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连载:DIY适用于高可靠应用的遥控器和接收器
虎哥2017/08/14正能量研究 IP:四川
对于成套遥控器与接收器(以下简称遥控器)的呼声由来已久。数年前,航天局曾拨款近万元做一款遥控器来进行火箭点火控制,但经费打了水漂。多少年来,爱好者不论做危险的还是安全的实验,总是离不开433模块,汽车钥匙(形状的)遥控器。这个看起来、想起来都不算太难的玩意儿,竟然这么多年没有适用于KCer的产品,真是十分奇怪。

为了搞清楚到底难在哪里,科创实验室打算真实的做一遍,如果真的那么难,那我也认了。

本帖从需求分析、产品定义开始,到方案选取、设计制作过程和实际测验为止,不定期更新。欢迎大家出谋划策,讨论方案。

[修改于 6年11个月前 - 2018/06/16 22:25:57]

来自:电子信息 / 电子技术电子信息 / 无线电
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~~空空如也
虎哥 作者取消置顶
4年5个月前 IP:四川
887817

这个产品已上市

https://www.kechuang.org/t/84428 

虎哥作者
7年9个月前 修改于 7年9个月前 IP:四川
838196
楼上各位的发言很有意义,我按照研发步骤归纳一下。
设想该遥控器的主要应用场景是火箭发动机点火,以此为例看下需要具备哪些特点。
根据主要应用场景,可以推断该遥控器的核心特点是:不可误动作。
重要的特点包括:适当的作用距离,不拒动,抗干扰,足够的待机时间和尽量低的功耗,实时性尚可。
一般的特点包括:丰富的输出接口类型,便于接驳后续执行机构;体积适中,有一定的防护能力(防水、防震、防雷);对其它用户干扰小,不易被侦察;成本不能太高。
其实,以大疆为代表的主流无人机厂商已经完成了其中差不多一半的工作,比如无线部分目前普遍采用跳频+扩频的通信体制,数据经过了基本的加密,具有较强的隐蔽性和抗扰性,也不易欺骗。仅就无线通信部分而言,要想做到同等水平,成本不低。
上述这些特点还需要翻译成具体的技术指标,这在今后探讨。
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虎哥作者
7年9个月前 修改于 7年9个月前 IP:日本
838200
在探讨系统设计方案之前,我们先看看市面上有些什么东西。

淘宝搜索,很容易发现一些产品。

这是最常见的产品,无线模块和MCU/解码芯片、继电器等构成接收机,与之匹配的无线模块做发射机。价格约几十元。该设备只提供继电器触点,如果用于点火还需要另配点火电源。它的抗干扰能力取决于用什么无线模块,图中采用的超再生ASK方案(右侧立着插的板子),众所周知,这种方案是不可靠的。当然,如果换成FSK,PSK或者LoRa模块,能够提升可靠度。稳定性则需同时看大电路板的方案。至于电路是否可能泄漏不该有的脉冲导致误动作,这是一个复杂的话题,以后再专门探讨。
4.jpg
下图是一个礼花控制器,用于有序的控制升空类烟花的燃放。这类烟花由于装药量大,需要较高的可靠性,尤其不能误动作。这种控制器没有拆机图,不便分析。据我所知,稍微有钱的烟花公司会采用国外进口的控制器。
1.jpg
下图很可能就是上述遥控器的瓤子,价格不到100元。需要注意它依然使用了声表振荡器,性能必然是极差的。
3.png
在淘宝检索,这类民用触点输出的遥控器,没有品质优良的,结论是完全不可用,除非作死。但是,要想价格几百元以内,恐怕也想不到更好的方案。如果批量不大的话,企业精心设计就意味着比较贵,于是更卖不掉,还不如不做。可以认为,淘宝上没有符合我们要求的在先产品。

转而看看民爆领域
3.jpg
请尽量忍住别笑。人家这样做必然有人家的道理,这款产品是有真实销量的,在一定程度上,需求决定供给。就其遥控器的外观而言(两个汽车钥匙样子的东西),似乎不靠谱。但为什么是两个遥控器呢?因为必须两个遥控器按照程序分别按下才起爆——用最便宜的方案提高了可靠性。

