Self‐Contained SDR Grand Station with Raspberry Pi 3

©SIProp Project, 2006-2017 1
完全自立型Raspberry Pi地上局
今村謙之(JI1SZP)
noritsuna@siprop.org

参考資料
下記の資料を事前にお読みください
この資料はその拡張版となります。
5000円の予算で衛星無線の受信設備を整える
CWによる衛星のビーコンの受信
衛星の状態を取得できる
衛星の太陽光電圧の値
衛星のバッテリー電圧の値
衛星の加速度センサーの値
衛星の温度の値
https://www.slideshare.net/noritsuna/5000-
77691748

ラズパイ+PCによるリモート受信
Raspberry Pi
RTL-SDR
（ソフトウェア
無線機）
窓サッシ用
ケーブル
Wi-Fi接続
SDR
ソフトウェア
防雨ケース

参考資料で解説した機材

基本機材
SDR
RTL-SDR
http://www.rtl-
sdr.com/buy-rtl-sdr-dvb-
t-dongles/
アンテナ
Empire アンテナ
144/430MHz
http://amzn.asia/5QqaVSN
プリアンプ(LNA)
HiLetgo 0.1-2000MHz RF
広帯域アンプ
http://amzn.asia/cv99WM
W
メインPC
Raspberry Pi 3
http://amzn.asia/iQhJ
12f
防雨ケース
ウォルボックスシリー
ズ：WB-11DHM
http://amzn.asia/i0i96
NC

太陽光発電機材
12W太陽電池
太陽電池モジュール
１２ＷＳＹ－Ｍ１２Ｗ
－１２
http://akizukidenshi.com/
catalog/g/gM-08233/
12V/6Ah鉛蓄電池
完全密封型鉛蓄電池
１２Ｖ７．２ＡｈＬＯＮＧ
製ＷＰ７．２－１２
catalog/g/gB-04961/
太陽電池充放電コン
トローラ
太陽電池充放電コント
ローラＳｏｌａｒＡｍｐ
Ｂ（１２Ｖ１０Ａ）
catalog/g/gM-06606/
12V->5V /3A出力
DCDCコンバータ
ＯＫＬ－Ｔ／６－Ｗ１２
Ｎ－Ｃ使用小型高効
率ＤＣＤＣコンバーター
可変電源キット（降圧）
catalog/g/gK-07728/

WAN通信機材
3G/LTEドングル
docomo L-03D
https://www.nttdocomo.co.jp/support/trouble/data/l03d/
データSIM
So-net 0SIM
http://mobile.nuro.jp/0sim/

目次
完全自立型Raspberry Pi地上局
構成
電源スペック計算
セットアップ
Raspberry Pi
GNU Radio
Gqrx
OSイメージの使い方

完全自立型Raspberry Pi地上局とは？
Raspberry Piに衛星地上局に必要な機能と発電
機、WAN通信機能までを一式搭載し、単体で動
作可能な地上局
特徴
ベランダなどにも設置できる省スペースサイズ
防雨ケースに入れれば、屋外にも対応可能
通信を無線化できるため、リモートでの操作が可能
3G/LTEドングルを使えば、遠隔地からも操作可能
省電力であるため、太陽電池のみで動作し、ケーブルレスで
設置可能
太陽光さえ当たれば、どこにでも設置可能
SDR+GNU Radioなどの構成により、プログラマブルな衛星受
信が可能
全自動での衛星受信が可能
送信も理論的に可能であるが、電波法的にいろいろと制限があ
るため、きちんと調査の上ご利用ください

構成内容
メインPC
Raspberry Pi 3
小型で省電力
無線機
RTL-SDR
小型で安価
GNU Radio
Pythonによるプログラ
ミングが可能
電源
太陽電池+鉛蓄電池
本システムであれば十
分に電力供給が可能
外部電源不要！
通信
Wi-Fi
庭やベランダであれば
十分
3G/LTE回線
遠隔地に設置する場
合は必須
通信料&消費電力が
高いのが問題点
操作
VNC
リモート操作可能

完成図（太陽電池&3G/LTEあり）
18W太陽電池
ロッドアンテナ
DCDC
コンバータ
太陽電池充
放電コント
ローラ
鉛蓄電池RTL-SDR
LNA
防雨ケース
(鉛蓄電池を収納
するなら大型利用)
Raspberry Pi 3
3G/LTEドングル

