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Ein spannendes Interview von eevblog Macher Dave Jones über das Deep Space Network der NASA.
Ebenfalls lesenswert sie die technischen Details über die Kommunikation mit Voyager.

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Teil 1
Teil 2
Teil 3

Es ist November 2007. Die Winterzeit hat Einzug gehalten, es ist bereits Nacht wenn man nach der Arbeit nach Hause kommt. Was also liegt näher, als in den Keller hinabzusteigen und ein neues Bauprojekt in Angriff zu nehmen.

Das Projekt in diesem Winter heisst PC-6. Zuerst als kleine Variante mit 1200 mm Spannweite. Ein Bausatz der Firma E*STAR MODELS bringt mich nach Jahren der Abstinenz wieder zurück zu Balsastaub und Leimgeruch. Gerade richtig, um mich mit den Eigenheiten eines vom Laser geschnittenen Baukasten vertraut zu machen. Auf RC-Groups gibt es ein Review davon.

Das eigentliche Objekt ist eine PC6 mit doppelter Spannweite, gelasert von Martin Rousseau aus Kanada. Unter dem Label MR-Aerodesign vertreibt er verschiedene Modelle in diversen Grössen. Er hat mir extra einen Baukasten für 2m Spannweite gefertigt. Der Kasten sieht super aus, hat sehr viel Holz und eine tolle Dokumentation auf CD mit vielen Detailaufnahmen von Originalen dieses Flugzeugtyps.

Das Modell ist ein reinrassiger Holzbausatz der lasergeschnittene Bauteile und diverse Platten und Leisten enthält. Die Laserbearbeitung ist gut bis sehr gut und die Teile lassen sich meist sehr leicht aus dem Holz lösen. Ein Papprohr mit dazu passendem 16mm Alurohr als Tragflächenverbinder runden den Inhalt ab. Kleinteile, eine Motorhaube oder das Fahrwerk sind bei dieser Baukastenversion nicht vorhanden. Diese Modellgrösse ist eine Sonderedition und wird wohl nur in unbedeutenden Stückzahlen gefertigt.

Der Baukasten

Im Baukasten enthalten sind mehrere excellente Baupläne. Mit dabei ist ein Teileplan auf dem jedes Teil abgedruckt ist. Damit lassen sich im Reparaturfall leicht die benötigten Ersatzteile herstellen. Eine Mappe mit CAD Baustufenbildern und eine CD mit vielen Bildern einer PC-6 und weiteren Informationen zum Modell runden den Baukasten ab.

Der Bausatz setzt Kenntnisse im Bau und Auslegung von Modellen dieser Grössenklasse voraus. Es sind keine Angaben über die zu verwendenden Klebstoffe oder zum Einbau der Anlenkungen und Elektronik vorhanden. Wenn man einmal mit dem Bauen begonnen hat, kann man fast nicht mehr aufhören. Das gilt besonders für die Bausätze, bei denen man sichtlich weiterkommt und nicht dauernd über ungeklärte Details stolpert. Nun gut, dieser Bausatz ist nicht perfekt. An einigen Stellen passen die Schlitze nicht, und für das Rumpfgerüst wurde auschliesslich Pappelsperrholz verwendet. Trotzdem passt fast alles erstaunlich gut zusammen.

Der Rumpf wirkt bei bei diesem Bausatz extrem massiv und dadurch unnötig schwer. Nach Rückfrage bei MR hat auch er ein zu hohes Gewicht für diesen ersten Bausatz bestätigt. Meine Modifikationen betreffen daher hauptsächlich das Gewicht. Ich habe alle möglichen Sperrholzstücke zusätzlich gelocht und einige Spanten schmaler gesägt. Die Gewichtseinsparung beträgt rund 25%. Für einen bequemen Transport im Kombi wird der Rumpf teilbar ausgeführt. Darum kommt ein zusätzlicher Spanten dazu.