国内还有没有更好的民用产品,我不太清楚,也许1429版主和从事民爆行业、烟花行业的网友能提供一些资料。

民用不行,我们看看军用的。

在我国,现役军用品的资料比美军少多了。不违规的情况下,只能怀旧。
5.png
6.png
上面两图是82式遥控起爆器的外观,见《轻兵器》12年14-15期。由于年代过于久远,不予置评。

据我所知,现役有一款遥控起爆器,采用了跳频技术,各方面性能,除了起爆输出和火箭点火的要求有些差别外,应该是超过我们要求的。但是这东西不太好买,而且很贵。所以不能作为一款爱好者用的产品的参考。

国内没有“竞品”,那就去国外看看。
国外首先颜值就高不少,比如这家美国的爆破和排爆器材公司。
7.jpg
还发现一家有意思的公司,居然是巴铁的!
10.jpg
比如这款
1.png
这个产品很贵,大概一万多美元。这里有它的产品介绍。

attachment icon RDS Presentation-19SEP14.ppsx 6.51MB PPSX 145次下载
可以参考这个介绍找一找设计的灵感。。。额。

从目前了解的信息来看,自己DIY一套基本上属于唯一选择,谁让我们是爱好者呢。
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虎哥作者
7年9个月前 IP:四川
838244
@ry7740kptv 其实被其它模块同频干扰导致误触发的机会很小:除非用以前那种只有8个地址码的,或者买回的模块用默认的不改。更可能出现问题的是电路的不稳定。
另外@amo 同学,干脆你做一个遥控器算了,造福坛友。我这个比较复杂,一时半会儿出不来。
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虎哥作者
7年9个月前 修改于 7年9个月前 IP:四川
838270
@cccyl 这两年1278是非常有竞争力的方案,模块很多,自己做也行。但是我没找到安全方面确切可靠的资料(其实是还没找)。在私有定制协议还是采用现成单芯片方案之间,还要研究下。
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虎哥作者
7年9个月前 修改于 7年9个月前 IP:四川
838319
接下来看看一个遥控系统通常应该具有哪些部分。
1.png
这张图包含五个设备,如果暂时不考虑带*号的“提高”部分,那么包含三个基本部分:
人机界面(任务接口)、执行接口、通信机。
任务接口把人的需求,翻译成数据指令,通过通信主机发射,经过电波传播,传送到通信从机,通信从机把数据指令告诉执行接口,由执行接口翻译成执行器能够响应的信号。必要时,系统也可以把执行的结果及其它必要的遥测数据反向发送。

通信主机和通信从机其实就是数传电台。如果仅限于单向,则分别是发射机和接收机。如果需要双向通信,则需要收发信机。数传电台有许多不同的体制,从定频率的ASK到基于数字调制的跳频扩频,或者LoRa、wifi等一揽子解决方案,具有各自的优缺点,通常根据最困难的应用场景来权衡选择。

人机接口最容易产生“风格”。对于点火器来说,可以是一台电脑(用串口等数据口连接通信机),一个MCU为核心的操作界面,或者一些简单的机械开关和逻辑电路。

执行接口需要根据具体的用途而定。对于军事爆破,通常需要考虑一定数量的串联电雷管的起爆,需要升压储能电源;对于采用点火头的火箭点火,如果是烟花点火头,只需要触点+干电池,如果是大电流桥丝的点火头,则需要较强的负载能力,可以只提供触点,而电源(锂电池组)由用户自备。对于其它一些执行器,比如电磁阀门(在液体火箭测试中常见),则需要根据这些阀门的驱动要求提供能源,比例阀还要更复杂一些。也可以考虑做一款通用的产品,把上述这些需求都囊括进去,电路就会比较复杂。
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虎哥作者
7年9个月前 修改于 7年9个月前 IP:四川
838421
引用 1139872424:
单个遥控模块似乎比较容易出问题。。。
不好意思,其实昨天图稍微简单了一点,如果把两个接口细化,可以分离出数据处理环节。
1.png
也就是说,通信模块(通信机)只需要用尽量高效和可靠的方法传输数据就行了,整个系统的误动风险,与通信机没有直接关系。对数据的加解密和两个接口本身的防误动性能,才是系统的关键,这里串联开关是有效的,后面我会探讨这个话题。相反,正如楼上所言,要担心的是因为无线信道的固有不确定性而带来的拒动风险,所以无线模块多个并联更合理。
当然实际设计中我们把一个通信机做到足够好就行了,不必采用并联的方式。
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虎哥作者
7年9个月前 修改于 7年9个月前 IP:四川
838564
最近事情有点多,更得慢。

