Студенты УрГУПС проектируют и производят гоночный болид класса Formula SAE. На ряду с большим количеством разных систем автомобиля решаются вопросы оптимизации электронных систем, в том числе телеметрии и связи с пилотом. Вот какой своей идеей поделились студенты.

В этом году одной из задач команды Formula Student USURT было пересмотреть способы осуществления связи между пилотом и остальными членами команды. Ранее связь осуществлялась посредством использования раций. Несмотря на то, что этот метод передачи сообщений на расстоянии являлся достаточно практичным и недорогим, он был устаревшим. Именно поэтому новая команда IT (Formula Student USURT) предложила использовать вместо раций технологию передачи голосовых сообщений с помощью Wi-Fi сети и Bluetooth гарнитуры. В общем виде этот способ общения между пилотом и командой получил название Internet Radio System. Далее будут подробно описаны способы практического осуществления этой технологии и назначение её составляющих элементов.

I.Передача сигнала на микроконтроллер Arduino.

Пилот имеет небольшую Bluetooth-гарнитуру. После нажатия на ней кнопки включения, гарнитура синхронизируется с запрограммированным микроконтроллером Arduino ESP32, который подключен к стандартному блоку питания Power Bank и вмонтирован в салон болида вместе с остальными составляющими системы, о которых будет рассказано ниже. С точки зрения аналоговой периферии в ESP32 имеются два 8-разрядных ЦАП и два 12-разрядных АЦП, которые мультиплексированы на 18 выводов. Помимо этого в нем есть встроенный аналоговый предусилитель, датчик температуры и датчик Холла ( прибор, фиксирующий магнитное поле и его напряженность ).

В ESP32 присутствуют такие интерфейсные модули, как:

• три UART
• три SPI
• два I2S
• два I2C.

 Определенную гибкость при работе с периферией может дать подключение интерфейсных модулей непосредственно после портов ввода/вывода ( I/O MUX ) до матрицы. Для шифрования при передаче данных по Wi-Fi в ESP32 имеются криптографические модули AES и SHA.

Примечание: местом  хранения для Ардуино и остальных деталей служит коробка малых размеров из композитного алюминия, место её монтажа, габариты и материал были согласованы совместно с механиками команды Formula Student USURT.

Сигнал, поступивший с гарнитуры пилота, будет аналоговым, однако для дальнейшей работы с ним он должен быть оцифрован посредством использования Аналогово-цифрового преобразователя ( АЦП ), подключенного к Ардуино по шине I2C. I²C (IIC, англ. Inter-Integrated Circuit) — последовательная асимметричная шина для связи между интегральными схемами внутри электронных приборов. Использует две двунаправленные линии связи (SDA и SCL), применяется для соединения низкоскоростных периферийных компонентов с процессорами и микроконтроллерами (например, на материнских платах, во встраиваемых системах, в мобильных телефонах).

Далее преобразованный цифровой сигнал поступит на модуль VS1053.

 Модуль MP3 Music VS1053 позволяет читать различные форматы звуковых файлов, включая Ogg Vorbis, MP3, AAC, WMA, MIDI-аудио.  Помимо всего прочего, данная микросхема содержит технологию EarSpeaker – пространственную обработку звука. Данная технология позволяет при прослушивании аудиофайлов через наушники создать эффект звучания стерео-колонок. Запись происходит в Ogg Vobis файл, также есть поддержка OGG кодирования записи через SPI интерфейс в реальном масштабе времени. 

Запись голоса пилота после обработки через этот модуль будет частично сохраняться на SD карту, также подключенную к Ардуино, SD карта позволит избежать проблемы с нехваткой встроенной памяти на микроконтроллере, а также будет использоваться в качестве звуковой карты. Этот метод позволит Ардуино превратить сохранённую информацию с карты памяти в звуковой поток. В этом случае, микроконтроллер становится приемником сигнала.

II. Интернет-радиостанция на локальной сети.

Сохранённый от пилота в цифровом формате сигнал должен быть передан команде. Это может быть осуществлено с помощью технологии Интернет – радиостанций.

Для того, чтобы создать полноценное интернет-радио потребуется:

1. Источник.

Им является компьютер пользователя, который решил начать онлайн-вещание. Именно через его звуковую карту будут проходить аудиофайлы, голос человека, ведущего трансляцию у микрофона. Компьютер проводит обработку информации, после чего он ее пересылает на сервер.

1. Сервер.

Это интернет-платформа, которая принимает информацию с компьютера пользователя. Работа сервера – преобразовать полученные данные в нужный формат, который подходит для трансляции записей или живого вещания в интернете.