GNU Radioベースの受信アプリ
指定された衛星の電波を、指定時刻に、指定さ
れた周波数＋ドップラーシフトでSDRを起動して、
受信するアプリ
スペック
SDRにより周波数はなど自在に設定できる
ネットから衛星の軌道リストを取得する
起動時刻を設定する
受信したIQデータを保存する
これらにより、自動での受信が可能となる

必要な電源スペック

ソフトウェアでできる省電力化
USB OFF = 0.5W減（「0」→「1」で電源ON）
HDMI OFF = 0.1W減
POWER SAVE = 0.02W減
1. sudo apt install libusb-dev
2. wget http://www.gniibe.org/oitoite/ac-power-control-by-
USB-hub/hub-ctrl.c
3. gcc -O2 hub-ctrl.c -o hub-ctrl-armhf-static -lusb -static
4. sudo cp hub-ctrl-armhf-static /usr/local/bin/hub-ctrl
5. sudo hub-ctrl -h 0 -P 2 -p 0
1. /opt/vc/bin/tvservice --off
1. echo "powersave"| sudo tee
/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_governor

電源スペック
消費電力
待機時：2.0W
GNU Radio使用時：5.0W
Gqrx使用時：5.2W
WiFi接続時：4.5W
3G/LTE接続時：+2.5W
ファン：+0.2～0.5W
1日に必要なバッテリ
待機：22h、利用:2h
=44Wh + 11Wh =55Wh/d
充電・ＤＣＤＣロス=20%
=66Wh
一日の充電可能時間
必要十分条件の機材
12W太陽電池
catalog/g/gM-08233/
12V/6Ah鉛蓄電池
catalog/g/gB-04961/
太陽電池充放電コント
ローラ
catalog/g/gM-06606/
12V->5V /3A出力
DCDCコンバータ
catalog/g/gK-07728/

Raspberry Piのセットアップ

Raspbianのセットアップ
セットアップ対象のLinux
「RASPBIAN xxx」
Debianをベースに作られたRaspberry Pi用Linuxディストリ
ビューション
Linuxディストリビューションとは、Linux KernelにモダンなOSとし
て必要なソフトウェアをパッケージングしたもの
OSイメージとして、公開されている
https://www.raspberrypi.org/downloads/raspbian/
「xxx」は、メジャーバージョンの名称。2年ごとに改訂
2012年版・・・Squeeze
2015年版・・・Jessie
2017年版・・・Stretch

OSイメージをSDカードに焼く 1/2
「焼く」とは？
OSイメージのセクター情報などをそのままにSDカード
にコピーする操作のこと
Linuxではdd(disk dump)というツールで行う
Windows用焼きこみツール
DD for windows
http://www.si-
linux.co.jp/techinfo/index.php?DD%20for%20Windows
ダウンロードしたOSイメージ
[日付]-raspbian-xxx.img

OSイメージをSDカードに焼く 2/2
DD for Windowsの使い方
1. 「DDwin.exe」を「管理者として実
行」する
2. 「ディスク選択」でSDカードを選
択する
3. 「ファイル選択」でOSイメージファ
イルを選択する
4. 「<<書込<<」を実行する

Raspbianを起動する
1. OSイメージを焼いたSDカードを、Raspberｒｙ Pi
に刺す
2. LANケーブルを接続する
3. USBキーボード&マウスを接続する
4. HDMIケーブルでHDMIディスプレイと接続する
5. USBコネクタタイプのACアダプタを接続する
• 電源スイッチなどはなく接続すると電源がOnになる
• 起動したら、ログインする
• ユーザ名：pi
• パスワード：raspberry

raspi-configでRaspbianの設定をする
「raspi-config」
Raspbian特有のハードウェアやソフトウェア用の設定
ツール
設定項目

「raspi-config」を実行する
読み方
pi@host
ログインしているユーザ名@ホスト名
:~
セパレータ
$
ユーザの状態
$・・・一般ユーザ
#・・・スーパーユーザ(root)
これ以降
実際に入力するコマンド
1. sudo raspi-config

ユーザのパスワードを変更する
初期状態
ユーザ名：pi
パスワード：raspberry
設定方法
「1 Change User Password」

ホスト名（PC名）を変更する
初期状態
ホスト名：raspberrypi
設定方法
「2 Hostname」

言語設定を変更する
初期状態
us_GB.UTF-8
設定方法
「4 Localisation Options」 -> 「I1 Change Locale」 ->
「ja_JP.UTF-8」

時刻設定を変更する
初期状態
GMT（グリニッジ標準時間）
設定方法
「4 Localisation Options」 -> 「I2 Change Timezone」 -
> 「Asia」 -> 「Tokyo」（JST:日本標準時間）