Der Bau des PC-6 ist zügig vorangeschritten. Gerade noch an den Hauptarbeiten am Rumpf, sind jetzt Seiten- und Höhenruder fertiggestellt. Die Flügel sind fast fertig und warten auf die Beplankung. Die Landeklappen und Querruder sind in der Endphase.

Stromversorgung

Zur Stromversorgung kommt ein DPSI-BIC zum Einsatz. Daran angeschlossen werden zwei Eneloop 5-Zellen Akkus. Erste Tests ergaben eine nutzbare Kapazität von rund 3500 mAh. Die PC-6 bekommt eine Beleuchtung. Zwei Positionslichter (rot/grün) an den Flügelenden, zwei Landescheinwerfer, ein ACL und ein Blinklicht auf dem Seitenruder erlauben sicher noch Flüge in der Abenddämmerung.

Im Dauerbetrieb müssen die Luxeon LEDs gekühlt werden. Ich habe sie auf rund 17mm lange Aluröhrchen mit 7mm Durchmesser geklebt. Zwei kleine Platinenstreifen führen die Anschlüsse nach hinten. Ein Stück Schrumpfschlauch isoliert gegen Kurzschlüsse.

Die Steuerelektronik von flugmodellbau.de habe ich speziell angepasst. Die Idee dabei ist, dass bereits beim Einstecken der Antriebsakkus die Positionlichter in den Flügeln leuchten. Das ist eine perfekte Kontrolle ob der Antrieb eingeschalten ist. Das Blinklicht auf dem Seitenruder wird zusammen mit der Empfängerversorgung aktiviert. Sobald am Sender der Motor per Schaltfunktion scharf gestellt wird, beginnt das ACL zu blitzen. Die Landescheinwerfer werden über eine Flugphase aktiviert.

Die Landeklappen der PC-6

Im Plan von MR-Aerodesign sind die Landeklappen mit Vorflügel gezeichnet. Dass es diese wirklich gibt, ist in der Scale-Dokumentation auf der mitgelieferten CD ersichtlich. Doch lohnt sich der Aufwand wirklich? Da ich nicht Scale baue, wohl eher nicht. Jetzt füllt ein Balsablock den ‘nicht benötigten’ Zwischenraum.

Zur Kontrolle ob das Profil stimmt, habe ich mir aus Resten einer Acrylglasplatte eine Schablone gefertigt, die den Profilverlauf vom Plans kopiert. Die untere ‘Gabel’ bestimmt die Position der Drehachse der Landeklappen.

Steckverbindung Flügel - Rumpf

Die elektrische Verbindung vom Flügel zum Rumpf ist bei jedem Modell eine Herausforderung. Die Vielzahl der im Handel erhältlichen Steckersysteme und die verschiedenen Anforderungen bezogen auf das betreffende Modell erschweren die Entscheidung für ein bestimmtes System manchmal. Ich habe für mich drei Systeme gefunden, die alle Bereiche abdecken können. Da wäre zum einen der klassische Servostecker. Gut für Ströme bis 2A Dauer erledigt dieses System die Versorgung von Slowflyern und kleineren Modellen mit 1-2 Servos pro Stecker. In der nächst höheren Kategorie verwende ich die bekannten grünen Multiplex Stecker / Buchsen. Damit lassen sich ohne Probleme 4 Servos pro Flügel inkl. Versorgung verbinden. Wenn es mehr Verbinungen braucht, verwende ich das System von XYZ.Natürlich sind diese Stecker und Buchsen nicht für den Modellflug konzipiert worden, lassen sich aber flexibel anpassen und bestücken. Das System besteht im wesentlichen aus Stecker und Buchsenkontakten mit den dazugehörigen verschiedenen mehrpoligen Gehäusen. Die Kontake gibt es passend für diverse Kabelquerschnitte. Gemäss Hersteller werden die Kontakte gecrimpt, für uns Modellbauer reicht auch löten, was mit den Kontakten wirklich sehr gut gelingt. Das System trägt die Bezeichnung Qikmate und stammt vom Hersteller Souriau. Die Gehäuse müssen für den Einbau in einen einfachen rechteckigen Ausschnitt etwas modifiziert werden.

