构建一个带方向信息的多节点LoRa雷达追踪器

在小径、森林、骑行路线或农田中，手机信号覆盖迅速消失。基于手机的追踪系统恰好在你最需要时失效。我想要一个简单实用的解决方案：一款小巧的设备，能显示朋友或车辆的位置、朝向以及电池电量是否即将耗尽，且无需SIM卡、无需云端服务，也无需安装应用程序。

最终诞生的是TrackPulse——一款紧凑型LoRa追踪器，配有类似雷达的实时显示屏。所有设备运行相同的固件程序。只需开启几台设备，它们便会自动互相发现，并出现在彼此的雷达上。

它做什么

•实时雷达视图：附近节点在正确距离和方向上以三角形形式显示。

•朝向显示：当您转弯时，雷达会随之旋转，因此“向上”始终指向您的朝向。

•对等朝向：每个三角形指向相应人员或车辆的朝向。

•节点数据：距离、速度、高度以及链路强度(RSSI)。

•电池监控：每台设备实时显示电压和电量百分比，低电量时变为红色。

•多节点群集：单个网络最多可连接6台设备，无需为每台设备单独设置。

•活动点指示：发送时红点闪烁，接收时绿点闪烁。

•搜索动画：雷达扫描持续进行，直到找到目标节点为止。

工作原理(整体概述)

每个节点执行四项任务：

- 知道自身位置(GNSS定位、高度、速度);

- 知道自身朝向(IMU传感器融合);

- 每约10秒通过LoRa广播这些信息;

- 根据自身的朝向将其他所有节点绘制到雷达图中，用自身朝向作为“向上”方向。

硬件

•XIAO ESP32S3：小巧、高速，具备充足的UART和I²C接口，满足各种需求。

•REYAX RYLR498(433 MHz)：一款通过简单AT命令控制的LoRa模块，支持最高22 dBm输出功率和约-129 dBm灵敏度。

•GP-02 GNSS(AT6558R)：可接收GPS、北斗、GLONASS、伽利略、QZSS和SBAS信号，输出标准NMEA格式数据，并配备集成陶瓷天线。

•BMX160：一款9轴惯性测量单元(加速度计、陀螺仪、磁力计)，用于稳定航向定位。

•MAX17048：通过I²C接口提供精确的电池电压和电量状态的燃油表。

•GC9A01：清晰圆润的显示屏，非常适合雷达外观设计。

布线

IMU 和燃油表共用一条I²C总线。燃油表的响应地址固定为(0x36)，因此不会发生冲突。[请补充如何为GP-02供电(3V3或升压至5V)以及LiPo电池、USB-C充电器和开关的连接方式]

机箱

我设计了一个小型3D打印的外壳，带有用于显示屏的镂空、用于GNSS天线的凸起垫、LoRa天线的开口以及电源开关的侧边缝隙。我制作了红色和黄色各一个，以便能区分不同设备。

固件：工作原理

固件使用Arduino C++编写。我没有发布完整的源代码，但以下是关键的设计思路。

1. 零配置蜂群

无需设置固定地址。每个设备都使用共享的网络名称，在启动时该名称会被转换为LoRa网络ID，因此所有设备都会加入同一个网络。每个设备的地址来自其芯片的唯一硬件ID，因此不会发生设备冲突。所有消息都会被广播，因此任意数量的附近节点都能接收到。该网络最多支持6个设备(5个对等设备加上你自己)。这意味着你可以在所有设备上烧录相同的文件。

2. 紧凑型数据包

每个节点发送一条简短的文本行：

为避免单位在同一时间传输，每个节点在其约10秒的间隔中加入一小段随机延迟。若某个对等节点保持静默25秒，则会从雷达中消失。

3. 传感器融合的航向

单独使用指南针会存在噪声，单独使用陀螺仪则容易漂移，因此我通过互补滤波器结合三个传感器：

•陀螺仪提供平滑且快速的旋转信息。

•加速度计用于锚定倾斜(横滚和俯仰)。

•经倾斜补偿的磁力计用于锚定真实航向(偏航)。

陀螺仪在启动时需进行校准，因此开机时请保持设备静止片刻。融合后的航向会显示在屏幕上，并实时传输，以便其他节点可获取你的朝向方向。

4. 雷达数学

对于每个同伴，固件会计算从两个GPS位置到你的距离和方位角，然后减去你自己的航向，使雷达始终朝上。距离对应屏幕上的半径。当前满量程范围设置为2公里，且可轻松更改。

5. 平滑的用户界面

雷达会先从屏幕外绘制，然后以约30帧每秒的速度一次性推送到显示区域，因此旋转过程无闪烁。较慢的项目(如卫星、节点数量、电池)每秒刷新一次。

6. 电池电量监测

燃油表每2秒读取一次。底部显示电压和百分比(例如4.0V 78%)，当电量低于15%时会变为红色。如果未检测到电表，设备将继续运行并显示“BATT --”。

自行设置

•按照上图组装并连接模块。

•在Arduino IDE中安装四个库。

•为每个设备刷写相同的固件。

•将设备带出室外，等待GPS定位。

•开启第二台设备，两台设备应出现在彼此的雷达上。

测试与结果

•距离测试：几公里

•电池续航时间：超过一天

•GPS锁定时间：30秒

•航向精度：优秀

•封面照片说明：由于设备处于室内环境，屏幕显示的是GPS漂移数据，请忽略其中的距离读数。实际测试均在户外进行。

局限性与经验教训

•LoRa通信带宽低，因此位置更新大约每10秒一次，而非实时。

•GPS精度受天空视野影响，在室内时会出现漂移。

•磁力计可能受到附近金属和磁体干扰，因此请将惯性测量单元(IMU)远离这些物体。

•不同国家对发射功率和频率的规定不同，请在设置前确认当地法规。

•本版本中消息未加密。

本文编译自hackster.io