自古以來(lái)，外空就吸引著人類，在當(dāng)今數(shù)字時(shí)代，與空間技術(shù)互動(dòng)的可能性比以往任何時(shí)候都更容易實(shí)現(xiàn)。宇宙物聯(lián)網(wǎng)通信器項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生，將物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)與衛(wèi)星通信相結(jié)合，創(chuàng)造了一種身臨其境的教育體驗(yàn)，模擬了從太空接收和傳輸數(shù)據(jù)。

本文檔全面介紹了宇宙物聯(lián)網(wǎng)通信器(Cosmic IoT communicator)的構(gòu)建、配置和部署。宇宙物聯(lián)網(wǎng)通信器是一個(gè)使用nRF9151 DK開(kāi)發(fā)套件接收來(lái)自國(guó)際空間站(ISS)等衛(wèi)星的慢掃描電視(SSTV)信號(hào)，解碼后上傳到云端，以便在移動(dòng)應(yīng)用或網(wǎng)站中可視化的系統(tǒng)。

此外，該文件概述了未來(lái)與Sateliot的集成，這將允許用戶從應(yīng)用程序發(fā)送模式或信息。當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過(guò)安裝物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的區(qū)域時(shí)，這些將被處理和重新傳輸，從而模擬雙向地外通信。

該項(xiàng)目不僅解決了硬件和軟件的技術(shù)問(wèn)題，而且還專注于模塊化，未來(lái)主義外殼的設(shè)計(jì)和制造，增強(qiáng)了功能和美學(xué)。使用SLA 3D打印和CNC加工，創(chuàng)建了一個(gè)視覺(jué)上吸引人的設(shè)備-一個(gè)在緊湊和堅(jiān)固的設(shè)計(jì)中加強(qiáng)空間主題的同時(shí)保護(hù)電子元件的設(shè)備。

在本文檔中，將詳細(xì)介紹復(fù)制和理解宇宙物聯(lián)網(wǎng)通信器操作的所有必要步驟-從組件選擇到最終測(cè)試，包括裝配過(guò)程，軟件配置和完整的系統(tǒng)驗(yàn)證。

問(wèn)題分析

近幾十年來(lái)，空間探索和衛(wèi)星通信取得了重大進(jìn)展，但公眾獲得這些技術(shù)的機(jī)會(huì)仍然有限。在對(duì)空間通信的廣泛興趣與與空間通信直接相互作用的能力之間存在著相當(dāng)大的差距。這種情況提出了若干具體挑戰(zhàn)：

首先，接收衛(wèi)星信號(hào)傳統(tǒng)上需要專門的設(shè)備和先進(jìn)的技術(shù)知識(shí)，這限制了愛(ài)好者和學(xué)生在這一領(lǐng)域的參與。例如，從國(guó)際空間站發(fā)射的SSTV信號(hào)包含迷人的圖像，由于現(xiàn)有的技術(shù)障礙，很少有人能夠接收和解碼。

其次，這些信號(hào)的可視化和共享通常是孤立完成的，沒(méi)有一個(gè)集成的平臺(tái)允許用戶存儲(chǔ)、上下文化和分發(fā)接收到的內(nèi)容。這阻礙了學(xué)習(xí)型社區(qū)的形成和對(duì)這些信號(hào)的教育使用。

此外，一般認(rèn)為空間通信對(duì)一般用戶來(lái)說(shuō)是單向的——人們可能接收到信號(hào)，但缺乏發(fā)送信息的便利手段，限制了這些技術(shù)的交互體驗(yàn)和教育潛力。

最后，現(xiàn)有的衛(wèi)星通信設(shè)備往往缺乏吸引人的和直觀的設(shè)計(jì)。它們被呈現(xiàn)為復(fù)雜的技術(shù)設(shè)備，這阻礙了非專業(yè)用戶的探索和學(xué)習(xí)。

