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June 1, 2017 01:40

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构建一个基于 Pi 的飞机观察器

此项目使用带超低成本软件无线电 (SDR) 硬件的 Raspberry Pi,来接收数百万里之外的机载 S 模式应答器发送的跟踪信息。Raspberry Pi 配备了灵巧的 3.5 英寸 TFT 显示屏,以提供便捷的飞机活动概览。

硬件

基于 RTL2832U 的微小 SDR 接收器 (124-5461) 专为 DVB-T 的接收设计并第一次投放市场。然而,由于 Linux 内核黑客这几年的努力,已经可以获取设备的原始样本,而不仅仅还只是一个被解调的 DVB 信号。这意味着无线系统之后可以应用于软件,实现巨大的灵活性。

RTL2832U 芯片通常与调谐器 IC 配接。具体到 Adafruit 的 USB 接收器中,它是一个 R820T,可接收 24MHz 至 1,850MHz 的信号。应该指出的是,RTL-SDR 硬件配备 8 位 ADC 分辨率和约 7 位的有效位数 (ENOB),在更昂贵的 SDR 平台的动态范围内无竞争优势。但是对于许多用途来说,它已经足够,并拥有极高的性价比。

用于接收和解码 S 模式信号的软件提供了一个基于 Google 地图的网站界面和一个并不特别需要的本地显示屏。然而,Adafruit PiTFT 3.5 英寸显示屏 (124-5487) 的增加提供了“一目了然”的简明空中活动概览。另外,Raspberry Pi、SDR 接收器和 TFT 显示屏的结合还可配置成一个相当酷炫、实现频谱可视化的独立扫描仪

TFT 显示屏只需插入 Pi 的 P1 管座,SDR 接收器则只需插入一个 USB 端口。

Raspbian

Raspbian 的安装有两种选项:从 Adafruit 为已配置好的 TFT 显示屏下载一个受内核支持的映像,或编写一个 Raspbian 内置映像,然后进行相应配置。我选择了后者,因为我通常倾向于使用官方 O/S 安装映像,然后执行所需自定义操作。然而,前者包含的步骤更少,更不容易出错。Adafruit 为两种方法提供指导

使用 “dd” 编写 Micro SD 卡后,我通过编辑文件将主机名从默认的 “raspberrypi” 更改为 “planepi”,以更方便地找到网络:

etc/hostname

etc/hosts

注意开始处缺失的斜线,因为您不会想在编写 SD 卡的计算机上的 /etc 下编辑文件 - 所以,不管您的电脑已经安装了什么路径,您都需要在 SD 卡下添加根文件系统。

如果您倾向于通过附带的键盘、显示器和鼠标配置系统,则不必启动 SSH。但是,如果您像我一样倾向于通过 SSH 连接进行配置,则需执行以下操作:

$ sudo touch boot/ssh

随便用什么替代 “boot”。完整路径是为了在 SD 卡上引导系统文件。

如果 Pi 连接至一个有线网络,您可以移除Micro SD 卡,插入 Pi 然后引导。但是,如果您使用无线网络连接,则还需编辑:

etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf

再次重申,这不是您编写 SD 卡的计算机上 /etc/wpa_supplicant 中的配置文件,配置文件位于 SD 卡根文件系统上的 etc/wpa_supplicant 目录中。

如需手动配置无线网络的详情,请参阅 Raspberry Pi 文档

PiTFT 设置

因为我使用 Raspbian 内置映像,并需为 TFT 显示屏配置此映像的内核支持,我按照 Adafruit 提供的 DIY 安装人员脚本说明:轻松安装进行安装。然而,"sudo apt-get install" 行出现如上所示错误,因为内置映像出现了更新的软件版本,因此,需运行以下脚本强制进行降级

$ sudo apt-get install -y --force-yes raspberrypi-bootloader adafruit-pitft-helper raspberrypi-kernel

随后运行辅助脚本,以便安装 3.5 英寸电阻型 PiTFT。

$ sudo adafruit-pitft-helper -t 35r

通常建议使用 Adafruit 提供的提前配置好的 Raspbian 映像。但是,以上信息只对使用 Raspbian 内置映像的新手有用,不管其出于任何原因,如向运行其他应用程序的现有系统添加这些功能。

最后,如果出现本文顶部图像所示情况,即 USB 电源引线朝 Pi 向下,则需要更新配置才可将显示屏旋转 180 。通过编辑 /boot/config.txt 文件并将 rotate=270 更改为 rotate=90 即可完成。

dump1090

有多种软件可用于接收和解码 S 模式传输,这在 5 年前就实现了,那时我撰文介绍过基于 GNU Radio 的地对空模式。然而,这一次,我们打算使用名为 dump1090 的软件,其以 S 模式的使用频率 1090MHz 命名。

与 GNU Radio 相比,dump1090 的好处包括:拥有最低的外部依赖性;它还特别坚固,擅长于解码弱信号。当在交互模式下工作时,它将向控制台打印出活动概览,且在 GitHub 上共享的分支会经过细微修改,以便适应 3.5 英寸 TFT 显示屏。

要进行构建,我们需要运行以下脚本:

$ sudo apt-get install libusb-1.0-0-dev librtlsdr-dev rtl-sdr

$ git clone https://github.com/DesignSparkrs/dump1090

$ cd dump1090

$ make

随后编辑 /etc/rc.local 文件,并在 “exit 0” 前添加以下行:

cd ~pi/dump1090; ./dump1090 --net --net-http-port 80 --interactive &

运行

现在我们需要重新启动以便为 TFT 显示屏配置内核,如果未为 RTL-SDR 硬件加载默认的电视调谐器支持,则该配置将会受阻。如果一切进展顺利,dump1090 将通过我们刚刚添加至 /etc/rc.local 的行启动。随后 TFT 显示屏应会在接收到信号时开始显示内容。

如果浏览器连接Raspberry Pi,我们将会获得一个简单的网络应用程序。该程序基于 Google 地图,带有飞机位置标记和海拔等数据。

请注意,SDR 接收器随附的天线对于 1090MHz 来说不是最优的,但是在大部分地区,使用该天线起码可以获取某些飞机信号。请确保将其放置于窗户边或窗外。如果您运气不佳,无法接收信号,有在线的简单DIY天线的计划可以调谐到1090MHz,增益更高。

其他软件和服务

dump1090 还可让原始 S 模式信息在网络上可用,这些可与 PlanePlotter 等软件一起使用,以实现更复杂的显示。此外,数据还可从接收器发送到提供众包飞行数据访问权限的在线服务,如 OpenSky NetworkFlightAware

Andrew Back

 

 

Open source (hardware and software!) advocate, Treasurer and Director of the Free and Open Source Silicon Foundation, organiser of Wuthering Bytes technology festival and founder of the Open Source Hardware User Group.

June 1, 2017 01:40

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