Täglich fallen weltweit Hunderte Radiosonden bzw. Wetterballone vom Himmel. 2019 ging es am AEQ-WEB YouTube Kanal bereits um das Thema Radiosonden. In einem Video ging es um die verschiedenen Sonden-Modelle, den Aufbau und auch um die Werkzeuge, mit denen man solche Wettersonden orten und aufspüren kann. Nachdem einige Abonnenten bereits eine oder mehrere Sonden in ihren Besitz nehmen konnten, ist es an der Zeit, etwas mit diesen Sonden zu basteln. In diesem Artikel geht es um das Aufspielen einer neuen Firmware, was ermöglicht, die Sonde (Vaisala RS41) anderwärtig speziell für den Amateurfunk zu verwenden. Als Firmware kommt die umfangreiche Software von OM3BC zum Einsatz.

Folgende Tools werden benötigt:

Aufbau der Sonde (RS41)

Die Sonde besteht aus einer Platine mit vielen einzelnen Komponenten. Gesteuert wird alles zentral über einen Mikrocontroller, der mit einzelnen Komponenten wie GPS, Sender, Sensoren usw. kommuniziert. Die Energieversorgung kommt aus zwei 1,5 Volt Lithiumbatterien. Aufgrund des geringen Gewichtes und der größeren Kapazität eignen sich diese Zellen besser als herkömmliche Batterien. Selbstverständlich kann das System aber auch mit herkömmlichen Alkaline Batterien betrieben werden. Über den XData Anschluss kann der Mikrocontroller mit einer neuen Software bespielt werden. Im Anschluss wird die Sonde am gleichen Port angeschlossen, aber auf anderen Pins über die serielle Schnittstelle konfiguriert.

Oberseite

Auf der oberen Seite der Platine befindet sich direkt unter dem Batteriehalter der Mikrocontroller (STM32F100C8T6) von STMicroelectronics (1). An der linken Seite nach dem Batteriehalter befindet sich der Anschluss für die externen Sensoren (2). An der rechten Seite befindet sich ein Taster (3) zum Einschalten der Sonde. Direkt unter dem Taster befindet sich die Spule der NFC-Antenne (4). Direkt über der Sendeantenne befinden sich zwei LEDs (5), die den aktuellen Status der Sonde anzeigen.

Unterseite

Auch auf der unteren Seite befinden sich zahlreiche ICs und Speicher. Links mittig befindet sich eine kleine GPS-Antenne (6). Nicht weit von dieser Antenne entfernt befindet sich der GPS-Controller (7) von U-Blox (UBXG6010), der seriell mit dem Hauptcontroller kommuniziert. Auf der rechten Seite befindet sich die Sendeeinheit (8) für die Datenübertragung. Hier kommt ein Controller von Silicon Labs (SI4032) zum Einsatz, der Funksignale von etwa 300 bis 900 MHz aussenden kann. Ganz rechts außen befindet sich der 10-Polige Anschluss zum Programmieren der Sonde.

Was man mit der Sonde machen kann

Grundsätzlich bieten sich hier sehr viele Möglichkeiten an, wie die Sonde weiterverwendet werden kann. Häufige Anwendungen sind Funk Temperatur Sensor, GPS-Tracker oder APRS Anwendungen. Die Firmware von OM3BC ist speziell für Funkamateure ausgerichtet, die im 70 cm Band etwas APRS machen wollen. Entweder kann die Sonde APRS Nachrichten mit der aktuellen Position aussenden oder auch Sensordaten via CW und RTTY übertragen.

Das Problem mit der Buchse

Ein sehr großes Problem ist der Programmierport (XData Buchse). Der Pitch (Rastermaß) liegt hier nicht bei 2,5mm wie üblich, sondern bei 2mm. Übliche Jumper Wire Kabel, wie man sie aus der Arduino-Welt kennt, passen hier nicht rein. Entweder biegt man den Anschluss entsprechend auf und nimmt die herkömmlichen Jumper Wire Kabel oder man lötet einfach die Kabel entsprechen an. Dennoch kann der passende Stecker bei diversen Fachhändlern bestellt werden. Die genaue Type lautet: Amphenol 89361-710SLF.

Firmware Flash

Damit die Sonde privat weiterverwendet werden kann, muss die Firmware geändert werden. OM3BC hat hier eine entsprechende Firmware entwickelt, die über den ST-Link Programmer auf die Sonde geflashed wird. Die Firmware wird über die Software STSW-LINK009 (ST-Link) auf die Sonde geladen werden.