SDカードの拡張を行う
初期状態では、2GBしかディスクが使用できない
全てのディスク領域を使用可能にする
設定方法
「7 Advanced Options」 -> 「A1 Expand Filesystem」

NTP

NTP(Network Time Protocol)を設定する
Raspberry Piは、RTC(Real Time Clock)を持って
いないため、電源が切れると時計がリセットされ
る
ネットワークによる時刻同期を行う
NTPが一般的に使われる
NTPクライアントをインストールする
1. sudo apt install ntpdate

NTP(Network Time Protocol)を設定する
毎時5分に定期実行する
最後の行に追加する
起動時に実行する
最後の行に追加する
1. 05 * * * * /usr/sbin/ntpdate ntp.nict.jp
1. /usr/sbin/ntpdate ntp.nict.jp
1. sudo crontab -e
1. sudo nano /etc/rc.local

自動アップデート

自動セキュリティーアップデート
世界的には毎日ようにセキュリティーホールが発
見され、毎週のようにセキュリティーパッチが公
開されている
サーバ管理者は、公開されたセキュリティーパッチを
当てないといけない
これらを自動で当てるようにする
インストール
1. sudo apt install unattended-upgrades

自動セキュリティーアップデート
設定
/etc/apt/apt.conf.d/50unattended-upgrades
セキュリティーパッチのみを当てる
リブートが必要な場合、夜中の2時にリブートする
1. Unattended-Upgrade::Origins-Pattern {
2. "origin=Debian,codename=${distro_codename},label=Debian-Security";
3. };
4. Unattended-Upgrade::Automatic-Reboot "true";
5. Unattended-Upgrade::Automatic-Reboot-Time "02:00";
1. sudo nano /etc/apt/apt.conf.d/50unattended-upgrades

ログのRAMディスク化

SDカードは書き換え上限が低い。そこで余計な
書き込みをしないように設定を変更する
1. ログをRAMディスクに書き込むようにする
2. ext4のジャーナルログを無効にする
/etc/fstab に下記を追加する
現在のログを削除する
1. tmpfs /tmp tmpfs defaults,size=8m,noatime,mode=1777 0 0
2. Tmpfs /var/tmp tmpfs defaults,size=4m,noatime,mode=1777 0 0
3. tmpfs /var/log tmpfs defaults,size=8m,noatime,mode=0755 0 0
1. sudo rm -fr /tmp
2. sudo rm -fr /var/tmp

起動時に必要なディレクトリを作成する
/etc/rc.local
1. mkdir -p /var/log/apt
2. mkdir -p /var/log/fsck
3. mkdir -p /var/log/ntpstats
4. mkdir -p /var/log/samba
5. chmod 750 /var/log/samba
6. chown ntp:ntp /var/log/ntpstats
7. chown root:adm /var/log/samba
8. touch /var/log/btmp
9. touch /var/log/lastlog
10. touch /var/log/wtmp
11. chmod 600 /var/log/btmp
12. chmod 664 /var/log/lastlog
13. chmod 664 /var/log/wtmp
14. chown root:utmp /var/log/btmp
15. chown root:utmp /var/log/lastlog
16. chown root:utmp /var/log/wtmp

ext4のジャーナルログを無効化
システムでマウント済みの場合は、umountできな
いため、別システム上で行うこと
or
1. sudo umount /dev/mmcblk0p2
2. sudo tune2fs -O ^has_journal /dev/mmcblk0p2
1. sudo umount /dev/sda2
2. sudo tune2fs -O ^has_journal /dev/sda2

省電力化

ソフトウェアでできる省電力化
USB OFF = 0.5W減（「0」→「1」で電源ON）
HDMI OFF = 0.1W減
POWER SAVE = 0.02W減
1. sudo apt install libusb-dev
2. wget http://www.gniibe.org/oitoite/ac-power-control-by-
USB-hub/hub-ctrl.c
3. gcc -O2 hub-ctrl.c -o hub-ctrl-armhf-static -lusb -static
4. sudo cp hub-ctrl-armhf-static /usr/local/bin/hub-ctrl
5. sudo hub-ctrl -h 0 -P 2 -p 0
1. /opt/vc/bin/tvservice --off
1. echo "powersave"| sudo tee
/sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_governor

起動時に省電力モードにする
起動時の設定
内容
省電力モードをOffにする
1. @reboot /home/pi/savepower_on.sh
1. sudo crontab -e
1. sudo /home/pi/savepower_off.sh

