Что такое радиоконтроль в часах
Radio Controlled
G-STORE.RU — официальный магазин часов Casio в России
Бесплатная доставка по всей России. 2 года гарантия от Casio. Подарки в каждом заказе!
Шоканы и Ко, мы решили взяться за новое дело — описывать работу функций в часах Casio. Как работают, почему нужно быть предельно осторожным с данными и какие отклонения могут быть. При этом мы не исключаем и собственного недопонимания в некоторых моментах, поэтому ждем ваших комментариев для дополнения материала и лучшего понимания происходящего. Такой себе коллективный разум в деле. Это не будет конкретная модель, а описание общих принципов работы, которые актуальны для всех часов Casio. Сегодня поговорим о радиосинхронизации [Multiband] в часах Casio (на примере свежего официального описания серии GWN-Q1000).
GWN-Q1000 — морские G-Shock-и c радиосинхронизацией
Основы работы — встроенная в часы антенна принимает сигнал с 6 радиостанций по всему миру, и автоматически корректируется время. Радиостанции синхронизируются со временем по Гринвичу (UTC), которое устанавливается атомными часами. Атомное время считается самым точным временем среди всех существующих. В технологии атомных часов используется принцип собственных колебаний, происходящих на уровне атомов и молекул. Атомы постоянно переходят на другой энергетический уровень. Во время каждого из этих переходов выделяется электромагнитное излучение. Именно постоянное количество этих излучений за определенный промежуток времени принято считать за эталонную секунду. Для точного измерения используется атом цезия-133, т.к. он является единственным стабильным изотопом.
Погрешность такого времени не превышает 30 наносекунд, или простыми словами — в течение 30 миллионов лет часы отстанут максимум на 1 секунду! Для сравнения, кварцевый механизм допускает погрешность в целых полсекунды в день.
Как уже было сказано выше, 6 радиостанций по всему миру являются источником сигнала — в Японии [2 станции], Северной Америке, Великобритании, Европе и Китае. Приблизительный диапазон приема для разных станций [сплошной линией обозначен максимальный радиус приема сигнала]:
Для Великобритании и Германии
Для США
Для Японии
Для Китая
Примерный радиус приема сигнала в километрах:
GST-W300 — стальные джишоки с радиосинхронизацией
Если часы находятся в режиме текущего времени, часы автоматически принимают радиосигнал. Если включен режим настройки, сигнал приниматься не будет. Часы автоматически принимают сигнал до 6 раз в день в промежутке с 00:00 до 05:00. Если автоматический прием сигнала выключен, то его можно выполнить вручную. Напоминаем, что процесс описан для часов G-Shock GWN-Q1000 (модуль 5744). Для других моделей Casio последовательность действий может быть иной, но принцип остается тем же.
Проверка результатов приема сигнала
Надеюсь, мы раскрыли тему? Если нет, задавайте вопросы.
Перехожу на прием! Экскурс в линейку часов Casio Radio Controlled
Всякому, кто интересуется электронными часами, известны такие бренды Casio, как G-SHOCK, Edifice, ProTrek. Но далеко не каждый осведомлен о направлении Wave Ceptor. Эти два слова, первое из которых английское, а второе – скорее латинское, наиболее адекватно переводятся, как «приемник волн». Понятно, что имеются в виду радиоволны. Ибо, опять же всякий, кто интересуется электронными часами, знает о наличии в часовом каталоге Casio немалого количества высокотехнологичных моделей, оснащенных, по сути, радиоприемником. Принимая сигнал точного времени на нужной волне – а эти приемники именно на нужные волны и настроены, – часы затем производят соответствующую корректировку своих показаний, становясь таким образом практически абсолютно точными. Это процесс называется радиосинхронизацией.
Немного об основах
Сегодня в мире существует шесть радиостанций, передающих сигналы точного времени от атомных часов. Такие часы работают на цезии-133, их погрешность не превышает одной секунды в 30 миллионов лет. Упомянутые радиостанции расположены в Майнфлингене (Германия), Анторне (Великобритания), Форт-Коллинзе (США), Фукуоке и Фукусиме (Япония), Шанцю (Китай). Максимальный радиус действия американской станции – 3000 км, китайской и обеих европейских – 1500 км, японских – по 1000 км. Взгляд на прилагаемые карты свидетельствует о том, что в совокупности покрывается некоторая доля обитаемой поверхности планеты. Правда, хватает и «мертвых зон»: это, например, целых два континента – Африка и Австралия (Антарктиду не считаем, так и быть), немаленький полуостров Аляска, большая часть территории России. А где-то сигнал может приниматься плохо: эффективным считается радиус действия вдвое – втрое меньше максимального. Но тем не менее, наличие этих станций и технологии Multi Band 6, преобразующей сигналы в корректировку показаний часов, – уже прекрасно, и ведь есть твердая надежда, что шестерка в названии технологии заменится семеркой, восьмеркой и т.д., покрыв в итоге весь глобус.
