Egy meteorológiai ballonszonda újrahasznosítása – 1. rész

2019. október 27. vasárnap

Naponta tucatnyi meteorológiai ballont engednek fel a környező országokban. A jellemzően 2, de legfeljebb 3 órát repülő lufikba töltött gáz egy kritikus magasságot elérve akkorára tágul, hogy azt a ballon anyaga nem bírja tovább és lezuhant. 

A ballon útja során teljes történetben elejétől a végéig jelen vannak a rádióamatőrök, sőt, az igazi szórakozás a magaslégköri változókat vizsgáló ballon utóéletével – újrahasznosításával – kezdődik.

QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

A magaslégköri adatokat gyűjtő és továbbító ballon rendre néhányszor tíz kilométeres magasságot ér el, repülési ideje alatt párszáz kilométeres távot tesz meg mielőtt függesztett ejtőernyőjével lezuhanna. Begyűjtésével nem bajlódnak, inkább ráírják, hogy veszélytelen elektronikai hulladék.

A felbocsátásokat világszerte naponta kétszer, 00 és 12 óra UTC-vel végzik, környékünkön egyebek mellett Bécsben, Budapesten, Szegeden és Zágrábban. Számomra ez utóbbi érdekes, ugyanis kedvező széljárás esetében épp felénk – Harkány irányába – sodródik, ami az APRS térképen követhető. Így történt ez a napokban is, amikor Darány határában pottyant egy le. Több se kellett, azonnal szétkaptam az egyik korábbi diplomamunkám tárgyát.

Az Európában legelterjedtebb rádiószondákat a Vaisala gyártja. Szegeden leginkább DFM-06 típusokat engedik szélnek, míg Zágrábban az RS41-et. Ez érkezett szerkesztőségünk műtőasztalára, ahol a lehetőségeket számba véve úgy döntöttem, hogy nem újsághír, hanem blogbejegyzés lesz belőle. Mert lehetőség az bőven akad, tekintettel a felépítésére.

 

A Vaisala RS41 ballonszonda

Az egész berendezés alig 80 grammot nyom a repülési időt nevetve kibíró két darab AA elemmel és a műanyag, panelre pattintott tartójával együtt. Szembetűnő a légnedvesség- és hőmérő szenzor elhelyezése, melyet egy rugalmas fémlapon tartanak el a háztól, valamint az a huzaldarab, amit UHF antennaként lóg ki belőle. Megjegyzem, hogy más típusoktól eltérően (mint az RS92-nél) ezen nincs aprócska helix (vagy inkább QFH) antenna – ez ugyanis GPS vételre szolgál, amit az RS41-ben belső kerámiával oldottak meg, ami a panel felső szélén kapott helyet.

QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

A szonda a hőszigetelés kedvéért egy hungarocell házban van, melyből a függesztésre szolgáló kar mellett az érzékelőket hordozó lemez illetve az UHF antenna lóg ki. Ez utóbbi egy panelre forrasztott, összességében 143 milliméter hosszúságú vékony acélsodrony. Ez a 402 MHz-es működési frekvenciának majdnem negyede.

Szétrobbantás előtt nézzük meg, mit tud gyári paraméterei szerint. A szondák általában 1680 valamint 400 MHz-en működnek, példányunk ez utóbbi sávban szórta adatait. Teljesítménye több mint 60 mW, működését jó telepekről legalább 4 órán át garantálja a gyártó -90 és +60 Celsius fok között. Ez idő alatt analóg jeleket bocsát ki, a keretben helyet kap rengeteg más adat mellett a hőmérséklet, légnyomás, fedélzeti feszültség, processzor hőmérséklete valamint az olyan GPS-ből nyert infó, mint a pozíció, vagy a magasság is.

A kis berendezés a sávválasztás, antenna és teljesítmény szempontjából egyébként úgy lett kitalálva, hogy 350 kilométer távolságból biztonsággal fogni lehessen a jeleit.

A szonda sugárzott sorozatszámából és a firmware verziójából is rengeteg információ megtudható, egyebek mellett például a felbocsátás napja is, melytől azért szeretnek olykor-olykor eltérni. Ezt jelzi a szonda valamennyi részén lévő teljesen más sorszám is, mely egyébként a felhasználásához is csak az évében kötődik… A későbbiekben ez kevésbé lesz érdekes, így inkább arra térnék ki, hogy a kis készülék egy fázismodulációt használ, a 4800 bps sebességű keretek között apróbb szünetekkel. Ez a modulációs mód teszi lehetővé, hogy egy egyszerű FM vevővel vegyük és dekódoljuk a jelét, vagy egy RTL-SDR és egy Raspberry segítségével monitorozó állomást építsünk. De ez már másik téma, esetünkben azért van ennek jelentősége, mert egy APRS jeladót szeretnék belőle építeni, később kiegészítve egy épített gateway-el, amivel a közelünkbe tévedt szondák jelei is feldolgozhatóak.

