自古以來，外空就吸引著人類，在當今數(shù)字時代，與空間技術互動的可能性比以往任何時候都更容易實現(xiàn)。宇宙物聯(lián)網(wǎng)通信器項目應運而生，將物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術與衛(wèi)星通信相結合，創(chuàng)造了一種身臨其境的教育體驗，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)的構建、配置和部署。宇宙物聯(lián)網(wǎng)通信器是一個使用nRF9151 DK開發(fā)套件接收來自國際空間站(ISS)等衛(wèi)星的慢掃描電視(SSTV)信號，解碼后上傳到云端，以便在移動應用或網(wǎng)站中可視化的系統(tǒng)。

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

該項目不僅解決了硬件和軟件的技術問題，而且還專注于模塊化，未來主義外殼的設計和制造，增強了功能和美學。使用SLA 3D打印和CNC加工，創(chuàng)建了一個視覺上吸引人的設備-一個在緊湊和堅固的設計中加強空間主題的同時保護電子元件的設備。

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

問題分析

近幾十年來，空間探索和衛(wèi)星通信取得了重大進展，但公眾獲得這些技術的機會仍然有限。在對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)星信號傳統(tǒng)上需要專門的設備和先進的技術知識，這限制了愛好者和學生在這一領域的參與。例如，從國際空間站發(fā)射的SSTV信號包含迷人的圖像，由于現(xiàn)有的技術障礙，很少有人能夠接收和解碼。

其次，這些信號的可視化和共享通常是孤立完成的，沒有一個集成的平臺允許用戶存儲、上下文化和分發(fā)接收到的內(nèi)容。這阻礙了學習型社區(qū)的形成和對這些信號的教育使用。

此外，一般認為空間通信對一般用戶來說是單向的——人們可能接收到信號，但缺乏發(fā)送信息的便利手段，限制了這些技術的交互體驗和教育潛力。

最后，現(xiàn)有的衛(wèi)星通信設備往往缺乏吸引人的和直觀的設計。它們被呈現(xiàn)為復雜的技術設備，這阻礙了非專業(yè)用戶的探索和學習。

宇宙物聯(lián)網(wǎng)通信器旨在通過創(chuàng)建一個集成系統(tǒng)來解決這些問題，該系統(tǒng)簡化了衛(wèi)星信號接收，提供了一個可視化和共享的平臺，并最終實現(xiàn)了模擬雙向通信——所有這些都在一個設備內(nèi)，具有受空間技術啟發(fā)的吸引人的設計。

建議的解決方案

宇宙物聯(lián)網(wǎng)通信器通過結合專業(yè)硬件，先進軟件和受空間技術啟發(fā)的美學設計，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相互連接的組件構建的，這些組件協(xié)調(diào)工作，提供完整的模擬衛(wèi)星通信體驗。

該系統(tǒng)的核心是北歐半導體公司的nRF9151 DK開發(fā)套件，這是一個多功能平臺，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DECT NR+的支持。該組件充當系統(tǒng)的大腦，管理通信和數(shù)據(jù)處理。

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

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

用戶界面，作為一個網(wǎng)絡應用程序實現(xiàn)，也可以選擇作為一個移動應用程序，允許用戶查看接收到的圖像，探索歷史數(shù)據(jù)，接收關于即將到來的衛(wèi)星通過的通知，并在未來的版本中，發(fā)送模式或消息，當兼容的衛(wèi)星經(jīng)過系統(tǒng)位置時，這些模式或消息將被處理和重新傳輸。

所有這些技術都被安置在一個模塊化和未來主義的外殼中，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CNC加工制成。設計包括模擬空間技術的RGB照明，創(chuàng)造了一種視覺上引人入勝的體驗，強化了項目的主題。

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

概述

該系統(tǒng)旨在：

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

?使用專門的軟件將信號解碼成圖像和聲音。

?通過nRF9151 DK將解碼后的數(shù)據(jù)上傳到云端，允許用戶從移動應用程序或網(wǎng)站實時訪問。

?通過人工智能生成的模式模擬地外通信，用戶可以通過Sateliot網(wǎng)絡發(fā)送給系統(tǒng)(從2026年開始)。

使用nRF9151 DK

nRF9151 DK是該項目的核心，用于：

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

?全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)：將信號接收與衛(wèi)星(如國際空間站)的軌道通道同步。

?未來衛(wèi)星支持：從2026年開始，當衛(wèi)星經(jīng)過該地區(qū)時，它將允許接收用戶從移動應用程序發(fā)送的消息。

關鍵部件

?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。

?MMSSTV/QSSTV軟件：將SSTV信號解碼成圖像和聲音。

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

?未來主義外殼：使用CNC/3D打印制造，以保護組件并增強美觀性。

軟件和固件配置

1. nRF9151 DK的開發(fā)環(huán)境

安裝nRF Connect SDK

nRF Connect SDK是北歐半導體設備的官方軟件開發(fā)工具包，包括nRF9151 DK。它提供了開發(fā)應用程序所需的所有工具、庫和示例。

安裝步驟

?安裝nRF連接桌面從nordicsemi.com

?運行安裝程序并按照說明操作

?打開nRF連接桌面

?安裝工具鏈管理器應用程序

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)

安裝驗證腳本(Linux/macOS)

開發(fā)環(huán)境設置

推薦：Visual Studio Code

?下載VS Code

安裝以下擴展：

?nRF連接擴展包

?C/ c++擴展包

?Cortex-Debug

?CMake的工具

?打開命令面板→“nRF連接：設置nRF連接SDK”