Некоторые практические рекомендации
Строго говоря, до европейской части России не дотягивает даже максимальный радиус из ближайшего к нам Майнфлингена. Ну разве что Калининград почти на самой грани. Санкт-Петербург уже вне зоны, Москва тем более. Однако прием все-таки возможен! Вот что советуют народные умельцы.
Не уповайте на автоматическую корректировку, отключите ее и перейдите на ручной режим. Выбирайте ночное время и пасмурную погоду. Желательно забраться как можно выше – например, на последний этаж высотного дома. Всякую электронику, в том числе мобильный телефон лучше держать от часов подальше. Отключите автоматический перевод на летнее/зимнее время. Положите часы на ровную поверхность, направьте их позицией «12» на запад. Теперь включайте автокалибровку (инструкция по пользованию вашей моделью часов вам в помощь). Ждите. Через несколько минут на дисплее должно появиться уведомление о том, что калибровка состоялась. Если ожидание затянулось, можно попробовать подложить под часы достаточно длинную металлическую ленту – например, вытянутую ленту рулетки, она сыграет роль дополнительной антенны.
Ну, если вы живете не в Москве или Питере, а, к примеру, на Дальнем Востоке, то цельтесь часами не на запад, а в сторону Японии, а именно в Фукусиму (сориентируйтесь по карте).
Далее – несколько образцов часов Casio Wave Ceptor – то есть с радиоконтролем – из ассортимента AllTime.
WV-59E-1A
Это самое простое, что можно представить себе в данной категории. Модель относится к линейке Collection. Прямоугольный корпус (48,3 х 39 мм, толщина 12,5 мм), конфигурация сэндвич (средняя часть – пластик, сверху и снизу – сталь), надписи Wave Ceptor и Multi Band 5. Да-да, не 6, а 5: модель создавалась в те годы, когда китайской станции еще не было! Строго цифровой дисплей, в правом нижнем углу индикатор приема. Другие функции – обычные для Casio: автоматический календарь, мировое время, секундомер, таймер обратного отсчета, будильник. Акриловое стекло, браслет из пластика, водонепроницаемость 50 м, вес 40 г.
Цена в AllTime: 5 090 рублей.
WV-200E-1A
Тоже Multi Band 5, тоже сталь и пластик, только корпус круглый (диаметр 47,7 мм, толщина 15,2 мм), а вот стекло уже минеральное, водонепроницаемость 200 м, вес часов 58 г. Функционал такой же, как у предыдущей модели, дисплей тоже чисто цифровой, но есть светодиодная подсветка.
Цена в AllTime: 6 240 рублей.
WVA-105HDE-1A
Несколько сложнее, хотя ненамного. Приятно, что станций принимается уже все 6. Корпус из пластика и стали (диаметр 41,4 мм, толщина 13,3 мм), стальной браслет с тройной раскладывающейся застежкой. К сожалению, стекло опять акриловое. Водозащита 50 м. Индикация аналого-цифровая (ура, появились стрелки!), подсветка – светодиодная, функции без изменений. Вес побольше (за счет браслета) – 88 г.
Цена в AllTime: 7 240 рублей.
WVA-M640TD-1A
А вот это заметно современнее – и значительно дороже. Ну то есть как современнее… Multi Band 6, да, но функции в основном все те же, разве что будильников стало 5 штук. Впрочем, у Casio Wave Ceptor (они же Radio Controlled) вообще не бывает предельного функционала, в противоположность другим коллекциям (в которых, между прочим, все чаще встречается эта самая радиосинхронизация). Но здесь и будильников 5, и точность секундомера 0,01 сек., и подсветка ана-диджи циферблата – двойная (светодиоды и Neobrite), и – главное! – источником питания является солнечная батарея. Диаметр корпуса 43,5 мм, толщина 12,3 мм, водонепроницаемость 50 м. Стекло акриловое. Зато в компании с пластиком работает не сталь, а титан! И браслет тоже титановый. Вот и вес часов невелик – 90 г. Цена же, естественно, выше, чем у предыдущих – 17 240 рублей.
