Сначала решите: ретранслятор действительно нужен?

Стационарный узел имеет смысл устанавливать не потому, что «чем больше ретрансляторов, тем лучше», а когда он решает конкретную проблему топологии.

Хорошие сценарии:

• две части территории не слышат друг друга из-за рельефа;
• между населёнными пунктами есть подходящая высокая точка;
• домашние узлы находятся глубоко внутри зданий;
• нужно обеспечить покрытие участка, СНТ или территории объекта;
• есть выраженная зона радиотени;
• нужна постоянно доступная базовая точка для собственных мобильных устройств.

Плохой сценарий - поставить ещё один ROUTER рядом с уже работающими узлами просто ради увеличения их количества.

В плотной Meshtastic-сети лишние инфраструктурные роли способны увеличить количество ретрансляций и коллизий. Хороший ретранслятор должен добавлять новое полезное покрытие.

Что выбрать: RAK4631, другой nRF52 или ESP32

Для постоянно работающего солнечного узла выбор аппаратной платформы критичен.

nRF52

Для автономной системы это обычно наиболее практичный вариант.

Преимущества:

• низкое энергопотребление;
• Bluetooth Low Energy;
• хорошая поддержка Meshtastic;
• есть готовые платы с зарядкой аккумулятора и входом солнечной панели;
• меньше тепловыделение;
• проще получить большую автономность.

Популярный пример - RAK4631 на nRF52840 с SX1262.

ESP32

ESP32 удобен, недорог и широко распространён. На нём построено большое количество Heltec и LILYGO.

Но для автономной солнечной точки у него есть недостаток: платформа в типичной конфигурации потребляет больше энергии.

Если питание доступно постоянно, это может не иметь значения. Если узел должен пережить несколько зимних пасмурных дней на небольшом аккумуляторе, разница уже становится существенной.

Почему нельзя считать автономность по цифре «2 мкА»

В характеристиках RAK4631 можно встретить крайне низкое потребление в режиме сна.

Но работающий mesh-ретранслятор не проводит всё время в глубоком сне.

Он должен:

• слушать LoRa-эфир;
• принимать пакеты;
• обрабатывать их;
• периодически передавать;
• выполнять служебные операции прошивки.

Во время передачи ток радиомодуля кратковременно возрастает на порядки относительно deep sleep.

Кроме самого модуля есть потребление:

• базовой платы;
• стабилизатора;
• зарядного контроллера;
• индикаторов;
• GPS;
• датчиков;
• преобразователей питания.

Как правильно считать энергопотребление

Начинать лучше не с паспортной цифры микроконтроллера, а с измерения готового устройства.

Узел нужно собрать в той конфигурации, которая будет установлена на объекте:

• нужная прошивка;
• реальная роль;
• рабочий LoRa preset;
• необходимая мощность передачи;
• GPS включён или выключен;
• экран включён или отсутствует;
• реальные интервалы телеметрии;
• Bluetooth в том режиме, который будет использоваться.

После этого измеряется потребление хотя бы в течение достаточно продолжительного периода, чтобы туда попали приём и передача пакетов.

И уже от суточного потребления рассчитывается аккумулятор и солнечная генерация.

Что можно отключить в стационарном ретрансляторе

Автономному узлу обычно не нужны функции карманного устройства.

Экран

На крыше никто не будет регулярно смотреть OLED. Экран добавляет потребление и ещё одну потенциальную точку отказа.

GPS

Если ретранслятор установлен постоянно в одной известной точке, непрерывно работающий GNSS часто не нужен.

Фиксированное местоположение можно задать в настройках, если это требуется сценарию.

Wi-Fi

Для полностью автономного LoRa-ретранслятора Wi-Fi обычно не нужен.

Частая телеметрия

Напряжение аккумулятора контролировать полезно, но нет необходимости каждую минуту создавать новый пакет только ради графика.

Яркие светодиоды

Постоянно включённый LED кажется мелочью, но автономная система работает круглосуточно. Всё постоянное потребление нужно учитывать.

Аккумулятор выбирают не по принципу «чем больше, тем лучше»

Аккумулятор выполняет две задачи:

1. обеспечивает работу ночью;
2. даёт запас на дни, когда солнечной энергии недостаточно.

Поэтому нужно определить требуемую автономность без солнца.

Для летнего экспериментального узла может быть достаточно небольшого запаса.

Для точки, установленной на крыше и недоступной для регулярного обслуживания, разумнее проектировать систему с запасом на несколько неблагоприятных суток.

При этом нельзя рассчитывать на использование 100% номинальной ёмкости аккумулятора.