Wer das Modell in der ursprünglichen Grösse vom 3.2m bestellt, bekommt eine passende GFK-Haube mitgeliefert. Bei meiner Grösse ist das leider wegen der Sonderanfertigung noch nicht der Fall. Die urprüngliche Idee, mit dem Bau einer Form für die GFK-Haube den Einstieg in die Laminier- und Harztechnik einzusteigen, habe ich nach dem Studium der Orininalfotos auf der CD verworfen. Die Haube hat eigentlich keine geschwungenen Fläche, alles lässt sich mit einfachen Kegeln und Flächen bequem in Holz nachbauen. Ein sehr nützliche Hilfe sind die im Plan enthaltenen Spanten für die Nase. Übertragen auf Papier, bekommt man schnell eine Vorstellung wie sowas in Holz aussehen wird. Die Spanten habe ich mit Ausschnitten versehen und mit Kiefernleisten verbunden, sowie zusätzlich diagonal mit Kohlestäben abgestützt. Das Ganze wurde anschliessend mit 2mm Balsa verkleidet.

Anfangs 2010 hat Futaba ein neues Bussystem für den Anschluss von Servos an den Empfänger vorgestellt. Über einen einzigen Empfängerausgang werden alle daran angeschlossenen S-Bus fähigen Servos mit Daten gesteuert. Welches Servo zu welchem Kanal gehört wird am Servo über den Programmer SBC-1 oder CIU-2 eingestellt.
Protokollstruktur

Das Protokoll ist 25 Byte lang und wird alle 14ms (analog) oder 7ms (highspeed) gesendet.

Ein Byte = 1 Startbit + 8 Databit + 1 Paritybit + 2 Stopbit (8E2), Baudrate = 100’000 bit/s

Es wird zuerst das höchste Bit gesendet. Die Logik ist intertiert (Pegel High = 1)

Nachtrag – 20.03.2012: Die Datenrate kann auch 9600 bit/s betragen. Dazu sind andere Timings anzupassen. Begründung: das USB-Interface CIU-2 arbeitet mit 9600 bits/s. Damit sind einfachere Controller auch in der Lage S-Bus Daten zu senden, wenn auch einiges gemächlicher.

[Startbyte] [Data1] [Data2] …. [Data22][Flags][Endbyte] 

Startbyte    = 11110000b (0xF0) 

Data 1-22    = [ch1, 11bit][ch2, 11bit] …. [ch16, 11bit] (ch# = 0 bis 2047) 

               Kanal 1 benutzt 8 Bits von Data1 und 3 Bits von Data2 
               Kanal 2 benutzt restliche 5 Bits von Data2 und 6 Bits von Data3 usw.

Flags        = Bit7 = ch17 = Schaltkanal (0×80) 

               Bit6 = ch18 = Schaltkanal (0×40) 
               Bit5 = Frame lost, entspricht roter LED am Empfänger (0×20) 
               Bit4 = Failsafe aktiviert (0×10) 
               Bit3 = unbekannt 
               Bit2 = unbekannt 
               Bit1 = unbekannt 
               Bit0 = unbekannt 

Endbyte      = 00000000b

Vorgeschichte

Beim Stöbern auf der Project share Seite im Forum von Spark.IO bin ich auf dieses Projekt gestossen. Die Grundidee ist, einen LED-Streifen mit den individuell programmierbaren WS2812 LEDs spiralförmig auf einen zylindrischen Tubus zu wickeln. Bei geschickter Anordnung ergibt sich eine leicht geneigte senkrechte LED Reihe. Mit entsprechender Software lassen sich ausser Farbmuster auch Texte anzeigen. Die im Projekt gezeigten Tuben waren mir aber etwas zu klein. Etwas Grösseres musste her….
Spezifikationen