Есть, однако, и стальная версия, без «титановой» буквы Т в артикуле: WVA-M640D-1A. Она на 4 грамма тяжелее и почти на 4 тысячи рублей дешевле.
Цена в AllTime: 13 290 рублей.
WVA-M650D-1A
Мало чем отличается от предыдущей модели (в стальной ипостаси последней). Удлинился секундомер (здесь он рассчитан аж на 24 часа), увеличилась водозащита (до 100 м), появилось автоматическое включение электролюминесценции при повороте запястья. Увеличилась также толщина корпуса (до 14,5 мм) и, незначительно, вес часов (стало 95 г).
История часов: Радиоконтроль в часах
Часы с функцией радиоконтроля — что в них особенного?
Поскольку сегодня часы с функцией радиоконтроля выпускаются в основном японскими производителями, многие уверены, что именно японцы их и придумали. Мнения расходятся, как правило, лишь в том, какая японская фирма была первой: одни считают, что это была фирма Casio, другие — что Seiko, третьи — что Citizen.
Но на самом деле первопроходцем в области часов с радиоконтролем была немецкая компания Junghans. Именно эта фирма в 1985 году представила первые высокоточные часы, ход которых посредством радиосигналов синхронизировался с атомными часами, находящимися в немецком Национальном институте метрологии. В следующем году Junghans выпустила вариант часов на солнечной батарее. На этом фирма не успокоилась и в 1990 году выпустила цифровые кварцевые часы Mega 1, которые стали первыми в мире наручными часами с функцией радиоконтроля.
Что такое радиоконтроль?
Радиоконтроль в наручных часах — это функция, позволяющая синхронизировать время, показываемое наручными часами, с конкретным часовым поясом. Благодаря этой функции часы без дополнительной подстройки всегда показывают точное местное время. Все, что нужно сделать владельцу часов,— один раз задать нужный часовой пояс. Некоторые модели часов с радиоконтролем автоматически перенастраиваются на новое время при попадании в другой часовой пояс.
На сегодняшний день функция радиоконтроля действует в Европе, Китае, Северной Америке и Японии, а также в отдельных частях Канады и Мексики.
Как известно, самые точные часы на земном шаре — атомные. Погрешность их хода составляет 1 секунду за миллион лет. В разных странах существуют национальные центры стандартов времени и частоты. К примеру, в России это Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ), находящийся в п. Менделеево (Московская область). В Германии — Федеральное физико-техническое агентство (Брауншвейг), во Франции — Национальная лаборатория метрологии и испытаний (Париж), в США — Национальный институт стандартов и технологий (Боулдер, штат Колорадо), а в Японии — Национальный институт передовой промышленной науки и технологии (Токио).
Сведения о текущем времени передаются с атомных часов на радиовышки, а уже с них на индивидуальные часы. Радиус действия вышек различен. Так, радиовышка, расположенная неподалеку от Франкфурта (Германия), действует в пределах до 1500—3000 км. Часы декодируют полученный сигнал и показывают точное местное время. Сигналы точного времени поступают на наручные часы в автоматическом режиме с определенной периодичностью. При обнаружении неточности в ходе часов, она исправляется автоматически.
Частоты, на которых передаются сигналы
В разных странах для передачи сигналов точного времени выделены разные частоты. В Германии сигнал DCF77 передается на частоте 77.5 кГц, в Великобритании сигнал MSF и в США сигнал WWVB передаются на частоте 60 кГц, в Японии два сигнала JJY передаются на частотах 40 и 60 кГц, в Китае сигнал BPC — на частоте 68 кГц.
Кому пригодятся часы с радиоконтролем
Часы с такой функцией, несомненно, оценят люди, которые с доверием относятся к современным технологиям и ценят высочайшую точность. А если при этом они еще и много путешествуют, то такие часы станут для них верным и надежным спутником в поездках. Ведь в каком бы часовом поясе ни оказался их владелец, они всегда покажут ему точное местное время и помогут не опоздать на самолет или на важную деловую встречу!
DCF77: как работает система передачи сигналов точного времени?
