Estacion terrena para recepcion de satelites LoRa
Los pequeños satelites que en la actualidad usan tecnologia LoRa han logrado que personas con pocos conocimientos tecnicos y con un bajo presupuesto puedan recibir sus señales, algo que era imposible hace algunos años. Gracias a la iniciativa TinyGS se ha construido una red abierta de estaciones terrenas distribuidas por todo el mundo y que pueden ser construidas facilmente para ampliar dicha cobertura. El proyecto aqui presentado es una implementacion razonablemente robusta, a prueba de polvo y agua, basada en componentes comerciales listos para usar. Ideal para montajes en exteriores.
Componente clave: Heltec WiFi LoRa kit 32 v2 433mhz
¿Por que?
La idea de usar LoRa para comunicacion satelital fue evidente para muchas personas por estas razones:
- Uso de bandas sin licencia (ISM)
- Modulos listos para usar, faciles de conseguir y a relativamente bajo costo.
- Comunicacion a muy larga distancia, con bajo consumo de potencia.
- Se puede establecer enlaces con un nivel de señal tan bajo como -120dBm.
Este ultimo punto es de vital importancia, pues permite usar una gran cantidad de antenas comerciales, incluso de construccion casera, que aunque no muy eficientes, pueden cumplir la funcion de recibir dichas señales. Esto habia sido uno de los grandes talones de aquiles en las comunicaciones satelitales hasta entonces.
¿De que trata este proyecto?
Este proyecto es un Gateway o Pasarela entre internet (WiFI) y LoRa @ 433Mhz, usando la mayor cantidad posible de elementos comerciales listos para usar (Commercial-Off-The-Shelf) de forma tal que no se requiera mucha experticia para su construccion. El toque final sera agregar el firmware de TinyGS, el cual permitira entre otras cosas:
- Recibir actualizaciones de firmware inalambricamente (OTA) automaticamente.
- El receptor se sintonizara automagicamente para recibir las señales del satelite que este mas cerca “a la vista”.
- Configuracion de parametros via interfaz web (local).
Listado de materiales
| Componente | Enlace de compra | Hoja de datos |
|---|---|---|
| Kit LoRa Heltec WiFi 32 v2 433mhz | compralo aqui | WiFi-LoRa-32-V2-433-470-510.pdf |
| Brida RP-SMA con extension de cable a conector U.FL | compralo aqui | Catalog_SMA.pdf |
| Antena SMA 433 Mhz | compralo aqui | 433_MHZ_SMA_ANTENNA.pdf |
| Caja generica a prueba de agua “Sonoff” 100x68x50mm | compralo aqui | SONOFF-IP66-waterproof-case.pdf |
| Tornillo Phillips M2.5 avellanado | compralo aqui | M2-5_COUNTERSUNK_SCREW.pdf |
| Tuerca de seguridad M2.5 | compralo aqui | M2-5_NYLON_LOCK_NUT.pdf |
| Tornillo con punta tipo B M2.6 autorroscante | compralo aqui | M2.6x5-6-8-12mm.pdf |
| Terminal de tornillo para PCB kf350 3.5mm 3 pines | compralo aqui | KF350.pdf |
| Conector tipo header hembra 2.54mm | compralo aqui | FHA3-S1XX.pdf |
| Cable calibre 30 AWG tipo UL1423 PVDF | compralo aqui | UL1423.pdf |
| Inyector Poe 48V 0.5A | compralo aqui | PoE-injector-48V-05A.pdf |
| Modulo PoE Splitter D1398 5V 2A | compralo aqui | WC-PD13C050I.pdf |
| Adaptador SMA hembra a RP-SMA Macho | compralo aqui | SMA-Female-To-RP-SMA-Male-adapter.pdf |
| Sellante de silicona Neutro | compralo aqui | Neutral-cure-silicone.pdf |
| Cinta autofundente | compralo aqui | Waterproof-silicone-self-fusing-vulcanizing-tape.pdf |
| Tarjeta de circuito impreso (PCB) | Enlace de compra | Repositorio con archivos fuente |
|---|---|---|
| Tarjeta prototipo para caja de 100x68mm | compralo aqui | mcu-proto-100x68mm |
| Software | repositorio |
|---|---|
| Firmware para estacion terrena TingyGS | descargalo aqui |
| Herramientas opcionales | Enlace de compra | Hoja de datos |
|---|---|---|
| Taladro manual y juego de brocas de multiples diametros 0.5-3mm | compralo aqui | Hand-drill-set-mini.pdf |
Ensamblaje:
Este articulo no pretende ser una guia de ensamblaje paso a paso, sino que tratara de explicar de forma general las acciones a realizar. Dependiendo de los materiales obtenidos algunas instrucciones y el orden de ejecucion de ellas podrian cambiar un poco!
Perforaciones para el conector de antena:
- Realizar 4 perforaciones con una broca de diametro ligeramente superior a 2.5 mm por donde pasaran los tornillos de fijacion.
- Realizar otra perforacion en la mitad por donde pasara el cable del conector de antena con una broca de aproximadamente 4mm de diametro. La plantilla para la perforacion de dichos agujeros puede hallarse aqui.