关于通信机用什么方案,这个怎么说呢,就我对行业目前技术状态的了解,不用多想,就应该选LoRa。如果非要按流程做“方案比选”的话,老式ASK方案显然是不行的。除了LoRa当然还有很多方法:

(1)基于比如SI4432之类芯片制作FSK,PSK通信机。
(2)采用传统数字收发信机电路制作一种定制化的数传电台。
(3)基于9361之类制作一种可以软件定义的通信机。
(4)基于丰富的FM对讲机改装FFSK、DTMF之类,也可以APRS。
(5)……

不想废话它们针对这个遥控器而言的优劣了,就LoRa吧。

LoRa芯片资料:


attachment icon SX1276中文数据手册.pdf 4.72MB PDF 687次下载 预览
关于射频怎么做,这种低频小功率对科创实验室而言没什么难度,以后细讲。这个难点可能在跳频方案。

LoRa在本项目中也有不少缺点,主要是:速率慢,以至于延迟大。作为点火器,延迟越短越好,个人认为可以接受的极限是1秒。(控制爆破中的时序起爆要采用另外的办法)

经修订以后的系统组成结构图如下:

1.png
图中的东西不一定都有,最下面一排基本都是可选的。具体需要包括哪些东西,大家可以发表看法。

特别说一下,通信机支持双向传输,但是考虑到电磁兼容的要求,必须主机问的时候从机才能答。传感器和监视触点用来感知现场环境以及执行器的工作状态。设备上的机械开关均使用双刀开关,其中一刀就是“监视触点”,也就是说,在遥控器上可以看到接收机各开关的状态,电池电压,以及其它必要的消息(比如可以包含线路电桥,以便遥测线路电阻)。
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虎哥作者
7年9个月前 IP:四川
838605
引用 航模发烧友:
应答握手模式呢?比如 发信息到接收端,然后接收端回复信息给发射端, 发射机接收到信息后,显示 接收机受到信息,在点击 再返回,信息,直至 到达发射命令, 每次都更换密码
需要握手的协议具有较高的安全性和可靠性,但是对于遥控器应用而言,照例存在如下问题:
1、如果一点对多点,就会丧失实时性(不过本帖中的遥控器不需要对多点);
2、如果想通信较远距离,从机也需要较大的发射功率,会增加设备复杂度和电源消耗;
3、对于某些特殊用途(比如军事),增加暴露从机位置的风险;
4、因为主机也可能受到干扰,整个系统的抗干扰能力下降;
5、从机靠近电点火网络,如果发射强度较大,可能引起电磁兼容问题。

该项目中,从机也有发射功能,但只配置较小的功率,且主机不问,从机不答。遥控通信不打算使用需要握手的协议。因为是单向传输的,为了提高安全性,也要采取比较复杂的措施。
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虎哥作者
7年4个月前 修改于 7年4个月前 IP:四川
842830
引用 拔刀斋:
航电系统确实应该包含触点或者点火信号输出功能,要是液体发动机就更复杂,航电系统与液机的控制器(液机、储槽及各种控制装置为独立单元)之间需要有通信协议。这需要做一些总体研究。