GNU Radio

GNU Radioのセットアップ
1. 利用するSDRのドライバをセットアップする
2. GNU Radioをセットアップする
3. HDMIケーブルを接続する場合、音声がHDMI側
に出力される
1. イヤホンジャックから出力したい場合は下記のように
する。最後の数字、0=auto, 1=jack, 2=HDMI
1. sudo apt install rtl-sdr gr-osmosdr
1. sudo apt install gnuradio
1. amixer cset numid=3 1

GNU Radioベースの受信アプリ
指定された衛星の電波を、指定時刻に、指定さ
れた周波数＋ドップラーシフトでSDRを起動して、
受信するアプリ
現在、鋭意製作中
スペック
RTL-SDRを利用する
ネットから衛星の軌道リストを取得する
起動時刻を設定する
受信したIQデータを保存する

使用例：FM受信をするレシピ
SDRブロック
Osmocom Source
を利用すること
audio.sinkブロック
device
plughw:0,1

Gqrx

Gqrx SDR for the Raspberry Pi
ウォーターフォール表示などができるソフト
http://gqrx.dk/download/gqrx-sdr-for-the-
raspberry-pi

Gqrxのサポートデバイス
フルスペックにはRaspberry Pi 3が必須

Gqrxのセットアップ
1. Gqrxをダウンロードする
1. http://gqrx.dk/download/gqrx-sdr-for-the-
raspberry-pi
2. 解凍して、必要なライブラリをインストールする
下記の操作はRaspberry Piで行う
1. tar Jxfv gqrx-2.9-linux-armv6.tar.xz
2. cd gqrx-2.9-linux-armv6
3. sudo apt install gnuradio libvolk1-bin libusb-1.0-0 gr-iqbal
4. sudo apt install qt5-default libqt5svg5 libportaudio2
5. sudo cp udev/rtl-sdr.rules /etc/udev/rules.d/

3G/LTE接続

3G/LTE接続
利用方法の想定
1. 受信したデータをサーバにアップロードするだけ
通常のデータSIMで必要な時だけ通信する設定でよい
2. リモートからメンテナンスなどの操作も行いたい
常時接続では消費電力が高すぎるので、ある時間帯のみ接
続を行うなどの運用が必要
例：毎日0時に10分間や毎時0分に5分間など
外部からの接続方法
1. グローバルIPによる直接接続
グローバルIPが割り振られるデータSIMが必要
• 固定ＩＰではない場合、Dynamic DNSの設定が必要
2. VPNなどによる三角ルーティング接続
外部にVPNサーバなどを用意して、トンネルを張る
3. TeamViewerによる接続
個人利用であれば無料で利用可能
• https://www.teamviewer.com/

設定内容
通信条件
TeamViewerによる外部接続
毎日0時に10分間のみ
データ転送はGNU Radio（python上のプログラム）で
都度ppp接続することにより行う
通信用デバイス：docomo L-03D
一番格安で情報量が多いドングル
問題点
BAND1にしか対応していない
USBポートの供給電力不足により接続が安定しない場合
1. 2017年以前のシステム場合、「max_usb_current=1」を
「/boot/config.txt」に書き込む
2. セルフパワーのUSBハブを導入

CD-ROM機能の無効化
この手のドングルはたいていドライバなどが入っ
たCD-ROM機能を持っているので無効化する
最新Debianではいろいろなドングルが登録済み
Raspbianではまだだが近いうちに登録されると期待される
設定
/etc/udev/rules.d/40-usb_modeswitch.rules
/etc/usb_modeswitch.d/1004:6327
1. ATTRS{idVendor}=="1004", ATTRS{idProduct}=="6327", MODE:="0666",
RUN+="usb_modeswitch '%b/%k'"
1. DefaultVendor= 0x1004
2. DefaultProduct=0x6327
3. TargetVendor= 0x1004
4. TargetProductList="6326"
5. MessageContent="55534243123456780000000000000aff554d534348470000000
00000000000"

USBモデムとして認識させる
設定
/etc/udev/rules.d/50-l03d.rules
1. ATTRS{idVendor}=="1004", ATTRS{idProduct}=="6326", MODE:="0666",
RUN+="/sbin/modprobe usbserial vendor=0x1004 product=0x6326"