Soldar conectores y cables a la tarjeta de circuito impreso:
Existen dos posibilidades para alimentar la estacion, mediante una fuente simple de 5V y mediante un adaptador PoE. La opcion que usa fuente de 5v es la que menos hardware requiere, pero esta limitada a un cable de unos cuantos metros, en cambio la version con PoE, requiere una fuente PoE y un splitter PoE dentro de la caja, pero pueden usarse cables de hasta 100 metros de longitud!.
- Soldar conectores header para el modulo LoRa. Esto no es 100% necesario, pues el modulo podria soldarse directamente a la tarjeta de circuito impreso, sin embargo, usar los headers permite que el modulo pueda ser retirado en cualquier momento.
- Soldar conectores header para el modulo splitter PoE (¡en caso que se use uno!).
- Soldar terminales de tornillo a la PCB para permitir una conexion/desconexion del cable electrico de forma facil.
- Realizar las conexiones electricas por debajo de la tarjeta, en lo posible usando cable con recubrimiento PVDF, entre las terminales de tornillo y los pines de poder del modulo PoE y el modulo LoRa.
Fijar conector de antena, tarjeta de circuito impreso y cables de poder.
- Fijar el conector de antena mediante las 4 tuercas de seguridad.
- Introducir los cables de alimentacion por dentro de los conectores pasacables y dejar un poco flojas las tuercas plasticas de ajuste.
- Introducir la tarjeta de circuito impreso, ajustarla a la caja mediante los tornillos autorroscantes.
- Conectar los cables de alimentacion a las bornera tornillo, el cable de la antena al modulo LoRa y ajustar los conectores pasacables. Es probable que se tenga que experimentar un poco con los pasos anteriormente mencionados para buscar la forma mas comoda de ensamblar!
Descargar el firmware.
Una vez verificada la correcta conexion electrica al modulo LoRa, (generalmente estos modulos vienen con un firmware de prueba y deberian mostrar algun tipo de logo/imagen/datos en la pantalla LCD al enchufar la alimentacion), conectar el modulo LoRa mediante un cable Micro USB a un computador personal y seguir las instrucciones que se encuentran en la Wiki de TinyGS.
Ubicacion de la antena.
La antena debera ubicarse donde tenga una mayor vista del cielo (en el techo o mediante un poste muy largo) y en lo posible alejada de paredes y de estructuras metalicas. Dependiendo de nuestra vivienda esto podria no ser posible, asi que se debera hacer varias pruebas en ventanas para ver cual nos da mejor resultado.
Si se quiere poner la caja a la intemperie, se debera sellar el segundo agujero de la caja con un trozo de caucho, igualmente se debera usar cinta de caucho autofundente para cubrir las partes metalicas de la antena y usar un poco de silicona neutra en los tornillos. Evitar usar silicona acida (la que tiene un olor a vinagre) pues esta tiende a oxidar los tornillos y partes metalicas
Resultados obtenidos.
Dadas las condiciones logisticas especificas de esta prueba, no era posible acceder al techo de la edificacion, ni instalar estructuras permanentes por fuera de las ventanas, por lo tanto, se decidio probar el siguiente configuracion: La caja con el receptor estaria dentro de la edificacion y la antena, la cual tiene un iman y puede ser montada/desmontada con facilidad, estaria afuera de la ventana sobre la reja.
La antena fue comprada en un comercio electronico local, no tiene ningun tipo de ajuste ni optimizacion. La prueba fue realizada en Cali, Colombia y el registro de mayor distancia recibida hasta la fecha fue desde el satelite NORBY cuando volaba sobre Arequipa, Peru, aproximadamente 2265 Kilometros en linea recta hacia el satelite, ¡nada mal para un receptor satelital cuyo costo ronda los 40 EUR, fue ensamblado en casa y que no requirio ningun tipo de ajuste!
Variantes.
Se desarrollo una version portatil de la estacion terrena, que usa una caja un poco mas pequeña y se alimenta mediante una bateria. Esta pensada para ser una estacion movil-temporal que se conecte a un WiFi de un telefono celular. Utiliza una bateria LiFePo4 de 3.2 voltios, por lo tanto, no se requiere un regulador, la bateria va directamente conectada al pin de 3.3v del modulo LoRa.
Este mismo hardware (tanto el fijo, como el portatil) pueden ser usados para otro tipo de proyectos, por ejemplo para el proyecto aprs.fi, el cual es de especial interes para radioaficionados. El hardware es 100% compatible y solo requiere cambiar el firmware por este.
| Componentes adicionales para version movil | Enlace de compra | Hoja de datos |
|---|---|---|
| Caja generica a prueba de agua 83x58x33mm | compralo aqui | AK10019-A1.pdf |
| Conector para bateria AA para PCB | compralo aqui | BH311.pdf |
| Bateria recargable Lifepo4 3.2V 14500 AA | compralo aqui | Lifepo4-3.2V-14500-Rechargeable-battery-AA.pdf |
| Tarjeta de circuito impreso (PCB) | Enlace de compra | Repositorio con archivos fuente |
|---|---|---|
| Tarjeta prototipo para caja de 83x58mm | compralo aqui | mcu-proto-100x68mm |