На реальную доступную энергию влияют:

• температура;
• возраст элемента;
• потери преобразователей;
• порог отключения электроники;
• саморазряд;
• реальная, а не заявленная ёмкость.

Li-ion и LiPo удобны, но требуют нормального управления зарядом

Типичные платы WisBlock рассчитаны на подключение перезаряжаемых литиевых аккумуляторов и содержат цепи зарядки.

Главное правило: использовать тот тип и напряжение аккумулятора, на который рассчитана конкретная плата.

Нельзя подключать произвольную батарею только потому, что разъём физически подошёл.

Главная проблема зимнего солнечного узла - не только отсутствие солнца

Зимой одновременно ухудшаются несколько условий:

• короче световой день;
• солнце находится ниже;
• больше облачных дней;
• панель может покрываться снегом;
• аккумулятор становится холодным;
• доступная ёмкость снижается;
• зарядка литиевого аккумулятора на морозе становится проблемой.

Именно поэтому солнечная система, прекрасно работающая всё лето, может выключиться в ноябре или декабре.

Почему Li-ion нельзя бездумно заряжать на морозе

Для обычных литий-ионных элементов низкотемпературная зарядка требует особого внимания.

В современной WisMesh Board ONE, например, контроллер заряда останавливает заряд при температуре аккумулятора ниже 0 °C и выше 55 °C при корректно реализованном температурном контроле.

Это полезная функция, но она создаёт важное следствие:

То есть зимой одной большой солнечной панели недостаточно. Нужно понимать температурные возможности аккумулятора и конкретной зарядной схемы.

Как выбрать солнечную панель

Панель должна не просто поддерживать устройство в идеальный полдень.

Она должна за ограниченное светлое время:

1. обеспечить текущую работу узла;
2. вернуть аккумулятору энергию, потраченную ночью;
3. по возможности восстановить запас после нескольких пасмурных дней.

Поэтому панель выбирается с запасом относительно среднего суточного потребления.

Нужно учитывать:

• регион;
• сезон;
• ориентацию панели;
• затенение;
• снег;
• грязь;
• потери зарядного преобразователя;
• температуру;
• деградацию компонентов.

Тень особенно опасна

Маленькая солнечная панель на стене может большую часть дня находиться в тени карниза, трубы, антенны или соседнего здания.

Поэтому место нужно оценивать не только в момент монтажа.

Тень меняется:

• утром и вечером;
• летом и зимой;
• после появления листвы;
• из-за снега.

Для готовых WisMesh солнечных устройств производитель также требует располагать панель под прямым солнечным светом без затенения.

Есть ли готовые ориентиры

Да. Серийные солнечные Meshtastic-устройства показывают, что такой сценарий вполне реален.

Например, компактный WisMesh Repeater Mini использует:

• RAK4631 на nRF52840;
• аккумулятор 3200 мА·ч;
• встроенную солнечную панель;
• наружный IP67-корпус.

Более крупный WisMesh Repeater предлагается уже с аккумуляторной системой 5,2 А·ч и внешней солнечной панелью 10 Вт.

Но эти цифры нельзя просто копировать для любой самодельной сборки. Они относятся к конкретному оборудованию, потреблению и схеме питания производителя.

Не подключайте солнечную панель прямо к аккумулятору

Между панелью и перезаряжаемым аккумулятором нужна корректная схема управления зарядом, соответствующая типу батареи.

У WisBlock для этого существуют базовые платы и специальные power-модули с входом солнечной панели и зарядным контроллером.

Например, RAK19007 предусматривает отдельный вход для солнечной панели и зарядную схему для литиевого аккумулятора.

Но у каждой платы есть свои ограничения.

Для другой платы или отдельного контроллера допустимое напряжение может быть совершенно другим. Поэтому схема питания выбирается по документации конкретного оборудования.

Что лучше: встроенная зарядка или отдельная солнечная система

Встроенная зарядка платы

Подходит для компактного маломощного узла:

• меньше компонентов;
• компактнее корпус;
• проще монтаж;
• дешевле.

Отдельная система питания

Имеет смысл, когда требуется:

• большая солнечная панель;
• большой запас энергии;
• другой тип аккумулятора;
• расширенная температурная защита;
• удалённый контроль питания;
• несколько нагрузок.

Здесь уже важен полноценный расчёт совместимости панели, аккумулятора, зарядного устройства и нагрузки.

Какую роль выбрать для солнечного Meshtastic-узла

Выбор зависит не от наличия солнечной панели, а от функции узла.

CLIENT_BASE

Очень интересный вариант для собственной домашней базовой точки.

Он может находиться на чердаке или крыше и отдавать приоритет обмену с избранными собственными узлами, не превращаясь в агрессивный глобальный ROUTER для всей окружающей сети.