不过现在KC316停产,尚无通用航电系统产品的研制计划,只有下一步考虑了。
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虎哥作者
7年4个月前 IP:四川
842831
引用 韩笑:
您说得非常好,这是靠谱的方案。
目前从系统的经济性和可靠性等多方面权衡,采用方案是单CPU驱动,抗震继电器组方式,为了提高安全性,设有一个机械保安开关,在一切准备就绪后才接通点火电路。保安开关必须是不可能焊死或者有异常能够立马发现的,这就不能使用普通钮子开关。
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虎哥作者
7年3个月前 修改于 7年3个月前 IP:四川
843561
据路边社消息说样机已经在进行应用测试了,采用了CPU+CPLD的结构,CPLD有逻辑锁,继电器上也有逻辑锁。
不算人工成本的话,研发成本并没有花到传说中的8000元😂
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虎哥作者
7年3个月前 IP:四川
843712
引用 helium:
航模遥控器的安全性是有保障的。只是应用的问题就萝卜白菜啦,据说高级产品经理常看这些书…
20171215_145640.jpg
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虎哥作者
7年1个月前 修改于 7年1个月前 IP:四川
845720
这个项目进展正常。经过两期实验,目前已经确定较好的方案,通信是LORA。高可靠接收器采用逻辑锁,正交三继电器方案,其安全性按照满足军用需求设计。中等可靠性接收器采用单继电器或MOS管开关方案,满足一般的民用设备遥控需求。
下图是遥控发射器的外壳中框部分设计图,已经发给模具厂,到时候挤出对应的型材,然后由CNC进行修饰加工,成本比较折中。
1.png
接收器考虑是易耗品,所以外观会做得简单一些。高可靠接收器会先做出来,随后会有价格较低的中等可靠性接收器。
为了支持国货,接收器打算采用国产CPU和CPLD。
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虎哥作者
6年11个月前 IP:四川
847115

这个项目目前仍然在进展中。电路其实没什么问题,就是模具太慢了。

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虎哥作者
6年11个月前 IP:四川
847444

给大家看看新鲜出炉的接收器板子,接收器带发射功能,必要时可以无线回调监测数据(带点火网络电阻测量功能)。

20180626_225157.jpg

 

20180626_225737.jpg

 

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虎哥作者
6年11个月前 IP:四川
847718

遥控器外壳的原料到了。把它切片,装上前后盖板,即得。为了品质,没有开螺丝槽,需要钻孔攻丝。

20180705_131011.jpg

 

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虎哥作者
6年11个月前 IP:四川
847831
引用phpskycn发表于58楼的内容
接收器只有一个safe指示灯是否略为不妥,个人觉得需要指示电源状态、发射状态、接受状态

咦,我的图片上明明有5个指示灯啊😲

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虎哥作者
6年8个月前 IP:四川
850895

该遥控器的发射器,快要造好了。

20180921_192043.jpg

 

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虎哥作者
6年8个月前 IP:四川
850898
引用ghosthd发表于65楼的内容
我还是觉得握手协议更可靠,也不难。参考60870协议,遥控主机预下发指令,接收从机重复指令应答,主机...

双向通信可以获得更高的安全性,但可靠性不一定增加。假设收、发信机故障概率一致,双向对称,采用双向通信,故障概率指数增加。

实际上您说的可靠性是参考互联网的“确保数据不出错误的能力”,或者说,一方知道对方有没有正确的收到数据,如果无法确认,则继续尝试,直到确保对方收妥。这种可靠性对于现代通信非常重要,但却不适用于遥控点火,因为点没点着,看看冒烟没有就知道了😂。此时,“不发生故障的能力”在可靠性中占的分量更多。毫无疑问,单向广播通信具有最高的可靠性。

一般来说,遥控的场景下双方是不对称的,比如从机端即使有发射机,也只采用较小的功率。如果是单向通信,主机端可以增加发射功率,在相同的距离下显著的提高场强,从而增加可靠性,降低接收机灵敏度,从而增加抗干扰能力。

本帖DIY的遥控器,具有双向通信能力,可以反馈点火情况,传输从机状态、电源电压等,甚至可以远程诊断线路电阻。但是这是备用措施,除非特别必要,是不用的。

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虎哥作者
6年8个月前 修改于 6年8个月前 IP:四川
850900
引用ghosthd发表于67楼的内容
ok,很服气。😀

双向握手有个明显好处是加密容易,随便搞个算法就能达到很高的强度。如何在单向广播的情况下做到高的加密强度,目前仍在研究。

……

通信和控制方面的主要安全考虑如下:

1、不能因非相关的干扰和内部数据异常而误动作(概率10e12分之一);

2、原本由甲遥控器负责遥控的从机,不能被乙遥控器触发(概率0);

3、从明确安全责任考虑,不允许多个遥控器同时控制一个从机,即使用户故意试图这样设置也不行;

