Stacja Burzowa

Poszukując archiwalnej mapy burzowej, trafiłem na stronę www.burze.dzis.net , której administratorem jest Pan Grzegorz Ruciński.

Dzięki Jego niezwykłej uprzejmości, zamiast mapy otrzymałem szczegółową bazę danych z poszczególnymi wyładowaniami w interesującym mnie okresie czasu!

Każde uderzenie to jeden rekord, zawierający dokładny czas, współrzędne geograficzne i moc wyładowania w kA!

Byłem mocno zaskoczony i ciekawy źródła tych danych.

Jak się okazało, dostęp do tego mają uczestnicy systemu namierzania burz, posiadający własne stacje odbiorcze zgrupowane w projekcie opisanym na stronie www.blitzortung.org

Ponieważ w Polsce było zarejestrowanych tylko pięć stacji, natychmiast postanowiłem zbudować własny odbiornik.

Działanie systemu

Wyładowanie burzowe jest rejestrowane przez stacje nasłuchujące i po digitalizacji przesyłane internetem do "centrali". Jednocześnie przesyłany jest dokładny czas rejestracji, który dostarcza podłączony GPS. Sygnał wyładowania dociera do stacji odbiorczych z różnym opóźnieniem, zależnym od odległości od ośrodka burzowego (każde 300 metrów to 1 us opóźnienia). Mając dane z conajmniej trzech stacji, można wyznaczyć współrzędne geograficzne zarejestrowanego wyładowania. Przy dużej ilości stacji nasłuchujących i rejestrujących wyładowanie, określenie współrzędnych jest bardziej precyzyjne.

Poniżej zamieszczam opis (dostępny dla zalogowanych użytkowników) jednego z zarejestrowanych przez moją stację wyładowań.

Widzimy tutaj dokładny czas uderzenia, dystans od mojej stacji, odchyłkę mojego pomiaru od wyznaczonych współrzędnych (1,7 km), szacowaną siłę wyładowania, ilość stacji potwierdzających i biorących udział w wylicznieniu pozycji uderzenia (152) oraz pozycję geograficzną wyładowania. Na wykresach widzimy kształt impulsu, widmo częstotliwości oraz graficzne przedstawienie rozrzutu pomiarów wszystkich stacji. Dostępne są również do wglądu zapisy z pozostałych 151 stacji, które można porównać z własnymi. 

Udostępnione dla uczestników oprogramowanie umożliwia prowadzenie wielu ciekawych obserwacji oraz dostęp do bogatych statystyk. Można na przykład obejrzeć animację przemieszczania się ognisk burzowych w ostatnich godzinach, nawet na tle zdjęć pogodowych z satelit meteorologicznych.

Dziennik Budowy Stacji Burzowej

15.07.2012 Niedziela

Używając maila kontaktowego ze strony www.blitzortung.org wysyłam prośbę o szczegóły dotyczące budowy stacji burzowej. W odpowiedzi otrzymuję obszerną informację zawierającą konfigurację dostępnych kitów do złożenia oraz odnośniki do plików (dostępnych na stronie www), opisujących system namierzania burz, budowę anteny, wzmacniacza i przetwornika oraz oprogramowania na PC.

01.08.2012 Środa

W odpowiedzi na maila zamawiam kompletny kit wzmacniacza oraz procesora PCB 6 version 8usb. Decyduje się na taką konfigurację ponieważ posiadam GPSa U2 PS2, a także ze względu na dostępność w kraju przetwornika ADC0820 (w razie ewentualnej awarii scalaka). Koszt całości wraz z przesyłką to 105,60 EUR.

Natychmiast otrzymuję informację, że po wpłynięciu kwoty na podane konto zostanie wysłany kit odbiornika.

03.08.2012 Piątek

Wysyłam przelew bezpośrednio na konto administratora. Po przeliczeniu wychodzi 448,12 PLN wraz z prowizją banku.

15.08.2012 Środa

Administrator informuje o opóźnieniu w wysyłce spowodowanym brakiem niektórych elementów (okres wakacyjny w firmie dostarczającej części).

16.08.2012 Czwartek

Rozpoczynam budowę anteny ramowej 2 x 8 zwojów. Zastosowałem listwy 30x20 mm o długości 150 cm. Przekątna uzwojenia (odległość między haczykami) to 100 cm.

Pojedyncze uzwojenie ma indukcyjność L=160 uH, dobroć Q=180 (przy 550 kHz) oraz częstotliwość rezonansu własnego Frez=2.440 kHz.

17.08.2012 Piątek

Otrzymuję informację o wysłaniu przesyłki oraz link do śledzenia paczki dostarczanej przez DHL.

21.08.2012 Wtorek

Paczka na miejscu! Zaczynam składać wzmacniacz.

22.08.2012 Środa

Wzmacniacz gotowy.