Локальная сеть служит, в первую очередь, для того, чтобы в случае каких-либо неполадок при вещании на компьютер пользователя, аудио-поток не остановился.  Не смотря на то что, сервер служит приемником информации, он также может быть использован в качестве источника вещания.

    В нашем случае будет использоваться технология передачи потока последовательно запускаемых аудиофайлов, которые составят контент радиоточки.

Компьютер команды будет использоваться в качестве сервера, а ардуино в качестве источника звукового сигнала.

В качестве усилителя передаваемого сигнала на расстоянии до 1 километра используется два радио-модуля NRF24l01+, один из них подключен к ESP32, второй подключен к Ардуино UNO, находящимся у компьютера команды.

Наша радиостанция будет базироваться на собственной локальной сети в оболочке программы Airtime PRO.  Airtime Pro – это программное обеспечение для потокового вещания контента с интернет радиостанций, оно имеет расширенную автоматизацию, бесперебойные переходы между живым и запланированным программированием вещания. Использование локальной сети позволит самостоятельно контролировать качество вещания, и что самое главное – качество Wi-fi сигнала, так как микроконтроллер Ардуино со встроенным wi-fi модулем запрограммирован таким образом, что при потере сети, тут же воспроизводиться диагностика неполадок и передача информации о неисправности на сервер команды по локальной сети.

Таким образом, наша система, включающая в себя локальный сервер, интернет-радиостанцию и антенну для усиления сигнала, представляет из себя реализацию переговоров между пилотом и командой в формате: Ведущий 1 (пилот) и Ведущий 2 (команда) в эфире вещания общей радиостанции “fs-usurt”.

Наша интернет-радиостанция будет иметь свой собственный URL-адрес на локальной сети. Так как на модуль VS1053 будет сохраняться преобразованный цифровой потоковый сигнал, то он будет мгновенно передан на этот адрес и будет встроен в канал вещания радиостанции “fs-usurt”. В качестве наиболее выгодного в плане безопасности и практичности способа передачи радио-сигнала, мы выбрали PMR частоты.  PMR (Personal/Private Mobile Radio - "личное мобильное радио", англ.). Безлицензионный поддиапазон частот подвижной сухопутной радиосвязи в УКВ-диапазоне с полосой частот 446,000—446,100 MHz и с максимальной выходной мощностью 0,5 Вт. Рации с данным частотным диапазоном предназначены исключительно для частного использования. Без регистрации разрешены устройства с интегрированными компактными антеннами и мощностью до 0,5 Вт. PMR включает в себя 8 симплексных каналов с шагом 12,5 кГц. Диапазон разрешен для использования в России.

Помимо этого:

 В нашей системе будет использован стабилизатор постоянного напряжения MB102. Он формирует два выходных фиксированных напряжения на каждом выходе по выбору, это позволит избежать перепадов напряжения при подключении к сети Wi-fi.

 III. Обратная связь с пилотом.

Обратная связь будет реализована подобным образом:

Так как система осуществлена в формате Ведущий 1 – Ведущий 2 , то ответный сигнал от команды в аналоговой форме поступит от подключенной по Bluetooth гарнитуры на общую радиостанцию в цифровом виде, затем по антенне поступит на Ардуино, откуда этот сигнал будет передан по Bluetooth в аналоговой форме на гарнитуру пилота.

 IV. Выводы

Такая технология позволит избежать потерь в качестве звукового сигнала, а также потери самого сигнала. Это стабильная система, которая может применена везде, где есть точка доступа Wi-fi. Wi-fi позволит передавать сигнал на большие расстояния, и это его ключевое преимущество перед технологией передачи данных по Bluetooth, также эта технология является менее энергозатратной и позволяет сделать сигнал максимально чистым без помех. Данная технология находится в стадии

В сравнении с  технологией передачи аудио-сигнала по Bluetooth соединению, система Internet Radio обходит её по всем основным параметрам:

1. Передача сообщений на большие расстояния
2. Безопасность каналов связи
3. Передача сообщений в любых условиях
4. Одновременное общение нескольких людей на одном канале связи
5. Возможность слушать и отвечать одновременно
6. Шумоподавление

Если привести в сравнение стандартную рацию, то её ключевым преимуществом перед нашей системой будет низкая себестоимость. Однако, стоит учитывать, что недорогая рация не будет обладать такими параметрами, как безопасность, одновременное общение нескольких человек, возможностью слушать и говорить в одно и то же время, а также шумоподавлением. Поэтому, говоря о рациях, обладающих схожими с нашей системой характеристиками, надо учитывать их немаленькую цену. Но даже в этом случае с такой рацией будет невозможно вести групповые переговоры и отвечать на сигнал в режиме прямого эфира.