A készülék spártaian egyszerű, egyetlen kezelőszerve a ki- és bekapcsolásra szolgáló gomb, a bootolásról, majd a GPS státuszán keresztül működéséről – vagy épp hibájáról – pedig egy LED ad tájékoztatást.
QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

A papírvékony műanyag tok lefejtése után elénk tárul a panel, mely magán hordoz mindent, ami a telemetriához kell és önmagában 13 gramm. A néhány műanyag füllel és merevítővel ijesztővé tett fedél szinte gond nélkül lejön, és az első amivel találkozunk az elemtartó valamint az érzékelők csápjának a szalagkábelek megoldásaiból jól ismert csatlakozója.

QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

A burkolattól teljesen megfosztott magaslégköri rádiószonda paneljén szembetűnő a süllyedő csatlakozósorral rátett RPM-411 modul, mely egy barométerrel is fel van felszerelve. Erről majd később ejtünk néhány szót, először a szonda működését vegyük górcső alá rádióamatőr szemmel.

QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

Az elemtartótól és a barometrikus modultól lecsupaszított panelen már jól elkülönülnek az egyes részegységek. Legnagyobb lapkával a GPS modul van jelen, míg a jól elkülönülő rádión túl szembetűnő a fűtés kocsányon lógó áramköréhez tartozó analóg kapcsolókör.

A kétoldalas panel másik felén a szonda processzora és néhány tápfeszültséghez kapcsolódó megoldás található. Itt van az NFC áramköre is, melynek panelen kialakított tekercse mindkét oldalon feltűnően nagy részt foglal el. A vázlatos kapcsolási rajzokat DB4ZJO Bajzo kezdte el, az egyes modulok képei alá némi pontosítás után szúrtam be. Értékekkel nem bajlódtam, a sorszámok kiosztása is teljesen véletlenszerű, a paneleken ugyanis nincs szitázás.

QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

 

A GPS áramkör

A helymeghatározásért felelős, szokatlanul komolyan megépített áramkörnek a feladata kettős. Azon túl, hogy pozíció- és sebességadatokat szolgáltat, a tőle kapott magasságadattal korrigált értékkel lesz meghatározva a légnyomás is. A modul az Ublox UBX-G6010-ST lapkája köré épül, mely egy hidegindításnál a TCXO-s installációban 35 másodpercet kér, egyébként az L1 sávon legfeljebb 50 csatornán vett pozícióadatokból határozza meg a helyzetét.

Paramétereit tekintve a modul messze túlmutat a szonda lehetőségein, ugyanis 50 kilométer magasságig és 500 méteres másodpercenkénti sebességig ad 2,5 méteres pontosságú riportot. Az áramkör működési hőmérsékletét tekintve a hungarocell szigetelésre csak kis mértékben van utalva, ugyanis meglehetősen széles tartományban, -40 és +85 fok között érzi jól magát.

Felépítését tekintve a kerámia antenna után egy sávszűrő vágja le a nemkívánatos frekvenciák nagyját, hogy aztán egy alacsony zajú erősítőn át a differenciálerősítőre jusson a jel. A chip a processzorral az UART interfészen keresztül kommunikál.

QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

RS-41-GPS-schematic-ha8lht_small

A rádió

Pontosabban az adó, ugyanis az egyetlen GFSK modulációt üzemi frekvenciára ültető EZRadioPRO családtag, egy Si4032 köré épül az egész. A Silicon Labs gyártmányú kompakt ISM sávú IC a család legnagyobb teljesítményű tagja, egy harmonikus szűrőn keresztül külön erősítőfokozat nélkül juttatja a jelét az antennára. A programozással 240-930 MHz között hangolható fokozat 3 Voltnál is 85 mA alatti áramfelvétele mellett 60…100 mW teljesítményt présel ki magából. A fokozat amatőr aspektusában 70 centiméteres adónak állítható át, a következő részek egyikében ezt fogjuk megcsinálni.

A szonda vezérlő áramköre az SPI2 felületen másodpercenként szólítja meg, így a gyári firmware-rel ilyen időközönként várhatunk adatot. A kis kocka nagy előnye, hogy egy timer segítségével fel tudja magát ébreszteni, így akár olyan alkalmazásban is energiatakarékos partner lehet, ahol csekély erőforrás mellett extrém hosszú üzemidő vagy rendelkezésre állás szükséges. Belső hőmérője is van, a működése pedig -40 és +85 fok között garantált.

Külső oszcillátorral nem kell bajlódni, ugyanis a tok tartalmaz egy 30 MHz-es áramkört a fáziszárt hurokhoz, de az alkalmazott technikában a GPS-ből vett 26 MHz-el működik.

QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

RS-41-tx-schematic-ha8lht_small

 

A mikrokontroller

Az adatok feldolgozásáért és keretbe öntéséért valamint a rádió vezérléséért és néhány automatizálási műveletért egy LQFP48 tokba bújtatott STM 32F100 mikrokontroller a felelős. A 32 bites Cortex M3 processzor belsejében 128 kB flash memória rejlik, a PLL-jéhez pedig egy 24 MHz-es TCXO is társul, ami a tok közelében kapott helyet. A működési tartomány szintén nem lehet szűk keresztmetszet, a polgári alkalmazásokban teljesen elfogadott, esetünkben kiváló -40…+85 fok között szépen teszi a dolgát.