Die Leuchtfläche der Lampe sollte etwa einen Meter hoch sein. Im Sockel wird das Netzteil, im Kopf die Elektronik platziert. Da der Spark.core über WiFi ansprechbar ist, soll die Lampe übers Internet bedienbar sein.
Elektronik

Kernstück ist ein Spark.core. Es wird derselbe Typ wie im Originalprojekt verwendet. Aufgrund der grösseren Dimension dieser Lampe müssen einige Einschränkungen in der Software wegen des RAM-Speichers gemacht werden. Der Core sitzt zuoberst in der Lampe um guten Kontakt zum WiFi zu haben. Der LED-Streifen wird von unten angesteuert. Als LED kommt die Type WS2812(B) zum Einsatz. Diese LED ist kaskadierbar. Daten am Eingang der LED werden angenommen und bei weiteren Daten die vorhergehenden an die nächste LED weitergegeben. Das Ganze funktioniert wie ein Schieberegister. Überschreitet die Lücke zwischen zwei Datenfeldern eine bestimmte Zeit, übeträgt die LED den zuletzt empfangenen Wert in ihr eigenes Steuerregister und steuert damit deren RGB LED an. Es kann somit jede LED mit einer eigenen Farbe und Helligkeit gesteuert werden. Einziger Nachteil ist die nötige hohe Bitrate von ca. 800 kHz für die Übertragung der Daten. Arduinos und kleinere Mikrokontroller haben zuweilen Mühe das Timing bei längeren LED-Streifen einzuhalten. Das Netzteil liefert 5V mit einer maximalen Leistung von 350W (70A). Um diese grosse Leistung an die LED zu übertragen, werden vier Einspeisepunkte verteilt entlang des LED-Streifens angebracht.
Hardware

Die Computerhardware mit dem Spark.Core fertig vorhanden und bedarf hier keiner weiteren Erklärung. Für die Lampe selber sind ein paar Erläuterungen hilfreich.

Die LED-Streifen sind selbstklebend. Idealerweise werden Sie auf ein Trägerrohr mit passendem Durchmesser geklebt. Dieses sollte einen Durchmesser haben bei dem die LEDs exakt zwischen Trägerrohr und Lampenglas passen. Als weitere Schwierigkeit kommt dazu, dass die LEDs idealerweise gerade in einer Kolonne und leicht schräg nach rechts zu liegen kommen. So wird eingespielter Text leichter lesbar. Da Text für mein Projekt nicht wichtig ist, habe ich die LEDs auf ein mit Styropormatte aufgedicktes Kartonrohr geklebt. Man kann auf den Fotos gut erkennen, dass es keine gerade Kolonne um unteren Bereich gibt. Das ist in der weichen Struktur der Styropormatte begründet.

Die Beschaffung eines durchsichtigen, Milchglas-artigen Rohres ist für Private durchaus mit hohen Hürden verbunden. Solche Rohre sind meist nur von Grosshändlern erhältlich, die kaum mit privaten Abnehmern geschäften wollen. Ausserdem ist der Preis kaum interessant.

Zu meinem Glück verkauft die Migros in der Sparte Micasa eine passende Lampe mit einem Durchmesser von 150mm und ca. 1.6m Höhe. Der Preis von CHF 150 ist zwar deftig, jedoch ist darin auch gleich ein metallener Sockel enthalten. Die Länge des Rohres war zu lang und wurde entsprechend gekürzt. Der Deckel, die Halterung des Lüfters und des Controllers wurde mittels eines 3D-Druckers hergestellt. Hier zeigt sich dessen Überlegenheit beim Konstruieren um Sonderformen in Kürze herzustellen.

Der Sockel wurde um eine CNC-gefräste Holzkonstruktion erweitert, die das Netzteil trägt und die Basis für das Rohr mit den LEDs bildet.

