.

Например, тысячи людей могут обменяться информацией о координации действий при какой-то техногенной или природной аварии, когда иные средства коммуникации и оповещения просто исчезают, будучи разрушенными или обесточенными. И уже во многих регионах целые районы и даже города покрыты сетями Meshtastic, построенными энтузиастами на совершенно некоммерческой основе. Терминал, привязанный по Bluetooth к смартфону, стоит у каждого участника сети в квартире на подоконнике и обеспечивает широкую зону покрытия, пересекающуюся с зоной соседнего члена сообщества, образуя ту самую ячеистую децентрализованную сеть.

Или, скажем, взять какие-то поисковые или спасательные работы там, где нет иной связи, — один модуль Meshtastic можно поднять в воздух на гелиевом шаре или квадрокоптере, и он объединит множество корреспондентов на земле, между каждым из которых нет прямой радиовидимости.

Собственно, естественным образом мы подошли к вопросу, который многие считают важным при обсуждении техники радиосвязи, — дальность действия. «На сколько бьет?» — так обычно спрашивают обыватели в разговорах о радиостанциях…

Вопрос, как всегда в таких случаях и бывает, не слишком корректный. Дальность радиосвязи — не максимальная паспортная скорость автомобиля, где реальность и технические характеристики всегда более-менее совпадают. Слишком много параметров имеют значение…

Meshtastic-модули могут оснащаться разными по эффективности антеннами, иметь разную мощность, а сети могут быть построены на разных частотах, характер распространения которых отличается. Модули бывают мощностью 100 милливатт (большинство), но есть и 1-ваттные. Огромное значение имеет расположение устройств — например, с установленными на крышах высотных многоэтажек и со специально изготовленными многоэлементными узконаправленными антеннами экспериментаторы-любители связывали два Meshtastic-модуля на дистанции более 200 километров. Но это, разумеется, нельзя считать реальными характеристиками и отталкиваться от них.

В городских условиях дистанция связи 100-милливатных терминалов Meshtastic очень сильно гуляет в зависимости от того, где гаджеты находятся — в рюкзаках пешеходов, стационарно в окне квартиры на том или ином этаже… Связь может быть метров на 500, а может быть на пару километров. В какой-нибудь локации здание способно перекрыть сектор излучения антенны, но дать переотражение, которое порой оказывается более эффективным, чем прямое излучение…

В любом случае важно понимать, что сила Meshtastic — в «коллективе»! Это командная история, и чем больше энтузиастов-участников числится в вашей сети, тем она эффективнее.

Что за техника используется

Вот так, для понимания, выглядит приемо-передающий LoRa-модуль со спиральной антенной. Это законченный и полноценный приемо-передатчик. Радиостанция, иными словами. Если два модуля установить на крышах многоэтажных домов в прямой видимости друг друга, без промежуточных зданий, то между ними будет устойчивая связь на расстоянии 3–5 километров.

Однако к таким модулям невозможно подключить ни микрофон, ни смартфон — ни для аналоговой голосовой связи, ни для Meshtastic они не пригодны. Такие модули в основном выпускают как элементы для создания датчиков передачи данных.

Чтобы собрать Meshtastic-систему, нужны более сложные модули — их называют «платами разработчика LoRa» или «макетными платами LoRa». Тут уже на плате присутствует не только модуль приемо-передатчика, но и модуль управляющего им контроллера, в качестве которого обычно применяется один из самых распространенных в мире дешевых чипов-контроллеров — ESP32.

Микросхема содержит в себе прошивку для управления радиомодулем LoRa, а еще Wi-Fi, Bluetooth, поддержку USB-шины и множество разных портов ввода/вывода для связи с внешними устройствами и интерфейсами. Если к этим портам подключить, к примеру, электросчетчик и добавить в прошивку команду отправлять данные по потребленному электричеству раз в сутки, то вот и готов типичный LoRa-датчик, используемый коммунальщиками.

А вот если на контроллер будет залита специальная прошивка Meshtastic, то полученный гаджет сможет спариваться со смартфоном с соответствующим приложением и передавать в эфир по вашей команде текстовые сообщения, которые будут получать выбранные вами другие члены вашей Meshtastic-сети.