Składanie odbyło się bez większych niespodzianek. Elementy są dobrej jakości (wszystkie rezystory metalizowane).

Jedynie zastanawia brak w zestawie czterech rezystorów 82 omy, które zwierają przez jumpery wejścia wzmacaniczy do masy, prawdopodobnie podczas testowania wzmacanicza. Normalnie nie są potrzebne, ale dla dobrego samopoczucia wlutowałem oporniczki po 100 omów.

Wstępnie ustawiłem wzmocnienie torów na x70.

23.08.2012 Czwartek

Płyta procesora gotowa.

Na zdjęciu widać moją gafę - lewy przetwornik jest odwrotnie włożony do podstawki! Po włączeniu zasilania zaświeciła jedynie czerwona dioda, a po chwili błędnie wpięty przetwornik był gorący! Na szczęście scalaczek przeżył, a właściwe włożenie do podstawki poskutkowało przeprowadzeniem krótkiego testu peryferii po załączeniu zasilania modułu.

24.08.2012 Piątek

Wysyłam do Administratora zdjęcie zmontowanego sprzętu i proszę o login do systemu. Przewiduję, że w trakcie wekendu powinienem się uruchomić. W odpowiedzi otrzymuję nazwę użytkownika oraz hasło - mogę już logować się na stronie projektu (wiele opcji jest jeszcze niedostępne z powodu braku wysłanych pakietów).

Wieczorem płytkę wzmacniacza wkładam do obudowy, którą kupiłem kilka lat temu, przewidując udział w systemie namierzania burz :-))

Obudowa pasuje wręcz idealnie do modułu wzmacniacza - jestem zadowolony z efektu końcowego.

25.08.2012 Sobota

Montuję moduł wzmacniacza na wsporniku anteny a cały zestaw na strychu. Na zewnątrz budynku mocuję kabel sieciowy (10 metrów w zestawie), który łączy antenę odbiorczą z płytką procesora, umieszczoną w pracowni. Przez kabel prowadzone jest również zasilanie modułu wzmacniacza.

Spinam całość i włączam zasilanie (napięcie ustawione na 12V na załączonym do zestawu oszczędnym zasilaczu). I tu miła niespodzianka - żółta dioda błyska co chwilę, co świadczy o przetwarzaniu przez procesor impulsów dochodzących z anteny.

Na komputerze obserwuję wodospad SpectrumLaba (odczyt z innej, dużej anteny ramowej) i porównuję działanie obydwu systemów. Mruganie diody odbywa się dokładnie w momencie odebrania wyładowania przez moją antenę w ogródku! System odbiorczy działa poprawnie :-)

Podłączam oscyloskop i obserwuję sygnał przesyłany ze wzmacniacza anteny. Widzę poziom szumu o wielkości ok. 400 mV p-p (drugi kanał ok. 200 mV p-p) oraz wiele różnej wielkości impulsów, indukowanych głównie przez wyładowania.

Sobota zakończona sukcesem. Na niedzielę zostawiam, jak mi się wydaje, proste zadanie podłączenia GPS-a i odpalenia stacji.

I tu właśnie zaczęły się schody...

26.08.2012 Niedziela

Podłączam dawno już kupiony i nie używany GPS typu Fortuna U2 PS/2 (wcześniej, zgodnie ze wskazówkami znajdującymi się w pliku informacyjnym Blitzortung, rozbieram obudowę i na żółtym kabelku wyprowadzam sygnał 1PPS). Niestety, brak reakcji urządzenia, zielona dioda milczy. Oscyloskop pokazuje przyczynę - sygnał z GPS-a zawiera się w granicach -5...+5V, czyli według standardu RS232, a moja wersja przetwornika akceptuje tylko sygnały TTL!. Natychmiast odłączam zasilanie. Na szczęście nie uszkodziłem wejścia procesora ujemnym napięciem.

Na nie używanym zielonym przewodzie odkrywam sygnał cyfrowy o standardzie TTL. Po podłączeniu go do płytki procesora zielona dioda zaczyna migać! Czekam cierpliwie na złapanie wystarczającej ilości satelit dla wyznaczenia pozycji i podania sygnału 1PPS (zielona dioda ma świecić ciągle)...

Cierpliwość powoli się kończy, a dioda nadal tylko mryga...

Może pozycja GPS-a (parapet za oknem na parterze) jest niewłaściwa? Umieszczam odbiornik ok. 1 metr od ściany, na stoliku. Dalej nic.

Sprawdzam baterię wewnętrzną GPS-a, która okazuje się być wyczerpana. Wymieniam ją na zupełnie inną, ale zgodną napięciem. Mijają kolejne dziesiątki minut, dalej nic.