Software

Die ursprüngliche Software ist darauf ausgelegt, einen LED-Streifen mit ca. 720 LEDs zu steuern. Das ist momentan die maximale Anzahl LEDs die der Core bezüglich RAM verwalten kann, ohne auf weitere Features wie Text und Fackelanimation zu verzichten. Diese Variante geht hier einen etwas anderen Weg. Die Software generiert dynamische und statische LED-RGB-Daten. Dynamische Daten werden kurz vor Übermittlung noch modifiziert oder Aufgrund einer Simulation verändert. Statische RGB-Daten werden on the fly berechnet und übermittelt, benötigen daher kein RAM für jede LED.

Dazu zwei Beispiele:

Fackel-Modus: Die Software simuliert eine Fackel mit einer glühenden Basis und einer dynamischen Entwicklung der ‚Flammen‘ die nach oben steigen. Diese ist im Original rund 720 LED lang (Anzahl LEDs pro Umfang x Anzahl Wicklungen). Da diese Fackel mit 1200 LEDs ausgerüstet ist, behelfe ich mich mit einem Teilbereich aus den ersten 720 LEDs und hänge diesen an dessen Ende. Dieser Beschiss ist nur beim Starten der Lampe auffallend wenn der obere Abschnitt zeitgleich ebenfalls Licht ausstrahlt. Sind alle LEDs aktiv fällt das kaum mehr auf.

Cycle-Modus: Dieser Modus macht nichts anderes als alle Farben durch den LED-Streifen zu schieben. Man erhält somit eine bunte Säule in der viele Farben nach oben steigen. Da sich die Startparameter mit jedem Durchgang (10ms) etwas ändern, verändern sich auch die Farben für jede LED. Diese Ansteuerung ist statisch, da keine LED-RGB-Daten gespeichert werden müssen.

Vorgeschichte

Man kann billig einfache Wetterstationen für den Hausgebrauch kaufen. Ein aussen montiertes Gerät misst Temperatur und Feuchte. Diese Daten sendet es an die Basisstation im Innern des Hauses, welches ebenfalls Temperatur, Feuchte und Luftdruck misst. Diese Basisstation zeigt dann auf seiner Anzeige gemessene Wetterdaten an und gibt sogar Prognosen über kommende Werte.

Leider lässt meist die Qualität zu wünschen übrig und man möchte etwas mehr substantielles zum Selberbauen als eine billige Elektronik.

Natürlich sind selbstgebaute Wetterstationen denselben Fehlerquellen ausgesetzt. Weil man hier jedoch Einfluss auf die Beurteilung der Messwerte nehmen kann, sind Verbesserungen leichter möglich.

Eine Wetterstation im eigenen Vorgarten zu betreiben ist alles andere als einfach. Meist sind die lokalen Verhältnisse eher ungeeignet und mit Einschränkungen versehen. So ist eine Windmessung innerhalb einer Überbauung kaum representativ. Die gemessen Temperaturen sind evtl. höher als die der offenen Umbgebung und die unnatürliche Abschattung durch Bauten beeinflusst alle Sensoren zugleich. Trotzdem zeigt eine solche Messstation sehr interessante Daten zur Umwelt.

Bei der Suche nach einem geeigneten Standort im Garten und der Konstruktion, wurde ich auf die Möglichkeit zur Unterstützung von Wildbienen aufmerksam. Die Station sollte erhöht über dem Boden stehen. Dazu kann man ein Dreibein verwenden oder einen Pfosten setzen. Die Rasenfläche ums Haus wurde bereits vor geraumer Zeit durch einen pflegeleichten Steingarten abgelöst. Was liegt also näher als die Wetterstation auf eine Gittersteinsäule zu setzen?

Update:
Herbst 2014: Das Wetter war nicht sehr sonnenreich und so sind die Akkuwerte kontinuierlich in den Keller gefallen. Dabei hat sich eine der NiCd Zellen verabschiedet. Mit 3V läuft der Spannungswandler zwar noch, er fordert aber auch entsprechenden Strom an. Bei leeren Akkus ist das nicht möglich. So muss wohl der Spannungswandler und der Akku eine Art Spannungspendler gebildet haben. Als Resultat ist der Spark.IO Prozessor vermutlich wegen Brown-Out Effekten Hops gegangen. Er lässt sich zwar noch irgendwie beeinflussen, ein Programm bekommt man aber nicht mehr zum laufen.