宇宙物聯(lián)網(wǎng)通信器旨在通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)集成系統(tǒng)來(lái)解決這些問(wèn)題，該系統(tǒng)簡(jiǎn)化了衛(wèi)星信號(hào)接收，提供了一個(gè)可視化和共享的平臺(tái)，并最終實(shí)現(xiàn)了模擬雙向通信——所有這些都在一個(gè)設(shè)備內(nèi)，具有受空間技術(shù)啟發(fā)的吸引人的設(shè)計(jì)。

建議的解決方案

宇宙物聯(lián)網(wǎng)通信器通過(guò)結(jié)合專業(yè)硬件，先進(jìn)軟件和受空間技術(shù)啟發(fā)的美學(xué)設(shè)計(jì)，為確定的挑戰(zhàn)提供了全面的解決方案。提出的解決方案是圍繞幾個(gè)相互連接的組件構(gòu)建的，這些組件協(xié)調(diào)工作，提供完整的模擬衛(wèi)星通信體驗(yàn)。

該系統(tǒng)的核心是北歐半導(dǎo)體公司的nRF9151 DK開(kāi)發(fā)套件，這是一個(gè)多功能平臺(tái)，集成了蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信功能(LTE-M/NB-IoT)、用于定位的GNSS和對(duì)DECT NR+的支持。該組件充當(dāng)系統(tǒng)的大腦，管理通信和數(shù)據(jù)處理。

為了接收衛(wèi)星信號(hào)，該系統(tǒng)包括一個(gè)連接到合適天線的軟件定義無(wú)線電(SDR)接收器。這個(gè)裝置捕獲從國(guó)際空間站和其他衛(wèi)星在145.800兆赫頻率上傳輸?shù)腟STV信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)處理和解碼，使用專門的軟件將其轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)的圖像。

一旦解碼，圖像被傳輸?shù)絥RF9151 DK，后者將它們與接收時(shí)衛(wèi)星位置等上下文數(shù)據(jù)一起上傳到云平臺(tái)。這些信息被存儲(chǔ)和組織起來(lái)，以便以后通過(guò)移動(dòng)應(yīng)用程序或網(wǎng)站訪問(wèn)。

用戶界面，作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)，也可以選擇作為一個(gè)移動(dòng)應(yīng)用程序，允許用戶查看接收到的圖像，探索歷史數(shù)據(jù)，接收關(guān)于即將到來(lái)的衛(wèi)星通過(guò)的通知，并在未來(lái)的版本中，發(fā)送模式或消息，當(dāng)兼容的衛(wèi)星經(jīng)過(guò)系統(tǒng)位置時(shí)，這些模式或消息將被處理和重新傳輸。

所有這些技術(shù)都被安置在一個(gè)模塊化和未來(lái)主義的外殼中，使用半透明樹脂或ABS的SLA 3D打印制造，內(nèi)部支撐由鋁或丙烯酸通過(guò)CNC加工制成。設(shè)計(jì)包括模擬空間技術(shù)的RGB照明，創(chuàng)造了一種視覺(jué)上引人入勝的體驗(yàn)，強(qiáng)化了項(xiàng)目的主題。

建議的解決方案不僅解決了問(wèn)題的功能方面，而且還考慮了用戶體驗(yàn)、設(shè)備美觀性和未來(lái)的可伸縮性。其結(jié)果是一個(gè)完整的系統(tǒng)，使衛(wèi)星通信大眾化，為探索這一迷人的技術(shù)提供了一個(gè)教育和娛樂(lè)平臺(tái)。

概述

該系統(tǒng)旨在：

?使用外部SDR接收器接收來(lái)自諸如國(guó)際空間站等衛(wèi)星的真實(shí)SSTV信號(hào)。

?使用專門的軟件將信號(hào)解碼成圖像和聲音。

?通過(guò)nRF9151 DK將解碼后的數(shù)據(jù)上傳到云端，允許用戶從移動(dòng)應(yīng)用程序或網(wǎng)站實(shí)時(shí)訪問(wèn)。

?通過(guò)人工智能生成的模式模擬地外通信，用戶可以通過(guò)Sateliot網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給系統(tǒng)(從2026年開(kāi)始)。