Pora sprawdzić, co mówią ramki przesyłane przez odbiornik. Zmieniam pozycję zworek aby przekierować sygnał z GPS-a prosto do portu USB. Podłączam przetwornik kablem USB do komputera. Niestety, mój Windows XP nie znajduje odpowiednich sterowników. Właściwe drivery znajduję na stronie www.ftdichip.com/Drivers/D2XX.htm Ściągnięty ze strony Blitzortung tracker w wersji WT 6.20.1 ma wbudowany monitor ramek. Ustawiam szybkość portu USB na 4.800 bodów i widzę dane NMEA wysyłane przez mojego GPS-a. Nie bardzo mam ochotę na analizowanie tekstu, więc zaczynam szukać jakiegoś prostego programu do monitorowania GPS-a. Z pomocą przyjaciół znajduję VisualGPS, przyjemny programik, który na monitorze pokazuje sygnał z satelit, ich pozycje, współrzędne geograficzne itd. Niestety, zero satelit (widzę tylko przesyłane prawidłowe ramki). O dziwo, niebieska dioda, oznaczająca przychodzący sygnał 1PPS zaczęła migać! Niczego nie rozumiem.

Zaczynam podejrzewać uszkodzenie GPS-a. Prawdopodobnie nie ominie mnie zakup nowego.

Niedziela już się kończy, czas więc się poddać.

Ale jeszcze wpada mi do głowy jeden pomysł. Szybko składam prosty konwerter RS232 => TTL na jednym tranzystorze (tylko w stronę GPS => przetwornik) i podaje pierwotnie testowany sygnał z wyjścia RS232 GPS-a.

JEST!!! Program VisualGPS zaczyna pokazywać odbierane satelity! Po kilku minutach zielona dioda przestaje mrugać i świeci ciągłym, pięknym swiatłem.

Kiedyś muszę wrócić do zagadki tajemniczego sygnału TTL i rozszyfrować jego funkcję.

Przepinam zworki na płytce, odpalam trackera, ustawiam port COM i po chwili moja stacja zaczyna wysyłać ramki! Jest niedziela 26-go sierpnia, godzina 17:24:47 UTC.

Stacja działa jeszcze przez kilka godzin, do momentu schowania na noc GPS-a. Jego nowe miejsce, po wewnętrznej stronie okna, nie pozwala na znalezienie wystarczającej liczby satelitów i program przestaje wysyłać ramki. Problem GPS-a spróbuję rozwiązać w poniedziałek.

27.08.2012 Poniedziałek

Odmierzam 10 metrów przewodu czterożyłowego w ekranie i dolutowuje do GPS-a. Odbiornik umieszczam na strychu a kabel przeprowadzam na parter do pracowni. Teraz mam w zasięgu spokojnie 6 do 7 satelitów. Ciekawe, jaki odbiór będzie gdy śnieg pokryje dach.

Stacja zaczyna pracować bez przerwy.

Ze względu na dopasowanie GPS-a tylko w stronę GPS => przetwornik, procesor nie ma komunikacji z GPS-em. Odbiornik cały czas pracuje z prędkością tylko 4.800 bodów. Po uruchomieniu trakera, próbuje on się komunikować z GPS-em, aby ustawić większą prędkość przesyłania ramek. Po dwóch nieudanych próbach program daje sobie spokój i już nie protestuje. Będę obserwował działanie systemu w takim stanie. Jeżeli wystąpią jakieś błędy, będzie trzeba dorobić interface TTL => RS232 w stronę GPS-a.

Radiator na płytce przetwornika znacznie się nagrzewa. Zmniejszam napięcie zasilania z 12V na 9V (bez straty na odbieranym sygnale) i radiator staje się tylko ciepły. Pobór mocy spada z 3,5W do 2,5W.

Jako komputer postawiłem laptopa Compaq Evo 410, który z zamkniętą klapą pobiera ok. 18W. Po wyłączeniu Explorera (Task Manager) i pozostawieniu jedynie działającego trackera, pobór mocy przez laptop spada do 13W.

07.09.2012 Piątek

Zauważam znacznie podwyższony poziom zakłóceń na pasmach KF, szczególnie w zakresie 28 MHz. Wyłączenie przetwornika wyjaśnia wszystko - urządzenie produkuje sporo zakłóceń a 10-cio metrowe kable to znakomita antena. Zakładam na kabel łączący antenę kilka ferrytowych pierścieni - już dwa niwelują większość śmieci. Założenie pierścieni na kabel GPS-a nie daje słyszalnych efektów. Pewną poprawę daje podłączenie masy układu do kaloryfera.

Czas całość włożyć w porządną metalową obudowę.

Grudzień 2012 r.

Ciągłe problemy z wieszaniem się programu pod Windows XP zmusiły mnie do zmiany systemu operacyjnego. Zainstalowałem stary dobry Windows 2000 i od tej pory właściwie zapomniałem o sprzęcie. Jedynie po awarii zasilania (laptop nie ma sprawnej baterii) muszę ręcznie odpalić komputer.