1. ST-Link installieren

ST Link ist die Software, mit der das Programm von OM3BC auf die Sonde geladen werden kann. ST-Link wird kostenlos von der STM-Webseite heruntergeladen und installiert. Anschließend kann der Programmer-Stick per USB an den Rechner angeschlossen werden. Möglicherweise kommt eine Meldung, dass die Firmware am Programmer veraltet ist und aktualisiert werden muss. Die Aktualisierung kann direkt über diese Software durchgeführt werden. Anschließend wird die Sonde für die Programmierung geöffnet und vorbereitet.

2. Radiosonde am ST-Link Adapter anschließen

Wie bereits erwähnt, ist der Anschluss an den Programmer oder auch TTL-Adapter etwas umständlich. Wird die Sonde über die Batterien mit Spannung versorgt, werden für das flashen nur drei Leitungen benötigt: 10=GND, 9=SWIDO, 8=SWCLK.

3. Memory Protection aufheben

Hat ST-Link den Mikrocontroller erkannt, kommt in der Regel eine Fehlermeldung, dass der Speicher nicht gelesen werden kann. Der Hersteller hat hier einen Schutzmechanismus aktiviert, der das Auslesen der Software unmöglich macht. Da die Firmware sowieso überschreiben wird, ist diese Warnung hinfällig.

Leseschutz aufheben

Unter Target->Option Bytes öffnet sich ein Fenster, wo ganz oben die "Read Out Protection" auf "Disabled" gesetzt wird. Anschließend werden im gleichen Fenster alle Checkboxen unter "Flash sectors protection" entfernt. Dazu einfach auf "Unselect all" klicken und mit "Apply" abspeichern und schließen.

4. Hex File öffnen

Das gesamte neue Programm von OM3BC für die Sonde bekommt an als HEX-File auf seiner Webseite. Dieses File (rtty.hex) wird anschließend über ST-Link Utility geöffnet.

5. Hex File Downloaden

Über das Menü "Target"->"Programm..." wird der Uploader geöffnet. Der Pfad zur HEX-Datei sollte bereits richtig ausgefüllt sein. Durch einen Klick auf [Start] wird der Uploadvorgang gestartet. Die Sonde und der Programmer blinken während dieses Vorgangs auffällig. Anschließend ist der Flash-Vorgang abgeschlossen und die neue Software befindet sich am Mikrocontroller.

6. Serielle Verbindung vorbereiten

Nachdem die Software erfolgreich hochgeladen wurde, muss diese nun konfiguriert werden. Auch hier wird wieder über den XData Anschluss eine serielle Verbindung hergestellt. Entweder nimmt man dafür einen Mikrocontroller wie den Arduino Uno, oder man hat einen Computer zur Hand, der noch über eine serielle Schnittstelle verfügt. Eine weitere sehr bequeme Lösung ist ein USB-to-TTL Wandler. Dieser Adapter wandelt die USB-Schnittstelle in eine serielle RS232 Schnittstelle um. Achtung: Die Sonde arbeitet mit einer Logic-Level-Spannung von 3,3 Volt. Einige Adapter arbeiten mit dieser Spannung bzw. ist die Level-Spannung einstellbar. Sollte die Level-Spannung bei 5 Volt sein, so kann man einen einfachen Spannungsteiler auf die TX-Leitung vom TTL-Wandler legen, um die Spannung auf 3,3 Volt zu reduzieren. Nähere Infos dazu auch im Artikel: Spannungsteiler. Die folgende Grafik zeigt die notwendige Verdrahtung für eine serielle Verbindung. Auch hier muss die Sonde eingeschaltet sein und über die Batterien mit der Betriebsspannung versorgt werden.

7. Sonde Konfigurieren

Um auf die Sonde zugreifen zu können, wird ein Terminal benötigt. Putty ist eine sehr beliebte Software, die für solche Anwendungen gut geeignet ist. In Putty oder einem anderen Terminal Client muss der entsprechende COM-Port ausgewählt werden und die Baud-Rate auf 9600 Baud gesetzt werden.

Serielle Befehle

Über den Befehl "help" gibt die Sonde alle möglichen Konfigurationsbefehle aus, die verwendet werden können. Wichtig ist der Befehl "DISP", der die aktuelle Konfiguration ausgibt. Nach jeder Einstellung neuer Parameter muss der Befehl "SAVE" gesendet werden, damit die Einstellung auch dauerhaft gespeichert bleibt. Eine Liste mit allen erklärten Befehlen findet man hier: OM3BC RS41 Firmware & Commands

Radiosonden haben ein Funkmodul verbaut, das nicht für den Betrieb im ISM-Band zugelassen ist. Für eine erneute Inbetriebnahme ist daher eine Amateurfunklizenz erforderlich.
Ein erneuter unangemeldeter Sondenaufstieg ist strafbar und muss vorab bei der zuständigen Luftfahrtbehörde angemeldet werden.