?選擇已安裝的SDK版本

命令行設置

添加到。bashrc或。zshrc：

2. nRF9151 DK固件

項目結構

項目配置(Project .conf)

主要設置包括：

?日志記錄和斷言

?LTE、MQTT和AWS物聯(lián)網(wǎng)連接

?USB主機支持

?內(nèi)存和安全選項(mbedTLS)

?JSON、日期時間和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，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。(在原始文檔中截斷，但包括cloud_connection_init， cloud_connection_connect， cloud_connection_upload_image等)

硬件配置

1. nRF9151 DK配置

1.1. 最初的準備

所需材料:

?nRF9151開發(fā)套件

?高品質USB-C線纜

?安裝了nRF Connect SDK的計算機

?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)字萬用表(可選驗證)

初步的步驟:

?小心地打開nRF9151 DK的盒子

?目視檢查是否有損壞

?識別所有連接器和跳線

?準備干凈、光線充足、防靜電的工作臺面

?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設置為“VEXT”，用于外部電源

?設置跳線P24為USB供電(默認)

目前測量:

?拆除跳線P20以啟用電流測量(可選)

?讓跳線P20正常工作

天線設置:

?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設置:

?外接nano-SIM卡：插入插座J14

?對于內(nèi)部eSIM：不需要設置

1.3. SIM卡安裝

?在電路板底部找到插座J14

?將蓋子滑至“打開”位置，小心抬起

?放置納米sim卡(金觸點向下，缺口對齊)

?關上并鎖上蓋子

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

定位指出:

?將天線分開以減少干擾

?避免金屬障礙物

?在室內(nèi)使用時，請將天線放置在靠近窗戶的地方

1.5. 首次連接與驗證

?將USB-C連接到單板和計算機的J2上

?電源LED (LED1)應該亮起

設備識別:

?Windows：檢查以下設備管理器：

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

?Linux：運行l(wèi)susb，檢查SEGGER J-Link

?macOS：運行system_profiler SPUSBDataType并查找J-Link

通信測試:

?打開nRF連接桌面

?啟動“串行終端”

?請選擇正確的COM端口

?設置為115200波特，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗，1位停止位

?確認溝通

1.6. RGB led的GPIO引腳設置

WS2812B帶(1個數(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RGB led(3引腳)：

?R→p6.12

?G→p6.13

?B→p6.14

?Common→GND(共陽極)或VDD(共陰極)

1.7. 全面運行檢查

細胞連接:

?刷新lte_ble_gateway示例

?打開串口終端，檢查連接信息

?串口終端和檢查連接消息

?LED2應閃爍以指示網(wǎng)絡狀態(tài)

GNSS測試:

?Flash gnss_sample示例

?將GNSS天線放置在室外

?驗證終端中的有效坐標

GPIO / LED測試:

?Flash修改gpio_toggle示例

?確認RGB led響應正常

2. SDR接收機配置

2.1. 硬件安裝

材料:

?RTL-SDR V3接收機(或同等設備)

?優(yōu)質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:

?打開箱子，檢查收聽筒

?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 -先安裝驅動程序

2.2. 驅動程序和SDR軟件安裝

窗口:

?安裝Zadig

?以admin身份運行→列出所有設備選擇RTL2838UHIDIR或同等設備選擇“WinUSB”→安裝/替換驅動程序

?以admin身份安裝ZadigRun→列出所有設備選擇RTL2838UHIDIR或同等設備選擇“WinUSB”→安裝/替換驅動程序

?安裝特別提款權#

?解壓ZIP→運行install-rtlsdr.bat

?打開SDRSharp.exe

?選擇“RTL-SDR (USB)”作為源

設置:

?射頻增益：自動

?采樣率：2.4 MSPS

?RTL AGC和調(diào)諧器AGC：啟用

?偏移調(diào)整：禁用

Linux:

添加udev規(guī)則：

?測試使用：rtl_test -t

?啟動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接收設置

?頻率：145.800 MHz

?模式:窄帶調(diào)頻

?帶寬：3-5 kHz

?增益：從auto開始;手動調(diào)整到20-40分貝

?啟用噪聲過濾器，并設置噪聲高于噪聲底

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

?設置RX模式為“PD120”輸入設備：“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1:DIY偶極天線

?145.800 MHz→長度= 0.977 m總計→每臂48.85 cm

?使用銅線，同軸電纜和可選的PVC管構建

?另一端使用BNC/SMA連接器

選項2：商用天線

?VHF 145-146 MHz范圍

?至少3dbi增益

?遵循制造商說明

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. 天線性能驗證

?FM電臺測試

?然后調(diào)到145.800兆赫

?等待ISS通過以驗證實際的SSTV接收

?調(diào)整高度和方向，以獲得最佳效果

結論

由于一些關鍵硬件組件的延遲到來，宇宙物聯(lián)網(wǎng)通信項目仍在積極開發(fā)中。盡管如此，基本的基礎設施(硬件配置和軟件開發(fā))幾乎已經(jīng)完成。我們正準備與Sateliot合作啟動第一個試驗階段，這將通過低地球軌道(LEO)衛(wèi)星網(wǎng)絡實現(xiàn)模擬雙向通信，標志著一個重要的里程碑。該試驗將使我們能夠驗證實際性能，并在全面部署之前進一步完善系統(tǒng)。

本文編譯自hackster.io