بمجرد أن اقترح زميلي بيتر المشاركة في مشروع واحد مثير للاهتمام - إنشاء "هاتف كهف لأخصائيي spele" ، لأنه مهتم في speleology. تواجه الكهوف مشكلة مثل: الاتصالات اللاسلكية تحت الأرض لا تعمل في الممارسة. لا يمكن استقبال الراديو بشكل مقبول إلا في خط البصر ، لكن الأمر يستحق بضعة أدوار - ولا يوجد اتصال. وتحتاج إلى التواصل في جميع أنحاء الكهف ، طوله يمكن أن يكون عدة كيلومترات. بطبيعة الحال ، لا تتواصل الاتصالات المتنقلة هناك ، مما يعني أنه لا توجد اتصالات مع العالم الخارجي لمجموعات تعمل بشكل مستقل في الكهف لعدة أسابيع.

في أغسطس 2018 ، كان بيتر يشارك في رحلة استكشافية إلى كهف معقد وخطير إلى حد ما. بالنسبة لهذه الحملة الاستكشافية ، قررنا تطوير جهاز جديد يحل مشكلة توصيل مجموعات العمل المستقلة مع العالم الخارجي.

وصف الفكرة

يمتلك علماء Spele "هواتف كهف" تعمل من خلال كبل حقل (عادة ما يكون هذا هو p-274) ، ويمتد على طول الكهف بالكامل ، مثل هذا:


(C) بافيل رودكو ، TP17 نيدرا ، إنتاج كراسنويارسك.

كانت الفكرة هي توصيل هاتف تحت الأرض بهاتف ذكي ، والتواصل مع العالم الخارجي من خلال "محطة قاعدة" خلوية على السطح. من أجل أن تكون قادرًا على إرسال رسائل نصية قصيرة إلى الأقارب والأصدقاء والأقارب من تحت الأرض ، اطلب تنبؤ بالطقس على السطح ، بحيث في حالة الاستحمام مقدمًا للارتفاع إلى السطح.

لقد خطط بيتر وغيره من الكهوف على النزول إلى قاع نظام Snezhnaya ، الذي يقع في أبخازيا وكان في السابق ثاني أعمق نظام الكهوف في العالم. خططوا للذهاب من خلال المدخل السفلي ، كهف البنك. من وجهة نظر أحد أخطار الكهوف الرئيسية - الفيضانات - التي يتم القذف بها إلى أسفل هذه الطريقة تكون أكثر أمانًا من جميع الطرق المعروفة الأخرى ، ولكن لا يزال يتعين عليك التغلب على قسم خطير للغاية - أطواف الشلالات. لا يمكن الوصول إليه تمامًا في فيضان يبلغ طوله 250 مترًا على طول النهر الجوفي. قبل الدخول في هذا القسم ، أردنا معرفة الطقس على السطح.

من معسكر تحت الأرض يتمتع بالحكم الذاتي ، حيث كان من المقرر أن يعيش لمدة أسبوعين ، إلى أقرب مخرج إلى السطح على بعد 3.5 كم من المسار ، بمسافة رأسية تبلغ 800 متر ، وقد تم تجهيز خط اتصال تحت الأرض بالفعل على المسار بالكامل مع مجموعات أخرى تعمل في الكهف - ممتدة حسب المجال كابل P-274. خططنا لاستخدام هذا الخط في فكرتنا.

بقي لبناء زوج من الأجهزة: يجب أن يكون التحكم في المجموعة في الكهف ، والتحكم فيها - على السطح في منطقة الاستقبال الموثوق لإشارة GSM. وكان من الضروري التوصل إلى وسيلة اتصال لهم. يجب أن يتلقى الجهاز المُدار أوامر من المدير وأن يكون قادرًا على استلام وإرسال الرسائل القصيرة. كان الشرط المهم هو الاستقلالية الكاملة للجهاز على السطح لمدة أسبوعين ، أي مدة الرحلة بأكملها ، حيث لم يكن أحد ينتظرنا عند مدخل الكهف. لم يكن هناك أحد لإعادة شحن البطاريات أو استبدالها أو إعادة تشغيل الجهاز.