使用nRF9151 DK

nRF9151 DK是該項(xiàng)目的核心，用于：

?物聯(lián)網(wǎng)連接：通過(guò)LTE-M/NB-IoT上傳解碼數(shù)據(jù)(圖像和聲音)到云端。

?全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)：將信號(hào)接收與衛(wèi)星(如國(guó)際空間站)的軌道通道同步。

?未來(lái)衛(wèi)星支持：從2026年開(kāi)始，當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過(guò)該地區(qū)時(shí)，它將允許接收用戶從移動(dòng)應(yīng)用程序發(fā)送的消息。

關(guān)鍵部件

?nRF9151 DK：管理物聯(lián)網(wǎng)連接和GNSS。

?SDR Receiver (RTL-SDR)：用于捕獲VHF/UHF頻段的SSTV信號(hào)。

?MMSSTV/QSSTV軟件：將SSTV信號(hào)解碼成圖像和聲音。

?移動(dòng)/Web應(yīng)用：顯示解碼數(shù)據(jù)并允許用戶發(fā)送自定義模式。

?未來(lái)主義外殼：使用CNC/3D打印制造，以保護(hù)組件并增強(qiáng)美觀性。

軟件和固件配置

1. nRF9151 DK的開(kāi)發(fā)環(huán)境

安裝nRF Connect SDK

nRF Connect SDK是北歐半導(dǎo)體設(shè)備的官方軟件開(kāi)發(fā)工具包，包括nRF9151 DK。它提供了開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序所需的所有工具、庫(kù)和示例。

安裝步驟

?安裝nRF連接桌面從nordicsemi.com

?運(yùn)行安裝程序并按照說(shuō)明操作

?打開(kāi)nRF連接桌面

?安裝工具鏈管理器應(yīng)用程序

在工具鏈管理器中，單擊最新版本的nRF Connect SDK的“安裝”

選擇并安裝：

?nRF Connect SDK

?nRF命令行工具

?耐火J-Link

?GNU Arm嵌入式工具鏈

此外,安裝:

?編程器(用于閃爍固件))

?串行終端(用于串行通信)

?功率分析器(可選)

安裝驗(yàn)證腳本(Linux/macOS)

開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)置

推薦：Visual Studio Code

?下載VS Code

安裝以下擴(kuò)展：

?nRF連接擴(kuò)展包

?C/ c++擴(kuò)展包

?Cortex-Debug

?CMake的工具

?打開(kāi)命令面板→“nRF連接：設(shè)置nRF連接SDK”

?選擇已安裝的SDK版本

命令行設(shè)置

添加到。bashrc或。zshrc：

2. nRF9151 DK固件

項(xiàng)目結(jié)構(gòu)

項(xiàng)目配置(Project .conf)

主要設(shè)置包括：

?日志記錄和斷言

?LTE、MQTT和AWS物聯(lián)網(wǎng)連接

?USB主機(jī)支持

?內(nèi)存和安全選項(xiàng)(mbedTLS)

?JSON、日期時(shí)間和GPIO處理

主要固件模塊

1. 主模塊(Main .c)

初始化:

?發(fā)光二極管

?USB(用于SDR)

?LTE調(diào)制解調(diào)器

?SSTV處理程序

?云連接

處理狀態(tài):

?STATE_INIT

?STATE_CONNECTING_LTE

?STATE_RECEIVING_SSTV

?STATE_PROCESSING_IMAGE

?STATE_UPLOADING_IMAGE

?STATE_ERROR

它等待SSTV信號(hào)，處理并上傳圖像，然后返回空閑狀態(tài)。

3. 云連接模塊(cloud_connection.c)

初始化和管理與AWS IoT的MQTT通信。(在原始文檔中截?cái)啵╟loud_connection_init， cloud_connection_connect， cloud_connection_upload_image等)

硬件配置

1. nRF9151 DK配置

1.1. 最初的準(zhǔn)備

所需材料:

?nRF9151開(kāi)發(fā)套件

?高品質(zhì)USB-C線纜

?安裝了nRF Connect SDK的計(jì)算機(jī)

?Nano-SIM卡(可選用于蜂窩連接)