Наверное многие, приобретающие часы или метеостанцию, видели на упаковке логотип Radio Controlled Clock или даже Atomic Clock. Это весьма удобно, ведь достаточно поставить часы на стол, и они через некоторое время автоматически настроятся на точное время.
Разберемся как это работает и напишем декодер на языке Python.
Существуют разные системы синхронизации времени. Наиболее популярная в Европе — немецкая система DCF-77, в Японии есть своя система JJY, в США есть система WWVB, и так далее. Далее рассказ будет о DCF77, как о наиболее актуальной и доступной для приема в некоторых местах европейской части России и соседних странах (у жителей Дальнего Востока может быть противоположное мнение, впрочем они в свою очередь могут принять и проанализировать японский сигнал;).
Все написанное далее, будет про DCF77.
Прием сигнала
DCF77 это длинноволновая станция, работающая на частоте 77.5КГц, и передающая сигналы в амплитудной модуляции. Станция мощностью 50КВт расположена в 25км от Франкфурта, она начала работу еще в 1959 году, в 1973 к точному времени была добавлена информация о дате. Длина волны при частоте 77КГц весьма большая, поэтому размеры антенного поля тоже весьма приличные (фото из Википедии):
При такой антенне и подводимой мощности, зона приема охватывает практически всю Европу, Белоруссию, Украину и часть России.
Записать сигнал может каждый. Для этого достаточно зайти на онлайн-приемник http://websdr.ewi.utwente.nl:8901/, выбрать там частоту 76.5КГц и USB-модуляцию. Должна открыться картинка примерно типа такой:
Там же нажимаем кнопку download и записываем фрагмент длиной в несколько минут. Разумеется, при наличии «настоящего» приемника, способного записать частоту 77.5КГц, можно использовать и его.
Конечно, принимая радиосигналы точного времени через Интернет, мы не получим действительно точное время — сигнал передается с задержкой. Но наша цель лишь понять структуру сигнала, для этого интернет-записи более чем достаточно. В реале конечно, используются специализированные устройства для приема и декодирования, о них будет сказано ниже.
Итак, мы получили запись, приступим к ее обработке.
Декодирование сигнала
Загрузим файл с помощью Python и посмотрим его структуру:
Мы видим типичную амплитудную модуляцию:
Для упрощения декодирования возьмем огибающую сигнала с помощью преобразования Гильберта:
Результат в увеличенном виде:
Сгладим выбросы от помех с помощью low-pass фильтра, заодно вычислим среднее значение, оно пригодится потом для парсинга.
Результат (желтая линия): практически прямоугольный сигнал, который довольно легко анализировать.
Парсинг
Сначала нужно получить битовую последовательность. Сама структура сигнала очень проста.
Импульсы поделены на секундные интервалы. Если расстояние между импульсами составляет 0.1с (т.е. длина самого импульса 0.9с), к битовой последовательности добавляем «0», если расстояние составляет 0.2с (т.е. длина 0.8с), добавляем «1». Конец каждой минуты обозначается «длинным» импульсом, длиной 2с, битовая последовательность при этом обнуляется, и заполнение начинается заново.
Вышенаписанное несложно записать на языке Python.
В результате получаем последовательность бит, в нашем примере для двух минут она выглядит так:
Кстати интересно, что в сигнале есть и «второй слой» данных. Последовательность бит также закодирована с помощью фазовой модуляции. Теоретически, это должно обеспечивать более устойчивое декодирование даже в случае ослабленного сигнала.
Наш последний шаг: получить собственно данные. Биты передаются раз в секунду, так что мы имеем всего 59 бит, в которых закодировано достаточно много информации:
Биты описаны в Википедии, и они довольно любопытны. Первые 15 бит не используются, хотя были планы использовать для систем оповещения и гражданской обороны. Бит A1 указывает на то, что в следующий час часы будут переведены на летнее время. Бит А2 указывает, что в следующий час будет добавлена дополнительная секунда, которая иногда используется для коррекции времени в соответствии с вращением Земли. Остальные биты кодируют часы, минуты и дату.
Для тех, кто захочет поэкспериментировать самостоятельно, код для декодирования приведен под спойлером.