في تطور استغرق جزء:

• Koveshnikov بيتر - مؤلف الفكرة ، البادئ ، وتطوير جزء البرنامج.
• Matveev Lyubomir - التجميع والتركيب والأسلاك لوحات الإرسال والاستقبال.
• Shelepin سيرجي - تصميم جهاز الإرسال والاستقبال.

المخطط العام هو على النحو التالي. يتم تثبيت المحطة الأساسية على السطح ، وهي مدعومة ببطارية مشحونة بواسطة بطارية شمسية ، ويجب أن تعمل لمدة أسبوعين على الأقل ، مع مراعاة متوسط ​​مدة الرحلات إلى الكهوف ، ويجب أن تكون مستقلة حتى لا تتطلب اهتمام الناس. يمكن للشخص أدناه ، بمساعدة مقطع تمساح أو طرف لولبي ، الانضمام إلى أي مكان على الخط (سلك الحقل الممتد في الكهوف) وإقامة اتصال الهاتف تحت الأرض بالمحطة الأرضية. هي في وضع "السكون" ، وتستيقظ بشكل دوري وتتلقى إشارات الخدمة. هناك حاجة إلى وضع السكون لتوفير طاقة البطارية ، لأن الشمس لا توجد دائمًا لتشغيل البطارية.

والآن بعض التفاصيل الفنية.

تنفيذ الفكرة

المجمع المستخدم من قبلنا في هذه الحملة كان على النحو التالي:

1. اثنين من الهواتف الذكية التي تعمل بنظام Android تقوم بتشغيل برنامج مكتوب خصيصًا.
2. اثنين من أجهزة الإرسال والاستقبال من تصميمها الخاص ، متصلا الخط تحت الأرض ومنافذ الصوت للهواتف.
3. يبلغ طول حقل الحقل P-274 المزدوج حوالي 3600 متر ، ويمتد إلى عمق 800 متر.
4. مجمع الطاقة السطحية للهاتف.
   
   1. بنك طاقة لتشغيل الهاتف "السطحي".
   2. اردوينو ، الذي يعيد تشغيل عملية شحن الهاتف من بنك الطاقة.
   3. لوحة للطاقة الشمسية لشحن بنك الطاقة.

أخذوا دائرة الهاتف العادي كأساس ، فقط بدلاً من شخص ، يتلقى الهاتف الذكي نفسه الأوامر وينقلها. للتواصل مع بعضها البعض ، تقوم الأجهزة بتبادل تسلسل الإشارات الصوتية - نغمات DTMF (إشارة تناظرية ثنائية التردد متعددة النغمات مع 16 نغمة). القناة نصف مزدوجة. لنقل البيانات نفسها ، يتم استخدام 9 نغمات من 16 نغمة ، والباقي من نغمات الخدمة ، على سبيل المثال ، تشير إلى بداية / نهاية رسالة / تسلسل ، إشارة إعادة تشغيل الطوارئ ، إلخ. تتراوح مدة نغمات DTMF ، وبالتالي سرعة الإرسال ، من نغمة واحدة في الثانية إلى 15 نغمة في الثانية. باستثناء الإيقاف المؤقت التقني ، فهذا يتوافق مع 0.3-5.5 بايت في الثانية. تقوم الهواتف الذكية التي تستخدم مكتبة dtmf-cpp بتحويل النص إلى نغمات والعكس.




أجهزة الإرسال والاستقبال متصلة بالهواتف عبر مقبس صوت 3.5 ملم باستخدام مقبس صغير 4-PIN ، مثل سماعات الرأس العادية. تذهب أي إشارة صوتية يريد الهاتف تشغيلها إلى جهاز الإرسال والاستقبال ، ويتم تكبير كل شيء يحدث في الخط وإرساله إلى الهاتف عبر قناة الميكروفون. بالإضافة إلى تضخيم إشارة الإدخال ، يقوم جهاز الإرسال والاستقبال بعزل الهاتف عن الخط لتجنب الأضرار الناجمة عن العواصف العرضية. بالإضافة إلى ذلك ، يتحكم جهاز الإرسال والاستقبال في فصل وسيط الإرسال. عندما يحاول الهاتف تشغيل شيء ما ، يقوم جهاز الإرسال والاستقبال بتوصيل قناة الصوت اليسرى للهاتف بالباقي ، وهي الفترة المتبقية من اتصال قناة الميكروفون بالخط الذي تتصل به الأرض. عندما يكون ذلك ضروريًا للإرسال ، يرسل البرنامج إشارة علوية إلى القناة اليمنى بحيث ينتقل جهاز الإرسال والاستقبال إلى وضع الإرسال.

