Die Bodenstation
Kenwood TS-2000
Der Kenwood TS-2000 Transceiver ist ein Multiband Receiver im KW/50/144/430 MHz Band, der den gleichzeitigen Empfang von zwei Bändern ermöglicht, das Sub-Band ist jedoch auf 144/433 MHz AM/FM limitiert. Für den Empfang des NTX2 Sendemoduls wird das Main-Band verwendet, da nur hierüber der Empfang im Upper Side Band möglich ist. (Frequenz: 434,650 MHz USB).
Das Sub-Band des Transceivers wird für den Empfang des Baofeng UV5-R eingesetzt. Für die Demodulation der Daten wird ein externer Terminal Node Controller (TNC) eingesetzt. Der Anschluss eines TNCs an das Sub-Band ist nicht mittels des mitgelieferten ACC Kabels möglich, da die benötigten Pole nicht verbunden sind, daher wurde eine entsprechendes Kabel mit Verdrahtung für das Sub-Band gefertigt.
SCS PTC-IIex
Das PTC-IIex Modem wird als externes TNC verwendet und dient zur Übertragung der empfangenen Daten des Baofeng UV-5R an einen Rechner. Hierfür werden die nach Demodulation erzeugten, Audiosignale des Transceivers in TTL-Pegel umgewandelt und anschließend über eine RS232-Schnittstelle bereitgestellt.
Die so übertragenen Daten gelangen über eine USB-RS232 Schnittstelle an einen Rechner. Für die Übertragung der Daten an einen Rechner wird das SCS PTC-IIex als KISS Modem verwendet. Dies ermöglicht eine einfache Kommunikation von Rechner zu Modem, erfordert aber im Gegenzug eine eigene Aufschlüsselung der empfangenen Daten, in diesem Fall die Interpretation des AX25 Protokolls.
Aufbau des Übertragungsprotokolls
Das Übertragungsprotokoll zwischen Rechner und der Basisstation setzt sich aus KISS, AX25 und eigenem Header zusammen.
Das KISS Protokoll besteht aus den vier Steuerzeichen
- FEND (0xC0) – Frame End
- FESC (0xDB) – Frame Escape
- TFEND (0xDC) – Transposed Frame End
- TFESC (0xDD) – Transposed Frame Escape
Das Frame End Zeichen symbolisiert den Start einer Nachricht gefolgt von der Portnummer im Hex-Format, anschließend folgen n-Zeichen mit der zu übertragenden Information, welche durch ein weiteres Frame End abgeschlossen wird.
Zu beachten gilt, dass das Frame End Zeichen auch Bestandteil der zu übermittelnden Nachricht sein kann. In diesem Fall ersetzt das KISS Protokoll dieses durch die Kombination aus FESC und TFEND, ebenso wir ein Frame Escape durch die Kombination aus FESC TFESC ersetzt. Die Erkennung und Rücktransformation dieser muss durch entsprechenden Code innerhalb der Basisstation abgefangen werden.
Innerhalb des KISS Protokolls finden wir die AX25 Pakete, die mittels des Raspberry Pi versendet wurden. Das AX25 Protokoll beginnt mit einem acht Bit breitem Bitmuster (Flag), gefolgt von einer 112 Bit breiten Adresse (bestehend aus 7 Byte Ziel und Startadresse), sowie einer Kontrollinfo von acht Bit Breite. Die zu übertragende Nachricht beträgt n*8 bit und endet mit einem 16bit Prüfsummencode sowie dem acht Bit Breitem Bitmuster.
Für die Unterscheidung von Nachrichten der Sonde und Fremdnachrichten auf gleicher Frequenz wird innerhalb der Bodenstation der AX25 Header, bestehend aus Flag, Adresse und Kontrollinfo, aller eingehenden Nachrichten überprüft.
Die aus dem AX25 Protokoll gewonnenen Daten besitzen zur Unterscheidung von Mess- und Bilddaten noch den vom Raspberry Pi erzeugten Header. Die daraus gewonnenen Daten werden innerhalb der Basisstation in einer SQL Datenbank gesichert und durch die Grafikklasse Drawinci visualisiert.
Software Bodenstation
Die Software der Bodenstation ist mit Qt5 programmiert. Auf Grundlage der Programmiersprache C++ steht für die Gestaltung einer grafischen Benutzeroberfläche oder einer grafischen Ausgabe eine Reihe von Bibliotheken zur Verfügung. Qt5 wurde durch das Unternehmen Trolltech geschaffen und 2008 von Nokia aufgekauft. 2011 wurde das Projekt als Qt-Projekt zu open source Software erklärt und frei verfügbar gemacht. Die Qt-Bibliothek wird für Windows, Linux und Mac Systeme angeboten und unter drei Lizenzmodellen vertrieben. Eine kommerzielle Nutzung ist ebenfalls ohne Lizenzkosten möglich, sofern man die Rahmenbedingungen der gewählten Lizenz berücksichtigt. Die drei Lizenzmodelle sind das GPL, LGPL sowie eine reine kommerzielle Lizenz.
Das folgende Blockdiagramm beschreibt den Aufbau der Software:
DIe Software kommuniziert über eine serielle Schnittstelle (USB/RS232) mit dem PTC-IIex Modem (TNC). Das Übertragungsprotokoll wird in verschiedenen Instanzen dekodiert, um aus dem KISS-Protokoll die emfangenen AX25-Pakete zu dekodieren. In der Payload der AX25-Pakete wird der Header des Bild und Messdatenprotokolls (BMP) zur Unterscheidung der übermittelten Daten verwendet. Die SSDV-Bilddaten werden über die SSDV Software von Phillip Heron dekodiert. Sensordaten werden ebenfalls dekodiert und in der SQLite-Datenbank Drawinci-konform abgelegt. Die Benutzeroberfläche bereitet die Messdaten grafisch anspruchsvoll auf. Die Bilder werden paketweise grafisch aufgebaut und aktuallisiert. Eine Konsolenansicht gibt detaillierte Informationen zu Übertragungsstati von Sensor und Bilddaten.
Drawinci Graphic API
Für die Visualisierung der Daten wurde mit Hilfe des Qt-Frameworks eine Grafikklasse realisiert. Die Grafikklasse ist als plattformunabhängiges, skalierbares, objektorientiertes Programm konzipiert und ermöglicht es beliebig viele Graphen in beliebig vielen Fenstern darzustellen. Als Darstellungsart kommen neben Balken-, Säulen-, XY-, Flächen-, Linien- oder Kreisdiagrammen noch eine Vielzahl weitere Darstellungsformen in Betracht. Die einzelnen Darstellungsarten lassen sich beliebig kombinieren und auf unterschiedlichen Achsen skaliert abbilden. Neben der Darstellung über einen PC ist auch die Verwendung als Smartphonelösung oder über den Raspberry Pi möglich.
Durch die breitgefächerten Konfigurationsmöglichkeiten ergibt sich eine flexible Grafiklösung, die auch außerhalb des Stratosphärenballons Verwendung findet.