ROUTER

Используется для действительно важной инфраструктурной точки с хорошим расположением.

Не стоит выбирать ROUTER только потому, что устройство стационарное и питается от солнечной панели.

REPEATER

Специализированная инфраструктурная роль. В Meshtastic такой узел предназначен прежде всего для ретрансляции и имеет минимальный пользовательский функционал.

ROUTER_LATE

Подходит для специфической топологии, например чтобы связать удалённый кластер или радиотень с основной сетью.

Это не универсальный режим «ретранслятор на солнечной панели».

Power Saving в Meshtastic

Meshtastic имеет отдельные настройки энергосбережения.

При Power Saving могут отключаться:

• Bluetooth;
• Serial;
• Wi-Fi;
• дисплей;

Это особенно полезно для устройств с ограниченным источником энергии, включая солнечные системы.

Но не стоит вслепую менять все расширенные параметры Power. Сама документация Meshtastic рекомендует большинству пользователей сначала правильно выбрать Device Role, поскольку роль уже определяет значительную часть поведения устройства.

А что с солнечным MeshCore Repeater

Для MeshCore логика ещё понятнее.

У системы есть отдельная прошивка Repeater. Такой узел выполняет инфраструктурную задачу и может быть установлен на высокой точке независимо от пользовательского Companion.

MeshCore официально поддерживает, среди прочего, RAK4631, поэтому энергоэффективная WisBlock-платформа подходит и для этой системы.

Таким образом, одна аппаратная платформа при поддержке конкретной ревизии может использоваться:

• с Meshtastic;
• с MeshCore;
• после перепрошивки и перенастройки под нужный протокол.

Одновременно работать одним радиомодулем в обеих сетях он при этом не будет.

MeshCore или Meshtastic для автономной инфраструктуры

Если узел строится именно как выделенный ретранслятор, архитектура MeshCore выглядит очень логично: пользовательские Companion и инфраструктурные Repeater разделены изначально.

Meshtastic более универсален и имеет разные Device Roles.

Выбирать стоит не по автономности как таковой, а по тому, какая сеть реально используется вокруг и какую топологию нужно построить.

Не тратьте солнечную энергию на плохую радиолинию

Автономный узел должен быть энергоэффективным не только электрически, но и с точки зрения радиосети.

Если антенна установлена плохо, пакетам приходится чаще повторяться, маршрут становится нестабильным, а дополнительная активность расходует и эфир, и энергию.

Для стационарной точки нужно проверить:

• рабочий диапазон антенны;
• КСВ;
• вертикальную поляризацию, если она используется остальной сетью;
• расстояние от металлических конструкций;
• качество разъёмов;
• потери в коаксиальном кабеле.

Лучше короткий ВЧ-кабель

Для узла на крыше часто разумнее разместить радио ближе к антенне, чем установить электронику в помещении и тянуть к антенне много метров тонкого коаксиала.

Потери питания по низкочастотному кабелю обычно проще компенсировать правильной схемой, чем вернуть потерянные децибелы после длинного ВЧ-фидера.

IP67 не означает «внутри никогда не будет влаги»

Для электроники на улице нужен нормальный наружный корпус.

Но герметичность решает только часть проблемы.

Внутри коробки происходят температурные циклы:

При неправильной конструкции внутри может появляться конденсат.

Нужно учитывать:

• класс защиты корпуса;
• герметичность кабельных вводов;
• УФ-стойкость пластика;
• расположение вводов;
• образование конденсата;
• нагрев от солнца;
• минимальную и максимальную температуру электроники;
• возможность обслуживания.

Почему полностью прозрачная коробка может быть плохой идеей

Прозрачный гермобокс выглядит удобно: видно электронику и индикаторы.

Но под прямым солнцем он может работать как небольшая теплица.

Температура внутри закрытого корпуса способна быть заметно выше температуры воздуха.

Это особенно неприятно для:

• литиевого аккумулятора;
• зарядного контроллера;
• OLED;
• пластиковых элементов;
• клеевых соединений.

Поэтому наружную электронику лучше защищать не только от воды, но и от прямого солнечного нагрева.

Где располагать аккумулятор

Не обязательно размещать батарею в самом горячем месте рядом с солнечной панелью.

Если конструкция позволяет, аккумулятору полезнее более стабильный температурный режим.

Но вынос батареи создаёт новые требования к:

• длине проводов;
• падению напряжения;
• герметичности;
• механической защите;
• разъёмам.

Крыша и мачта: что важно кроме радиосвязи

Установка оборудования на кровле или мачте - это уже не настольный эксперимент.