يمكنك الاستماع إلى كيفية تواصل أجهزة الإرسال والاستقبال الخاصة بنا هنا: cloud.mail.ru/public/JAjQ/wuF4XMm4W

يتم إطلاق برنامج مكتوب ذاتيًا على الهواتف ، يستمع إلى قناة الاتصال تحسباً لبعض الإشارات أو إدخال المستخدم من خلال الواجهة. خوارزمية نقل البيانات:

1. يحدد المستخدم الموجود على هاتف التحكم الأمر المرغوب في القائمة.
2. ينشئ البرنامج طلبًا في شكل دفق من وحدات البايت.
3. ينقسم الدفق إلى تتابعات لا تزيد عن 16 بايت ، ويتم إضافة مجموع اختباري لكل منها ، ثم يتم ترميز تسلسل البايتات في تسلسل نغمات DTMF. تتم إضافة تسلسلين للخدمة إلى مجموعة تتابعات النغمات ، مما يشير إلى بداية ونهاية مجموعة التتابع.
4. يتم تشفير كل تسلسل في PCM 16bit 8000 / s أحادي ويتم تشغيله عن طريق الهاتف.
5. تتم قراءة كل تسلسل بواسطة هاتف متحكم به ، يتم فك تشفيره ، والتحقق من وجود أخطاء ، ووفقًا للنتيجة ، يتم إرسال إشارة بالاستقبال الناجح أو غير الناجح.
6. بعد تلقي إشارة تأكيد ، يرسل الهاتف المُدار التسلسل التالي أو يكرر الحالي.
7. عندما يتم استلام جميع التسلسلات بنجاح ، يجمع الهاتف المُدار مجموعة من البايتات من التسلسلات ، ويقوم بترميزها في أمر ، ويقوم بتنفيذها.

يتم إجراء نقل البيانات من هاتف مُدار إلى مدير وفقًا لنفس الخوارزمية.

الفيديو متاح هنا: https://drive.google.com/file/d/1Y4O5R1Hce0S_djni-B1k5_B9Lw7uRlyp/view؟usp=sharing


مثال: رجل في كهف على هاتفه الذكي في البرنامج يختار أمر "إرسال الرسائل القصيرة" ، ويدخل رقم الهاتف الذي تريد إرسال رسالة إليه ، ونصه. يتم تشفير جميع هذه البيانات عن طريق إشارات DTMF ، التي تنتقل في وضع النغمة عبر الأسلاك إلى السطح ، حيث يقوم هاتف آخر بفك تشفيرها وإرسال رسالة نصية قصيرة إلى الرقم المحدد عبر بطاقة SIM الخاصة به. مع ردود الفعل ، فإن نفس النمط هو نفسه تقريبًا: يستيقظ الهاتف بشكل دوري ، ويترك وضع الطائرة ، ويستقبل الرسائل القصيرة المتراكمة من المشغل ويخزنها في غرفة الانتظار الخاصة به حتى يأتي أمر خدمة "أعطني SMS" من الكهوف. كل ما يتراكم ، ينقل الهاتف الذكي أسفل الخط.

امدادات الطاقة

المجمع بأكمله خلال الحملة يجب أن تأكل شيئا. لا توجد مشكلة في تشغيل الهاتف تحت الأرض - فلكل من الهاتف وجهاز الإرسال والاستقبال لديهما بطارية مدمجة ، أثناء الاستخدام ، لا يكون الاستهلاك كبيرًا جدًا ، وبقية الوقت الذي يتم فيه إيقاف تشغيلهما. بفضل قوة الهاتف "السطحي" الذي يتم التحكم فيه ، يكون الموقف أكثر تعقيدًا: فهو بحاجة إلى البقاء في حالة عمل لمدة أسبوعين على الأقل.

