Prenos telemetrie (dát) na 434 MHz

V tomto článku popíšem rádiový prenos telemetrie v pásme 434 MHz ako ho prevádzkujem. V mojom prípade ide o jednosmerný prenos dát z lietadla do zobrazovacej jednotky na zem. V telemetrii ide o dlhodobý pravidelný prenos malých blokov dát. Tieto princípy však možno uplatniť aj pre iné podobné účely.

Cieľom tohto prenosu je pravidelne s čo najlepšou spoľahlivosťou doručovať pakety z lietadla do zobrazovacej jednotky (k pilotovi). Tieto informácie však nie sú pre riadenie lietadla nevyhnutné, len doplnkové. Takže krátkodobý výpadok spojenia je prijateľný. Ďalšie požiadavky sú umožniť prevádzku viacerých spojení na rovnakom kanáli (a využívať čo najmenšiu časť kanálu). Čo sa týka dosahu spojenia, mal by byť min taký, do akej vzdialenosti sa s modelom lietadla zvykne lietať (povedzme >500 m).

Pásmo 434 MHz som vybral kvôli tomu, že (do určitého vyžiareného výkonu) je jeho použitie voľné, vf moduly preň potrebné sú dobre dostupné, antény majú vhodné rozmery.

Použitý hw

Na prenos našich užitočných dát prostredníctvom rádiového signálu potrebujeme vf moduly, ktoré vytvárajú nosnú vlnu a pridávajú k nej dátový signál. Pre tu popisovaný systém stačia moduly na jednosmerný prenos.

Existujú rôzne druhy vf modulov, niektoré vstupný signál používajú priamo na moduláciu nosnej vlny, iné dostanú dáta na odoslanie a o moduláciu sa starajú samé. Vo vf moduloch pre prenos dát sa používajú dvojstavová AM (označovaná aj ASK alebo OOK), FM s diskrétnymi hodnotami (FSK, GFSK). Modulácie sa odlišujú v zložitosti, odolnosti rušeniu, šírkou zabratého pásma.

VF moduly pre svoj systém som kvôli jednoduchosti použitia a získaniu skúseností (aj kvôli dobrej dostupnosti) vybral pre frekvenciu 433,92 MHz s AM od firmy Aurel. Sú to jednoduché moduly, ktoré svoj vstupný signál používajú priamo na moduláciu rádiového signálu, prijímaný signál dávajú na výstup tiež v surovej podobe. Konkrétne sú to moduly TX-SAW 433/s-Z a RX-4MM5 (odkaz).

Antény sú ďalšou veľmi dôležitou súčasťou prenosového reťazca. Tieto vf moduly majú nesymetrické výstupy resp. vstupy, takže aj antény budú nesymetrické. Vlnová impedancia modulov je (bežných) 50 Ω. Pre takéto účely sa používajú antény nazývané monopól, ktoré sa skladajú zo žiariča a umelej zeme (keďže so skutočnou sa nemožno spojiť), nazývanej protiváha. Dĺžka žiariča a všetkých tyčových prvkov antény je 1/4 vlnovej dĺžky rádiového signálu, vynásobenej činiteľom skrátenia (pre antény vo vzduchu 0,9 - 0,98). Okrem toho sa používajú aj iné typy antén, ktorých cieľom sú menšie mechanické rozmery (za cenu menšej účinnosti) alebo smerové antény, ale tými sa tu nebudem zaoberať.

V mojej telemetrii som použil žiariče dĺžky 168 mm, tyčové protiváhy (rovnakej dĺžky). Uhol medzi protiváhami a žiaričom je 90° (impedancia antény asi 37 Ω). Materiál je mosadzný alebo medený drôt priemeru 0,8‑1 mm (čo bolo dostupné). Na prijímači sú 4 protiváhy, v lietadle sú priestorové obmedzenia, takže som použil len 2 protiváhy. Náčrt antén je na Obr. 1, skutočný vzhľad a umiestnenie na prijímači resp. v lietadle je na Obr. 2 a Obr. 3.



nacrt anten
Obr. 1: Náčrt tvaru antén



prijimacia antena
Obr. 2: Prijímač - anténa a zobrazovacia jednotka



vysielacia antena
Obr. 3: Vysielacia anténa v lietadle


Je dôležité aby všetky súčasti vedenia (kade sa šíri vf signál) mali rovnakú impedanciu, ináč sa bude signál (energia) odrážať a nedostane sa tam kde ho chceme mať. Takže (koaxiálne) káble pre spojenie vf modulov a antén sú potrebné tiež 50 Ω‑ové. Použil som kábel RG174. Tx modul je napájaný napätím asi 12 V z palubného aku v lietadle (plus nejaký filter na potlačenie rušenia vytváraného motorom), Rx modul je napájaný 5 V.