Нужно учитывать:

• ветровую нагрузку;
• надёжность крепления;
• сход снега и льда;
• доступ для обслуживания;
• молниезащиту;
• уравнивание потенциалов металлических конструкций;
• безопасные расстояния от воздушных линий;
• герметичные наружные соединения.

Нужен ли УЗИП маленькому LoRa-узлу

Если небольшая антенна находится внутри пластикового корпуса на стене, ситуация одна.

Если наружная антенна вынесена на мачту над кровлей, появляется уже другой уровень грозовых воздействий.

Наличие молниезащиты, заземления мачты, УЗИП и защиты линий определяется конструкцией объекта и существующей системой молниезащиты.

Нельзя просто соединять мачту с первым попавшимся PE-проводником или самостоятельно изменять существующую систему молниезащиты здания.

Как контролировать аккумулятор удалённо

Полезная автономная точка должна сообщать о проблеме до полного отключения.

Стоит контролировать:

• напряжение аккумулятора;
• процент заряда, понимая приблизительный характер такой оценки;
• время последнего пакета;
• uptime;
• температуру внутри корпуса, если она действительно нужна;
• статус работы узла.

Но телеметрию нужно передавать с разумным интервалом. Слишком частый мониторинг сам начинает расходовать эфир и энергию.

Почему солнечный Meshtastic выключается каждую ночь

Самые частые причины:

1. Аккумулятор слишком маленький.
2. Реальная ёмкость значительно ниже заявленной.
3. Аккумулятор изношен.
4. Панель почти весь день находится в тени.
5. Панель слишком мала для реального потребления.
6. Плохой контакт солнечного разъёма.
7. Выбрана слишком энергозатратная платформа.
8. Постоянно работают GPS, экран или Wi-Fi.
9. Устройство слишком активно передаёт телеметрию.
10. Аккумулятор не заряжается из-за низкой температуры.
11. Неверно работает измерение напряжения батареи.
12. Есть паразитное потребление дополнительной электроники.

Почему процент батареи может врать

Meshtastic рассчитывает состояние аккумулятора на основании измеренного напряжения и параметров конкретной платы.

Если коэффициент ADC настроен неверно, приложение может показывать неправильное напряжение и процент заряда.

Поэтому при диагностике питания полезно сравнить:

• показания приложения;
• реальное напряжение мультиметром;
• момент отключения устройства;
• момент окончания зарядки.

Корректировать ADC Multiplier стоит только после фактического измерения, а не для того, чтобы визуально сделать показатель батареи «красивее».

Пошаговая проверка перед установкой на крышу

RAK4631 или готовый солнечный ретранслятор?

Самостоятельная сборка

Плюсы:

• можно подобрать нужную ёмкость;
• выбрать корпус;
• использовать свою антенну;
• адаптировать питание под объект;
• проще ремонтировать отдельные компоненты.

Минусы:

• нужно правильно собрать питание;
• нужно самостоятельно решить герметизацию;
• нужно учитывать температурный режим;
• больше потенциальных ошибок.

Готовое устройство

Плюсы:

• уже согласованы основные компоненты;
• готовый наружный корпус;
• меньше монтажа;
• быстрее развёртывание.

Минус - меньше свободы при выборе батареи, панели и внутренней схемы.

Какой вариант я бы выбрал

Для компактного автономного узла без постоянного питания логика выглядит так:

ESP32 я бы оставлял для тех случаев, когда его дополнительные возможности действительно нужны или когда солнечная и аккумуляторная часть имеют достаточный энергетический запас.

Частоты и мощность

Солнечное питание никак не меняет правила использования радиочастот.

Для соответствующих устройств на территории России используются, в частности, полосы:

• 864-865 МГц;
• 866-868 МГц;
• 868,7-869,2 МГц.

Конкретные условия зависят от категории устройства, частоты, эффективной излучаемой мощности и режима передачи.

Нельзя выбирать зарубежный регион, ставить внешний усилитель или увеличивать мощность только потому, что автономный узел расположен далеко от людей.

Итог

Надёжный солнечный Meshtastic или MeshCore Repeater начинается не с большой панели, а с минимального энергопотребления.

Для автономной точки обычно выгодно:

• использовать nRF52;
• убрать ненужные потребители;
• выбрать правильную сетевую роль;
• измерить реальное потребление;
• заложить запас аккумулятора на плохую погоду;
• рассчитать панель не только на лето;
• предусмотреть температурную защиту зарядки;
• сделать хороший наружный корпус;
• поставить узел там, где он действительно улучшает топологию.

Тогда солнечная панель перестаёт быть декоративным аксессуаром и действительно позволяет сделать инфраструктурную LoRa-точку, которая работает автономно и не требует постоянных поездок для подзарядки.