إذا كان الهاتف الذكي سيستمع باستمرار إلى الخط ، وحتى متصلاً بشبكة GSM ، فسيستمر لعدة ساعات ، ولن تعمل اللوحة الشمسية على حل هذه المشكلة ، لأنها توفر طاقة أقل مما يستهلكه الهاتف الذكي ، ولن يمد بنك الطاقة سوى وقت العمل ليوم واحد اثنان اضطررت إلى إنشاء وضع الاستعداد الذي لم يتم استغلال الخط فيه ، وكذلك تشغيل وضع الطائرة. بعد 5 دقائق من عدم النشاط ، ينام البرنامج ويستيقظ كل 10 دقائق لمدة 15 ثانية ، في انتظار إشارة تنبيه خاصة. يتم إيقاف تشغيل وضع الطائرة 6 مرات في اليوم لمدة 10 دقائق لتلقي الرسائل القصيرة. المشكلة هي أن إدارة وضع الطائرة تتطلب حقوق التطبيق المرتفعة التي لا يمكن الحصول عليها دون تأصيل الهاتف. جميع الوظائف الأخرى للتطبيق ، والتي لا تتعلق بتوفير الطاقة ، لا تتطلب حقوقًا مرتفعة وتعمل على أي هاتف يعمل بنظام Android 4.1 والإصدارات الأحدث.

الاختبارات الميدانية والخطط

في هذه البعثة ، قام بيتر وفريق من التجاويف باختبار الأجهزة لأول مرة في هذا المجال. بالطبع ، كانت هناك بعض المشاكل. تمت كتابة التطبيق بسرعة كبيرة ، على الركبة ، لأن الحملة كانت تنفد من الوقت.

كانت هناك مشكلتان كبيرتان للبرامج ، المشكلة في مصدر الطاقة للأجهزة "السطحية" وختم المجمع "السطحي" ، المشكلة في الموصل. كان الرجال جاهزون لمعظم المشكلات واستخدموا خيارات النسخ الاحتياطي المعدة مسبقًا ، مع وجود شيء للارتجال أثناء التنقل. بطريقة أو بأخرى ، نجح النظام ، وتمكنا من إجراء اختبارات كاملة. قامت المجموعة الثانية ، المتبقية في قاع الكهف ، بالتحقيق في الصعود الأول بعد رحيل الجزء الرئيسي من البعثة ، وأفادت عن النتائج ، وتعلمت أيضًا الطقس الحالي وتوقعاته. تم حل جميع المشكلات وأوجه القصور التي تم اكتشافها تقريبًا بسهولة وقمنا بتصحيحها من أجل الرحلة التالية إلى Snezhnaya ، والتي جرت في ديسمبر 2018 - يناير 2019.

خلال الاختبارات ، اكتشفنا الحد الأقصى لمعدل نقل البيانات المستقر. لا يختلف عن السرعة القصوى المستقرة التي يتم الحصول عليها في ظروف المختبر عند توصيل الأجهزة مباشرة مع بعضها البعض. لم يتم تشويه الإشارة المرسلة عبر خط الاتصال الممتد عبر الكهف بأي شكل من الأشكال ، ولم يلاحظ أي ضجيج دخيل من حجم مماثل. قليلا فقط مع عمق النسب انخفض حجم إشارة. نظرًا لمشاكل البرامج ، كان من الممكن أيضًا التحقق من التشغيل في ظل ظروف إشارة متقطعة مشوهة "متعثرة" ، والتي لا يمكن من خلالها تحقيق انتقال ناجح للوهلة الأولى. ومع ذلك ، كان من الممكن تحديد وضع التشغيل الذي يتم فيه دعم الاتصالات بين الجهازين - حتى في ظل هذه الظروف - يشير هذا إلى الاستقرار المحتمل للغاية لبروتوكول النقل الذي أنشأناه.