?外接LTE/NB-IoT天線(可選，接收效果更好)

所需工具:

?小一字螺絲刀

?精密鑷子

?數(shù)字萬(wàn)用表(可選驗(yàn)證)

初步的步驟:

?小心地打開(kāi)nRF9151 DK的盒子

?目視檢查是否有損壞

?識(shí)別所有連接器和跳線

?準(zhǔn)備干凈、光線充足、防靜電的工作臺(tái)面

?把參考文件放在附近

1.2. 跳線和連接器配置

電源:

?將跳線P24設(shè)置為“VEXT”，用于外部電源

?設(shè)置跳線P24為USB供電(默認(rèn))

目前測(cè)量:

?拆除跳線P20以啟用電流測(cè)量(可選)

?讓跳線P20正常工作

天線設(shè)置:

?LTE/NB-IoT天線：取下P27，連接外接天線至SMA J1

?GNSS天線：取下P28連接到SMA J13

SIM設(shè)置:

?外接nano-SIM卡：插入插座J14

?對(duì)于內(nèi)部eSIM：不需要設(shè)置

1.3. SIM卡安裝

?在電路板底部找到插座J14

?將蓋子滑至“打開(kāi)”位置，小心抬起

?放置納米sim卡(金觸點(diǎn)向下，缺口對(duì)齊)

?關(guān)上并鎖上蓋子

確保SIM卡安裝牢固

1.4. 天線連接

LTE / NB-IoT:

?拆下P27跳線

?將兼容的外部天線連接到SMA J12

GNSS:

?拆下P28跳線

?將有源GNSS天線連接到SMA J13

?放置天線與清晰的天空視野，以獲得最佳信號(hào)

定位指出:

?將天線分開(kāi)以減少干擾

?避免金屬障礙物

?在室內(nèi)使用時(shí)，請(qǐng)將天線放置在靠近窗戶的地方

1.5. 首次連接與驗(yàn)證

?將USB-C連接到單板和計(jì)算機(jī)的J2上

?電源LED (LED1)應(yīng)該亮起

設(shè)備識(shí)別:

?Windows：檢查以下設(shè)備管理器：

?COM Ports下的“JLink CDC UART Port”，USB Devices下的“JLink driver”

?Linux：運(yùn)行l(wèi)susb，檢查SEGGER J-Link

?macOS：運(yùn)行system_profiler SPUSBDataType并查找J-Link

通信測(cè)試:

?打開(kāi)nRF連接桌面

?啟動(dòng)“串行終端”

?請(qǐng)選擇正確的COM端口

?設(shè)置為115200波特，8位數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校驗(yàn)，1位停止位

?確認(rèn)溝通

1.6. RGB led的GPIO引腳設(shè)置

WS2812B帶(1個(gè)數(shù)據(jù)引腳)：

?數(shù)據(jù)→P6.11 (GPIO)

?GND→任意GND

?VDD→5V或3.3V(根據(jù)需要)

單個(gè)RGB led(3引腳)：

?R→p6.12

?G→p6.13

?B→p6.14

?Common→GND(共陽(yáng)極)或VDD(共陰極)

1.7. 全面運(yùn)行檢查

細(xì)胞連接:

?刷新lte_ble_gateway示例

?打開(kāi)串口終端，檢查連接信息

?串口終端和檢查連接消息

?LED2應(yīng)閃爍以指示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)

GNSS測(cè)試:

?Flash gnss_sample示例

?將GNSS天線放置在室外

?驗(yàn)證終端中的有效坐標(biāo)

GPIO / LED測(cè)試:

?Flash修改gpio_toggle示例

?確認(rèn)RGB led響應(yīng)正常

2. SDR接收機(jī)配置

2.1. 硬件安裝

材料:

?RTL-SDR V3接收機(jī)(或同等設(shè)備)

?優(yōu)質(zhì)USB電纜鐵氧體芯

?天線適配器(SMA、BNC等)

?甚高頻天線(145.800 MHz)

步驟:

?打開(kāi)箱子，檢查收聽(tīng)筒

?安裝散熱器(如果包括在內(nèi))