Запустив программу, мы увидим примерно такой вывод:
0011110110111000001011000001010000100110010101100010011000
Tuesday, 26.03.19, 21:41
0001111100110110001010100001010000100110010101100010011000
Tuesday, 26.03.19, 21:42
Собственно, вот и вся магия. Плюс такой системы в том, что декодирование чрезвычайно простое, и может быть сделано на любом, самом несложном микроконтроллере. Просто считаем длину импульсов, накапливаем 60 бит, и в конце каждой минуты получаем точное время. По сравнению с другими способами синхронизации времени (GPS например, или не дай бог, Интернет:), такая радиосинхронизация практически не требует электроэнергии — для примера, обычная домашняя метеостанция работает около года от 2х батареек АА. Поэтому с радиосинхронизацией делают даже наручные часы, не говоря уже конечно, о настенных или об уличных вокзальных.
Удобство и простота DCF привлекают и любителей самоделок. Всего за 10-20$ можно купить готовый модуль из антенны с готовым приемником и TTL-выходом, который можно подключить к Arduino или другому контроллеру.
Желающие могут даже проапгрейдить старые бабушкины часы, установив в них новый механизм с радиосинхронизацией:
Найти такой можно на ebay по ключевым словам «Radio Controlled Movement».
И наконец, лайфхак для тех, кто дочитал досюда. Даже если в ближайших паре тысяч км нет ни одного передатчика радиосигнала, такой сигнал несложно сгенерировать самостоятельно. В Google Play есть программа с названием «DCF77 Emulator», которая выводит сигнал на наушники. По заверениям автора, если обмотать провод наушников вокруг часов, они поймают сигнал (интересно как, ведь обычные наушники не выдадут сигнал 77КГц, но вероятно прием идет за счет гармоник). У меня на Android 9 программа не заработала совсем — просто не было звука (а может я его не слышал — 77КГц ведь:), но может кому-то повезет больше. Некоторые впрочем, делают себе и полноценный генератор сигналов DCF, который несложно сделать на той же Arduino или ESP32:
(источник sgfantasytoys.wordpress.com/2015/05/13/synchronize-radio-controlled-watch-without-access)
Что такое атомная синхронизация времени
Первоначально атомная синхронизация времени использовалась в радиосистемах атомных часов. Такие часы считаются самыми точными из ныне существующих, и они задействуют в своей работе энергию атомов.
В мире существует несколько атомных часов, которые связаны с радиостанциями. Эти станции, в свою очередь, посылают радиосигналы различным устройствам. Благодаря этому, находясь в разных странах мира, можно поймать сигнал одной из таких станций и настроиться на точное время.
Атомные часы есть в США, в штате Колорадо, в России, в Подмосковье, в Японии, Китае, Великобритании, Германии и Франции.
Часы с радиоконтролем и атомная синхронизация времени
Настроиться на точное время можно с помощью радиоконтролируемых часов. Такие часы принимают радиосигнал со специальной станции. Но у часов с радиоконтролем есть свои ограничения. Например, если вы находитесь в Северной Америке, то часы будут синхронизироваться только на самом континенте, а на отдельных частях и островах, таких как Аляска или Гавайи, они будут работать менее корректно. Также такие часы будут показывать точное время лишь в некоторых частях Мексики и Канады.
Еще одно ограничение – это неточность времени внутри крупных зданий со стальной конструкцией. Сигнал со станции NIST в США может не пробиться сквозь стены таких сооружений. Поднеся часы ближе к окну, вы сможете вновь синхронизировать их.
Синхронизация компьютеров
Большинство компьютеров синхронизируются с атомными часами при условии наличия выхода в интернет. Если компьютер не синхронизируется автоматически, можно использовать разработанные для этого программы.
Существуют также специальные сайты, на которых можно посмотреть самое точное время. К таковым, например, относится world-clock.com, отражающий точное время по Гринвичу и в разных частях планеты. Точное время в разных городах и странах можно посмотреть на русскоязычном вебсайте timeserver.ru.
Как работает радиостанция с атомными часами NIST
Национальный институт стандартов и технологии в США (NIST) работает с радиостанцией WWVB.
Временной сигнал, посылаемый станцией, содержит информацию о часах, минутах, дате, и о том, високосный или не високосный год на этот момент. Сигнал закодирован с помощью двоично-десятичного кода.
Эта интересная станция обладает очень мощной антенной и работает на очень низкой частоте 60000 Гц. Сочетание высокой мощности и низкой частоты позволяет радиоволнам от станции покрывать очень большую территорию: всю континентальную часть США, часть территории Канады и центральной части Северной Америки.