Hier möchte ich der Spark.IO Crew herzlich danken. Nachdem ich mich im Forum mit dem Problem gemeldet habe, und nach diversen Versuchen keine Lösung in Sicht war, haben Sie mir einfach einen neuen Core ohne Kosten für mich zugestellt. Herzlichen Dank dafür.

Spezifikationen

Wildbienen: Wildbienen und andere interessierte Lebewesen sollen verschiedene Angebote zur Behausung erhalten. Dazu sollen verschiedene Arten von Angeboten geschaffen werden.

Wetterdaten: Mittels verschiedener Sensoren werden Luftdruck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Helligkeit, Farbspektrum, und die elektrischen Werte der Solarzellen gemessen. Diese werden anschliessend per WLAN auf einen kleinen Raspberry Pi Webserver übertragen und dort in einer Datenbank gespeichert.

Stromversorgung: Ein Solarpanel versorgt einen NiCad Akku mit Energie. Das Energiemanagement ist so ausgelegt, dass nur Strom für die Messung der Sensoren und das Versenden der Daten benötigt wird. In der übrigen Zeit ist das System im Schlafmodus. Sollte wieder erwarten die Akkuspannung auf einen kritischen Wert sinken, werden die Messintervalle auf ein mehrfaches (30 min.) erweitert. Im Falle einer zu hohen Akkuspannung wird auf den Schlafmodus verzichtet. Aufgrund mehrmonatiger Erfahrung können die Akkus auch bei vermeintlicher Überspannung voll geladen werden. Grund für die Überspannung sind hohe Leitungswiderstände, welche das Messsignal beeinflussen.

Elektronik

Sensoren

BMP085: Zuverlässiger und von vielen Herstellern als Breakoutmodul verfügbarer Luftdrucksensor. Er beinhaltet zusätzlich noch einen Temperatursensor der für eine adequate Bestimmung der absoluten Höhe nötig ist. In diesem Projekt wird er nicht verwendet.

Leistungsdaten:
- Spannungsbereich: 3 – 5V
- Logik: 3 – 5V verträglichDruckbereich: 300 – 1100 hPa (-500 bis 9000m Meereshöhe)
- Auflösung: 0.03 hPa / 0.25m
- Temperaturbereich: -40 bis +85 Grad, +/- 2 Grad Temperaturgenauigkeit

- Protokoll: I2C
Datenblatt

DHT22: Sensormodul für Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Dieser Sensor ist weit verbreitet und verwendet ein eigenes Datenprotokoll. Er ist eigentlich nicht für den Einsatz im Freien vorgesehen da der Sensor bei nahezu 100% Luftfeuchtigkeit eine erhöhter Alterung und Messfehler erzeugt. Es gibt weitere Sensoren die einen gleichen Aufbau und Protokoll aufweisen, aber nicht denselben Messbereich und Auflösung besitzen.

Protokoll: Special
Datenblatt

TCS34725: Dieser Sensor misst mit seiner RGB Messzelle die Farbe und Itensität von sichtbarem Licht. Eine auf dem Board vorhandene weisse LED kann das zu messende Objekt direkt beleuchten. Natürlich sind die Messwerte mit diesen Sensor nicht direkt wissenschaftlich verwendbar, weil nicht kalibriert. Trotzdem zeigen die Kurven in der grafischen Auswertung durchaus die vorherrschende Tagessituation sei es Hochnebel, Abendrot oder blauer Himmel.

Protokoll: I2C
Datenblatt

INA219: Die von Adafruit vertriebene Messbrücke misst die Spannung einer Eingangsquelle und den, welcher über den Shuntwiderstand abfällt. Daraus lassen sich Strom und Leistungsdaten ableiten. In diesen Projekt wird der Sensor benutzt, um die Leistung des Solarpanels zu dokumentieren.

Protokoll: I2C
Datenblatt