?連接甚高頻天線

?垂直放置天線，最理想的是放置在室外或窗邊

?不將SDR連接到PC -先安裝驅(qū)動(dòng)程序

2.2. 驅(qū)動(dòng)程序和SDR軟件安裝

窗口:

?安裝Zadig

?以admin身份運(yùn)行→列出所有設(shè)備選擇RTL2838UHIDIR或同等設(shè)備選擇“WinUSB”→安裝/替換驅(qū)動(dòng)程序

?以admin身份安裝ZadigRun→列出所有設(shè)備選擇RTL2838UHIDIR或同等設(shè)備選擇“WinUSB”→安裝/替換驅(qū)動(dòng)程序

?安裝特別提款權(quán)#

?解壓ZIP→運(yùn)行install-rtlsdr.bat

?打開(kāi)SDRSharp.exe

?選擇“RTL-SDR (USB)”作為源

設(shè)置:

?射頻增益：自動(dòng)

?采樣率：2.4 MSPS

?RTL AGC和調(diào)諧器AGC：?jiǎn)⒂?

?偏移調(diào)整：禁用

Linux:

添加udev規(guī)則：

?測(cè)試使用：rtl_test -t

?啟動(dòng)GQRX，選擇“RTL-SDR”

?輸入速率：2.4 MSPS

?增益：20-40 dB根據(jù)需要

macOS:

2.3. SSTV接收設(shè)置

?頻率：145.800 MHz

?模式:窄帶調(diào)頻

?帶寬：3-5 kHz

?增益：從auto開(kāi)始;手動(dòng)調(diào)整到20-40分貝

?啟用噪聲過(guò)濾器，并設(shè)置噪聲高于噪聲底

2.4. 虛擬音頻配置

?Windows：使用VB-Cable

?SDR# output→“CABLE Input”

?MMSSTV輸入→“CABLE輸出”

?Linux：使用PulseAudio

?GQRX→輸出到“Monitor of Virtual_Cable”

?macOS：使用Soundflower或BlackHole

2.5. SSTV軟件安裝

?Windows: MMSSTV

?設(shè)置RX模式為“PD120”輸入設(shè)備：“CABLE Output”

Linux:

?輸入：Virtual_Cable的監(jiān)視器

?模式:PD120

3. 天線配置

3.1. SSTV用甚高頻天線

選項(xiàng)1:DIY偶極天線

?145.800 MHz→長(zhǎng)度= 0.977 m總計(jì)→每臂48.85 cm

?使用銅線，同軸電纜和可選的PVC管構(gòu)建

?另一端使用BNC/SMA連接器

選項(xiàng)2：商用天線

?VHF 145-146 MHz范圍

?至少3dbi增益

?遵循制造商說(shuō)明

3.2. 天線定位技巧

?更高=更好

?ISS的垂直方向

?使用全向天線，除非有軟件跟蹤

?避免附近的電子產(chǎn)品

?使用短的、屏蔽的同軸電纜

?可選使用甚高頻帶通濾波器

3.3. 天線性能驗(yàn)證

?FM電臺(tái)測(cè)試

?然后調(diào)到145.800兆赫

?等待ISS通過(guò)以驗(yàn)證實(shí)際的SSTV接收

?調(diào)整高度和方向，以獲得最佳效果

結(jié)論

由于一些關(guān)鍵硬件組件的延遲到來(lái)，宇宙物聯(lián)網(wǎng)通信項(xiàng)目仍在積極開(kāi)發(fā)中。盡管如此，基本的基礎(chǔ)設(shè)施(硬件配置和軟件開(kāi)發(fā))幾乎已經(jīng)完成。我們正準(zhǔn)備與Sateliot合作啟動(dòng)第一個(gè)試驗(yàn)階段，這將通過(guò)低地球軌道(LEO)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)模擬雙向通信，標(biāo)志著一個(gè)重要的里程碑。該試驗(yàn)將使我們能夠驗(yàn)證實(shí)際性能，并在全面部署之前進(jìn)一步完善系統(tǒng)。

本文編譯自hackster.io