Если же плата оформлена в корпус, да еще и имеет свой собственный аккумулятор, ее называют «терминалом Meshtastic». Это уже готовое устройство для тех, кто не хочет что-то делать своими руками, но оно, понятное дело, стоит дороже.

Также на плате LoRa-модуля (в корпусе или без — неважно) может быть встроенный вспомогательный дисплей для контроля работоспособности и заряда аккумулятора, какое-то количество служебных кнопок, GPS-приемник для определения координат (благодаря ему на экране приложения в смартфоне вы будете видеть на карте ваших собеседников, что иногда удобно, хотя порой и не нужно), датчик температуры или влажности. Множество LoRa-модулей уже штатно имеют корпуса разного дизайна и продаются как «терминалы», хотя гораздо больше бескорпусных — только голая плата.

Как это работает?

Как подготовка оборудования выглядит на практике? Предположим, у вас в руках плата с приемо-передатчиком стандарта LoRa, контроллером ESP32 и уже прошитая под Meshtastic. Из платы выходит кабель с антенной LoRa (Bluetooth-антенна обычно смонтирована прямо на плате).

Плата нуждается в питании — и к ней можно подключить литиевую батарею на 3,7 вольта (типа18650 или любую иную) и заряжать ее в дальнейшем через гнездо USB. Или просто подключить к гнезду USB на плате пауэрбанк как временное решение.

Затем вы скачиваете на смартфон бесплатное приложение для работы в сетях Meshtastic — собственно, оно так и называется: Meshtastic. Спариваете телефон с платой через Bluetooth — один «гибрид» готов. Затем делаете то же самое со второй платой и вторым смартфоном (и далее в любом количестве). Через приложение вы объединяете полученные Meshtastic-станции в единую общую сеть, после чего можете обмениваться текстовыми сообщениями.

В самом простом варианте голая плата Meshtastic с аккумулятором просто лежит на подоконнике (если речь, к примеру, идет о городской Meshtastic-сети), а ваш смартфон получает сообщения — либо отправленные персонально вам, либо общие для всей сети. Если же ставится цель создать устройство, пригодное еще и для связи на ходу или в автомобиле, то нужно, как уже говорилось, покупать законченный корпусной вариант, из тех, что называют Meshtastic-терминалами (компактную коробочку с аккумулятором на борту и прочной антенной), либо оформить в корпус плату с антенной своими руками. Можно использовать любой подходящий пластиковый электромонтажный бокс, можно скачать файлы 3D-печати для принтера и напечатать (для распространенных LoRa-плат энтузиасты уже напроектировали корпусов!) — вариантов много.

И еще раз тезисно поясним, чтобы никто не путался:

LoRa — это технология передачи данных, протокол радиосвязи;

Meshtastic — это разработанный энтузиастами софт, программная прошивка для контроллера, входящего в состав комплексного LoRa-модуля. Именно она зашита в чип ESP32.

Соответственно, LoRa-модули продаются как универсальные (с какими-то универсальными прошивками, не подходящими для работы в сетях Meshtastic в чистом виде), так и уже с прошивкой конкретно под сети Meshtastic — эти, понятное дело, работоспособны без лишних манипуляций, и их можно сразу подключать к аккумулятору или пауэрбанку для питания и по Bluetooth — к смартфону с установленным Meshtastic-приложением.

Впрочем, купить универсальный LoRa-модуль и сделать его пригодным для работы в сети Meshtastic — не проблема. На компьютер устанавливается драйвер, с тематических форумов скачивается прошивка Meshtastic, модуль подключается USB-шнуром, и прошивка заливается. Это относительно простое мероприятие, для которого не нужно быть программистом и копаться в кодах — справятся многие, кто заливал когда-нибудь какие-то альтернативные прошивки в портативные гаджеты типа плеера или делал «рут» на смартфоне. Хотя для обычных пользователей проще и разумнее купить уже модуль, прошитый под Meshtastic сразу.

Если же стоит задача максимально быстро подготовить набор оборудования, создать сеть и начать общаться при помощи сообщений, а творческие эксперименты неинтересны, то внимание стоит сфокусировать на уже упомянутых Meshtastic-терминалах. Там все готово, что называется, «для чайника» — достаточно зарядить аккумулятор терминала, подвесить его коробочку с габаритами пары спичечных коробков на рюкзак, запустить приложение на телефоне и выбрать абонента, которому хотите отправить месседж!