تم التخطيط أصلاً لاستخدام بنك طاقة لتشغيل الهاتف العلوي. اتضح أن بنك الطاقة الذي قمنا بشحنه الهاتف إلى 100 ٪ وتوقف. لتهيئة الشحن مرة أخرى ، كان عليك إزالة السلك من بنك الطاقة وإدخاله مرة أخرى ، وإلا فإنه لم يفهم أن الهاتف قد جلس وأن الوقت قد حان لإسقاط الطاقة مرة أخرى. بقي بضعة أيام قبل الرحلة. لم أتوصل إلى شيء أفضل من خداع اردوينو.


فيديو: cloud.mail.ru/public/76ay/F5xinJZQi

وفقًا لجدول Arduino ، كل ثلاث ساعات ، باستخدام مرحل ، قطعت القناة + 5v لكابل USB الخاص ببنك الطاقة من بنك الطاقة وأعادت تشغيلها بعد 15 دقيقة. في البداية ، كان يتم تشغيل اللوحة بواسطة 4 بطاريات AA ، ثم قاموا بتكييف حجرة البطارية مع أربعة بنوك من 18650. واتضح أن هذا هو الحلقة الأضعف ، لأن البطاريات هي التي قامت بتشغيل Arduino والتي جلست أولاً. لكن بعض الوقت عملت. غيرت المجموعة الأولى من البعثة ، التي صعدت إلى السطح ، البطاريات ، وعمل النظام لمدة أسبوع آخر.

نواصل تجاربنا: هناك نسخة صالحة من هاتف المتبرع ، حيث يتم وضع كتلة كبيرة بها 18650 من خلال فتحة في السكن ، والهاتف في وضع الاستعداد ولم يتم شحن البطاريات إلا بعد 26.5 يومًا!





لذلك ، من المحتمل أن نتخلى في المستقبل عن الألواح الشمسية ، والتي تعتبر أيضًا حلقة ضعيفة: يمكن غبارها بالغبار أو الثلج ، مع رش الأوساخ. خلال الأسابيع الثلاثة للبعثة مع جهد التشغيل 4.6 فولت من البطاريات لجهاز الإرسال والاستقبال ، تم تفريغ "العلوي" إلى 3.8 فولت ، و "أقل" إلى 4.1 فولت.

لا يعرف الإصدار الحالي من جهاز الإرسال والاستقبال الخاص بنا كيفية العمل مثل الهاتف العادي. نريد وضع اللمسات الأخيرة على المخطط بحيث يمكنك استخدام جهاز الإرسال والاستقبال بدون هاتف ذكي في وضع "هاتف الكهف" المعتاد: اضغط - قل ، حرر ، استمع.

الآن يدعم البرنامج فقط استقبال الرسائل القصيرة وإرسالها ، بالإضافة إلى عدد من أوامر الخدمة. لا يفرض بروتوكول نقل البيانات أي قيود ، باستثناء عرض النطاق الترددي ، لذلك فمن السهل نسبيًا برمجة تنزيل تنبؤات الطقس من الإنترنت أو ، على سبيل المثال ، إرسال رسائل إلى مراسلة فورية. لسوء الحظ ، فإن سرعة النقل ليست كافية للوصول الكامل إلى الإنترنت ونقل الصور. تبلغ السرعة القصوى الثابتة الآن حوالي 6 بايت في الثانية. على قناة مستقرة ، يستغرق إرسال أو استلام رسالة قصيرة واحدة في 160 حرفًا السيريلية حوالي دقيقة واحدة.

بالنسبة للبعثة الاستكشافية التالية ، نخطط لاستكمال البرنامج من خلال إضافة الوظائف المفقودة إليه وتصحيح الأخطاء ، بالإضافة إلى إعادة صياغة نظام الطاقة للمجمع "السطحي". نفذت بالفعل وظيفة رنين الخط - مرة واحدة في الدقيقة ، يتم إعطاء إشارة خدمة للتحقق من وجود فواصل. لقد أضفنا أيضًا وظائف الخدمة مثل ضبط السرعة اليدوي ، إعادة التشغيل القسري ، وغيرها من الأشياء الصغيرة. ربما بعد ذلك سوف نجعل الهاتف متصلًا ومعرفة توقعات الطقس. أرغب في توصيل محطة الطقس الخاصة بي بهاتف سطحي ، يتم تجميعه ، ربما ، بناءً على Arduino وإرسال بيانات محدثة من أجهزة الاستشعار أسفل الخط.