4、攻击者录制任何时候的遥控信号(例如直接录制射频),任意组合,在任意可能的时间播放,都不应导致误触发,也不能导致攻击结束后无法触发(概率不超过10e8分之一);

5、攻击者进行“单片机破解”,并搞清楚了加密手段,或者整个收发程序均直接开源,然后根据程序研究出最优攻击方法,此时,从数学上看,仍然不会导致误触发或攻击后不动作(每连续攻击24小时,概率低于万分之一);

6、操作需简便,比如不能让用户每次使用前设置随机密码。

7、如果任意次遥控操作,从机未能收到信号,不能拒绝响应之后正确的遥控信号,也不能再响应上述没有收到的遥控信号(应对干扰+重放组合攻击,概率低于万分之一);因通信和控制原理而需要保留的拒动后安全间隔不超过1分钟。

在动作方面的主要安全考虑

1、在严酷温湿度环境下(-40~+65℃,0-100%)不能误动作,在一般环境(0-45℃,20-90%)下不能拒动。

2、电磁抗扰度一般情况符合工业控制设备的标准,对TC、“上分器”等干扰源有抵抗能力,从机有避雷措施,点火线路能承受浪涌,详细标准待定。

3、在工作时进行任意方向跌落实验(1.2m),不误动作,但允许损坏或拒动。

4、工作状态能承受一般震动,不发生误动作和拒动作,具体标准待定。

5、如果点火电路短路或有大电感,不能损坏从机,不能粘连触点。

6、动作装置有自诊断功能,可以发现影响安全的故障。

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虎哥作者
6年8个月前 IP:四川
850929
引用154454496发表于69楼的内容
说实话我感觉搞复杂了。一对2.4G模块加上简单的“对暗号”,几十块钱搞定,可靠性应该不错。实在不行就...

你说得非常有道理,但我们的目标略有不同,你希望简单便宜搞定,而我认为作为KC人,应当追求的是把“专业”、“极致”、“超越以往”、“定义未来”等等假大空的话变成现实。奥拓和奥迪都是代步工具,但不能说奥迪搞复杂了。

重放攻击是目前最常见的攻击手段之一,连稍有技术含量的偷车贼都掌握了,所以不得不防。

在单向通信时,通常的办法是采用时间相关的编码。不过它有点小问题,就是需要维持时钟或者经常对时。为了容忍时钟的误差,通常有几分钟以上的危险区。

另一个办法是用周期性重复使用的滚动码,不过它需要从机知道哪些码已经用过了,如果从机没有收到过的遥控信号被录下来,就很危险,因此它不能抗干扰+重放组合攻击。

攻击淘宝常见遥控器的方案(古代偷车贼常用),因为和本帖遥控器的体制根本不同,所以几乎不用考虑。然而,论坛上见过的所有简易遥控器都会完蛋的,还不如用航模的。

还需要考虑的是程序暴露的可能。现在解码一个单片机也就几百元到一两万元不等 ,如果一旦程序泄漏就置所有用户于危险中,则不是一个好的方案。通常,让用户产生一些因素或者利用随机因素结合进加密算法,并且这些因素在数学上无法通过截获有限的信号而反推得到,就能一定程度上解决这个问题。

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虎哥作者
6年8个月前 IP:四川
850949
引用拔刀斋发表于73楼的内容
要功能齐全可靠还是做双向传输+自身状态显示比较好。电源和点火头出问题导致瞎火的可能性较高,而且没有故...

目前已经考虑了远程诊断,如果用户认为有必要,可以发送诊断指令,随后从机会把状态信息发回遥控器,在液晶屏上显示。不过,在点火线路旁边发射是有风险的,因此该功能必须用户开启,不会自动执行。

但是要想回读其它传感器的数据,只有以后再考虑,更大可能是保持遥控器的独立性,不要用遥控器来传输额外数据。目前从机无数据接口,主机无存储卡(只能用USB或蓝牙连接电脑传输数据)。

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虎哥作者
6年5个月前 IP:四川
852869

最新进展:这个产品将在春节前发布。

20181213_234043.jpg

 

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虎哥作者
6年3个月前 IP:四川
855007
引用BSP发表于78楼的内容
断更了?

跳票了。

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虎哥作者
4年5个月前 IP:四川
887817

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