Princípy činnosti

Teraz niečo o tom ako to pracuje.
Na modulačný vstup Tx modulu je pripojený rovno výstup UART z mikrokontroléra odosielajúceho dáta, úrovne sú 5 V. Výstup Rx modulu je tiež zapojený priamo na vstup UART mikrokontroléra, ktorý prijaté dáta spracúva. Používam dátovú rýchlosť 3600 b/s, konfigurácia 8N1. Skúšal som aj 4800 b/s, ale boli problémy s prenosom na malú vzdialenosť (<2 m).

Kódovanie dát (Manchester apod.) nepoužívam žiadne, nebolo treba. Avšak pri zostavovaní paketu si dávam pozor aby za sebou nebolo veľa bajtov, ktoré budú často nadobúdať hodnotu 0. Robil som pokus, ako dlho potrvá prechod Rx do saturácie pri vysielaní trvalej nízkej/vysokej úrovni. Výsledkom bolo niekoľko desatín sekundy. Rx modul má funkciu automatického nastavenia zosilnenia podľa úrovni prijímaného signálu (Automatic Gain Control). To treba zohľadniť pri zostavovaní paketu.

Paket s dátami sa skladá z 2 častí. Schéma paketu je na Obr. 4. Paket je odosielaný s opakovacou frekvenciou 1 Hz.



schema paketu
Obr. 4: Schéma paketu


Prvá časť paketu slúži na prispôsobenie prijímača intenzite signálu (vybudenie), na to je použitý obdĺžnikový signál (vytvorený UARTom ako sekvencia n 0x55). Potom nasleduje chvíľu pauza (keďže nevieme ktorý bit zo sekvencie 0x55 prijímač chytil ako prvý). Potom nasledujú samotné dátové bajty. Najprv je to identifikátor Tx (2 bajty), za nimi užitočné dáta (hodnoty meraných veličín), nakoniec kontrolný kód (1 B).

Na spracovanie prijímaných dát je vytvorený algoritmus (stavový automat), ktorý číta jednotlivé bajty, ktoré UART príjme a keď detekuje začiatok paketu, začne jeho príjem. Počas prijímania paketu je kontrolovaný nielen jeho obsah, ale aj formát. Paket bude prijatý len keď splní všetky podmienky (formát, Tx ID, kontrolný kód). Prijímací algoritmus musí brať ohľad aj na to, že sa nedá zaručiť, že z budiacej časti paketu bude prijatý celočíselný počet bajtov 0x55. Ak je všetko v poriadku, budú dáta obsiahnuté v pakete odovzdané ďalšej časti programu na vyhodnotenie a zobrazenie.

Dosiahnuté výsledky

Telemetrický systém tu popísaný sa používa v motorizovanom vetroni už viac ako rok. Za ten čas som nenašiel hranicu dosahu rádiového spojenia :-) . Takže s dosahom som spokojný. Našiel som len 1 smer, ktorým sa signál nešíri dobre (pravdepodobne je tienený servami a tiahlami kormidiel). Chybovosť prenosu dát je na veľmi nízkej úrovni, dosahuje nejaké desatiny %. Aj pri veľkej vzdialenosti medzi lietadlom a pilotom komunikuje spoľahlivo. To všetko sa podarilo aj pri použití veľmi jednoduchej rádiovej komunikácie. Ak by bola použitá FM, určite by bol prenos ešte spoľahlivejší, takže by bolo možné použiť nižší výkon Tx modulu, vyššiu prenosovú rýchlosť. Za veľmi dôležité pre úspešné spojenie (na veľkú vzdialenosť) považujem dobré antén. Teda v skratke – funguje to až prekvapivo dobre.

Literatúra

Nejaké zdroje informácií:
Firma Aurel – aplikačné poznámky a dátové listy vf modulov: www.aurelwireless.com
Antény prakticky, Jacek Matuszczyk, 3. vydanie, 2003, BEN
Antény - encyklopedická příručka, M. Procházka, 3. vydanie, 2005, BEN
SWRA046A ISM-Band and Short Range Device Antennas, Texas Instruments, www.ti.com