PPP接続の設定
一般的なwvdialを利用
1. sudo apt install usb-modeswitch wvdial

設定例：So-net社 0SIM
設定
/etc/wvdial.conf
1. [Dialer Defaults]
2. Init1 = ATZ
3. Init2 = ATH
4. Init3 = AT+CGDCONT=2,"IP","so-net.jp"
5. Dial Attempts = 3
6. Stupid Mode = yes
7. Modem Type = Analog Modem
8. Dial Command = ATD
9. New PPPD = yes
10. APN = so-net.jp
11. Modem = /dev/ttyUSB2
12. Baud = 460800
13. ISDN = 0
14. Phone = *99***2#
15. Auto Reconnect = yes
16. Username = nuro
17. Password = nuro
18. Carrier Check = no

pppネットワークインターフェースを追加
pppネットワークインターフェースを追加
/etc/network/interfaces.d/0sim
接続
切断
これらをcronで定時起動したり、プログラムから起動すること
により、任意のタイミングで通信が可能となる
ただし、コネクションが切れるわけではないので注意
切りたい場合はhub-ctrlで電源制御するとよい
省電力モードはoffにすること
1. sudo ifdown 0sim
1. sudo ifup 0sim
1. allow-hotplug 0sim
2. iface 0sim inet wvdial

外部からの接続：TeamViewer
Raspberry Pi用「TeamViewer」
https://download.teamviewer.com/download/linux/te
amviewer-host_armhf.deb
設定
事前にTeamViewerアカウントを作成しておくこと
1. wget
https://download.teamviewer.com/download/linux/teamvie
wer-host_armhf.deb
2. sudo apt install ./teamviewer-host_armhf.deb
3. sudo teamviewer setup

自動起動の設定をする 1/2
毎日0時0分に接続し、毎日0時10分に切断する
内容
3行目は、起動時に接続して、ntpで時刻を合わせるため
1. 0 0 * * * /home/pi/globalcon_on.sh
2. 10 0 * * * /home/pi/globalcon_off.sh
3. @reboot /home/pi/globalcon_init.sh
1. sudo crontab -e

自動起動の設定をする 2/2
スクリプト
自動接続スクリプト(省電力モード制御込み)
/home/pi/globalcon_on.sh
/home/pi/globalcon_off.sh
1. #!/bin/sh
2. /home/pi/savepower_off.sh
3. sleep 20s
4. /sbin/ifup 0sim
5. sleep 10s
6. /sbin/route add default dev ppp0
7. /usr/sbin/ntpdate ntp.nict.jp
1. #!/bin/sh
2. /sbin/route del default dev ppp0
3. /sbin/ifdown 0sim
4. /home/pi/savepower_on.sh
5. sleep 1s
6. /home/pi/savepower_on.sh

自動再起動の設定をする
状況により接続が切れてしまうため再接続する
再接続用スクリプト
/home/pi/globalcon_recon.sh
接続中は一分ごとに接続をチェックする
1. #!/bin/sh
2. isAlive=`ps -ef | grep " wvdial " |
3. grep -v grep | wc -l`
4. if [ $isAlive = 1 ]; then
5. echo alive
6. else
7. echo die
8. /home/pi/globalcon_off.sh
9. /home/pi/globalcon_on.sh
10.fi
1. sudo crontab -e
1. 1,2,3,4,5,6,7,8,9 0 * * * /home/pi/globalcon_recon.sh

セットアップ済みイメージについて

セットアップ済みのイメージ
紹介したSDR系ソフトセットアップ済みのイメージ
1. http://www.noritsuna.jp/download/raspi-sdr_GS.zip
1. イメージ
1. 8GB以上microSDカード
2. IP(Wi-FiはSSIDを別途設定する必要がある)
1. DHCPによる自動取得
3. リモート操作
1. ローカルネットワーク用：VNC
2. グローバルネットワーク用：TeamViewer
1. アカウント未設定。「teamviewer setup」を実行すること
4. ログイン
1. User: pi , Password: raspberry
5. 省電力モード
1. /home/pi/savepower_[on|off].sh で制御
2. 起動時の設定(sudo crontab -e)はコメントアウト
1. USBマウスやHDMIが利用できなくなるため

VNCでアクセスしてGNU Radioを使う例

Self‐Contained SDR Grand Station with Raspberry Pi 3

More Related Content

What's hot (20)

Similar to Self‐Contained SDR Grand Station with Raspberry Pi 3 (20)

More from Industrial Technology Research Institute (ITRI)(工業技術研究院, 工研院) (20)

Recently uploaded (9)

Self‐Contained SDR Grand Station with Raspberry Pi 3