A későbbiekhez nem árt megjegyezni, hogy a bekapcsoló fetet a PA12-n az MCU kikapcsolhatja. Fő kapcsoló PA6, piros LED PB8, zöld PB7. Rádió PC13.

Az ARM-ról sokkal többet kár beszélni, annak buszai, működése inkább programozási feladat, mint amatőr érdeklődés tárgyköre.

QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

 

Az interfész

A kis szonda fel van szerelve egy NFC eszközzel, mely tekercsének kialakítása a panel alsó felében, mindkét oldalon látható. A 13,56 MHz-es áramkör alapvetően a szonda adatainak kiolvasására és paraméterezésére szolgál. Ezt nem fogjuk használni, hiszen egy csatlakozófelület is elérhető a panelen. A megoldás – tekintve helyigényét – meglehetősen luxusnak számít, más szondák szoftvere ugyanis csak egy csatlakozósorral érhető el. Kétségtelen, hogy programozáshoz egy eszközt közelíteni egyszerűbb megoldás, mint a szigetelést megbontva csatlakozókat dugdosni, de tekintve a napi két elengedett szondára nem egy nagy megerőltetés. Összehasonlításként lentebb mutatok egy RS92 szondát is, melyen jól látható a programozáshoz használt három felület, melyet egy dokkolóba nyomva végeznek.

vaisala-rs-41-nfc-circuit-ha8lht

RS-41-NFC-schematic-ha8lht_small
 vaisala-rs92-ha8lht-interface

 

A tápfesz modul

Az áramkör fő eleme a MAX8887, mely legfeljebb 300 mA áramot ad le folyamatosan, rövid ideig pedig a fél amperrel is kiszolgálja a kimenetére állítható 1,5, 1,8, 2,85 és 3,3 voltos szintjeit. Emellett három TLV70030 stabkocka is üzemel az újabb RS41-esekben, melyek 3 volt mellett 200 mA-t képesek leadni.

A fokozat állítja elő valamennyi részegységnek a feszültséget, valamint magában hordozza azokat az osztókat is, melyből a processzor analóg bemenete a telep feszültségét méri.

QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

 

Érzékelők

Az RS41 a Vaisala legjobb szenzorait kapta. A legszembetűnőbb az a rugalmas csáp, melyen a platina termisztor és a páratartalom-mérő lapka kapott helyet és a panelre egy szalagkábel-csatlakozón keresztül kapaszkodik fel. Ez utóbbi szenzor kapacitív rendszerű, és társul hozzá egy hőmérsékletet kompenzáló ellenállás valamint egy fűtőtest is, ami melegíti, rendszeresen eltávolítva róla a lecsapódott párát.

Érdekesség, hogy a korábban bemutatott RS92 – mely egy régebbi konstrukció – két páratartalommérőt hordoz. Kompenzáció helyett míg az egyik a fő mérési eredményekért felelős, a másik az előmelegítés során mér. A készülék belsejében egy elkülönített részen fűtéshez tartozó áramkörök vannak.

vaisala-rs-41-ha8lht-40-sensor-fullview

QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

 

A barométer modulja

A külön csatlakozón keresztül érintkező modul csak az RS41SGP típusjelű szondákban van, a helyette flasht tartalmazó SGM-ben nem működik, mivel a gyári firmware szerint ugyanazt az interfészt használja mindkettő.

A központi egységgel másodpercenként SPI porton kommunikáló panelen a légtömeg nyomását egy 15 pF-os Barocap referenciakondenzátor érzékeli. A modul egy NTC hőmérőt is tartalmaz. Érdekesség, hogy a panelen látható egy SO8 üres hely is. Ez egy 8 bites, 1 megabájtos M25PE80VP flash helye, melyet a katonai eszközökbe ültetnek a jelek késleltetett továbbítása céljából.

A másik szembetűnő tok a modulon a A fém árnyékolás alatt szintén egy 48 lábú 32F100 ARM lapul.

QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

 

Programozás

A csatlakozó még fontos szerepet fog kapni, már ha van ST-Link interfészünk. Ha nincs, legyen. Az adatok egyébként 9600 baud mellett az általános 8N1 paraméterekkel cikáznak a közvetlenül 10 tűs csatlakozón elért UART3-on. Megjegyzem, az UART2 nem hozzáférhető, mert az érzékelőkhöz használja őket a szonda.

QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

A sorozat második részében megnézzük, miként lehet venni a szonda jeleit, majd áthangoljuk – helyesebben programozzuk – a kis szerkezetet úgy, hogy házi meteorológiai állomásként működjön az APRS hálózatára továbbítsa a mért adatokat.

QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

QRP.HU - fotó: Kacsúr Tamás, HA8LHT

 

adatlapok


RS41-SGP  | UBX-g6010-RS | Si4032