This is an old revision of the document!
Mini-Satelit (Sonda Atmosferica)
Introducere
Proiectul consta in realizarea unui sistem embedded, care sa integreze toate sistemele functionale ale unui satelit (senzori, power, comunicare, stocare date) si care poate fi testat ca o sonda atmosferica care masoara nivelul de poluare din zonele inferioare ale atmosferei.
Acest sistem embedded masoara, in principal, calitatea aerului (temperatura, presiune, umiditate, prezenta compusilor volatili), dar inregistreaza si date de la un IMU pe care le stocheaza local, pe un card microSD si pe care le transmite prin protocolul LoRa la sol. De asemenea, mini-satelitul contine si un modul de GPS pentru a putea fi recuperat in cazul in care este lansat dintr-o racheta cu raza “scurta” (1-7 Km), din avion sau elicopter.
Sistemul contine si un led de status, dar si 3 iesiri digitale care pot comanda servo motoare (ca o imbunatatire) pentru a extinde antene sau panouri solare.
Am pornit cu proiectul de la ideea de CanSat (o sonda atmosferica de mici dimensiuni, ce incorporeaza in masa si volumul unei doze de suc toate sistemele unui satelit real), pe care am vrut sa il reduc in dimensiuni pe cat de mult posibil, astfel incat, in volumul si masa unei doze de suc sa pot incorpora multiple astfel de sisteme embedded.
Descriere generală
Din momentul in care satelitul va fi pornit, va incepe sa inregistreze date de la cei 2 senzori de calitatea a aerului si de la IMU. Datele vor fi stocate pe un card microSD, dar si transmise la sol (Ground Station) prin intermediul unui transciever LoRa. Dupa PowerOn, modulul GPS va incerca sa isi faca lock pe cativa sateliti pentru a putea obtine locatia exacta a sondei (lock-ul poate dura intre 3 si 30 de minute in functie de regiune). Datele de la GPS vor fi transmise la sol, dar si stocate local.
- Components check (la PowerOn verifica starea fiecarei componente si transmite catre GroundStation statusul lor)
- Running normally (dupa “Components check” inregistreaza date de la senzori si GPS, le stocheaza local si le transmite la sol datele o data pe secunda)
- Running low-power (datele de la senzori sunt stocate doar local, iar datele de la GPS sunt transmise la sol doar o data la fiecare 5 secunde; va fi implementat ulterior)
Hardware Design
Listă de piese:
- NINA-B306-00B (“Creierul” mini-satelitului, mult mai puterinc decat ATMega328. Permite utilizarea BLE pentru cominicarea intre 2 mini-sateliti, dar ofera si o flexibilitate mare prin gama larga de pini GPIO si cele 2 porturi I2C.)
- BME 680 (Senzor de la Bosch de calitatea a aerului. Masoara temperatura, presiunea, umiditatea si prezenta compusilor volatili din aer)
- MPU 6050 (Senzor inertial cu 6 axe, 3 pentru acceleratie, 3 pentru giroscop. Am ales un simplu MPU6050 in pofida altor IMU-uri mai puternice, deoarece aveam cateva chipuri la indemana si am decis sa fie prezentat ca proof-of-concept pentru o varianta mai low budget.)
- SGP40 (Senzor de calitatea aerului ce masoara prezenta compusilor volatili in aer. Dubleaza masuratorile facute de BME pentru o acuratete mai mare a rezultatelor obtinute.)
- Modul LoRa RFM98 (Modul LoRa extrem de puternic, folosit pentru transmiterea datelor la sol pe frecventa de 433MHz)
- Modul TinyGPS (Modul GPS folosit pentru determinarea coordonatelor mini-satelitului. Am ales sa folosesc un modul, in defavoarea integrarii cipului pe placa din pricina lipsei de cipuri de pe stocul unor magazine precum Mouser, SOSElectrinic sau TME.eu)
- slot microSD
- LDO 3.3V
- charger LiPo
- LED Neopixel
- Butoane si alte componente pasive (rezistente, condensatoare, diode, etc)
PCB → top layer:
PCB → Populat:
Mini-satelit → Complet:
Am realizat schema electrica a proiectului cu ajutorul Autodesk Eagle. Cu ajutorul programului am realizat, de asemenea, si fisierele gerber necesare plasarii comenzii de PCB-uri. PCB-urile au fost produse si livrate de JLCPCB, iar componentele achizitionate de pe Mouser. Acumulator-ul Li-Po este realizat in formatul 2P din 2 acumulatori reciclati.
Schema electrica: pm_project_severinsebastian.pdf
Statia de la sol este alcatuita dintr-un Arduino Uno, un modul LoRa RFM98 si o antena Vivaldi. Arduino-ul preia pachetele primite de modulul LoRa si le trimite la laptop pe interfata seriala, ca acestea sa fie ulterior afisate intr-o interafta grafica user-friendly si stocate pentru analiza ulterioara.
Antena Vivaldi:
Am ales o antena Vivaldi, datorita dimensiunilor reduse si pentru a testa un concept nu foarte utilizat de antena, dar care este foarte capabil de a receptiona date de la distante mari pe frecventa de 433MHz. Dimenziunile reduse ale antenei, dar si statiei de la sol, permit realizarea, fara prea multe batai de cap si la costuri foarte reduse, unei matrici de astfel de statii (dispuse la 10Km una de cealalta spre exemplu) pentru a avea receptie pe o suprafata cat mai extinsa.
Software Design
Software-ul proiectului este alcatuit din 3 parti:
- Pogramul principal care ruleaza pe mini-satelit
- Pogramul statiei de la sol
- Programul interfetei grafice care afiseaza datele in timp real
A fost realizat in Arduino IDE in C++ folosind o serie de biblioteci care sa ajute la o implementare mai rapida si usor de urmarit:
- Adafruit_NeoPixel
- Adafruit_BME680
- Adafruit_Sensor
- Adafruit_SGP40
- Adafruit_MPU6050
- TinyGPS
- LoRa
- Wire
- SPI
- SD
Codul pentru interfața grafică este scris in C#, folosind ca IDE Visual Studio. In cadrul interfeței se pot selecta portul serial pe care primim datele (pot veni de la orice microcontroler sau microcomputer, de la Arduino pana la Raspberry Pi) și baud rate-ul (din cele standard). Interfața, in forma actuala, poate afișa orice tip de date numerice provenite de la pana la 8 senzori, precum umiditate, temperatura, presiune, accelerații, altitudine, concentrații de gaze sau valori ale radiațiilor. Datele sunt updatate in timp real cu frecventa de 1 Hz.
- mediu de dezvoltare (if any) (e.g. AVR Studio, CodeVisionAVR)
- librării şi surse 3rd-party (e.g. Procyon AVRlib)
- algoritmi şi structuri pe care plănuiţi să le implementaţi
- (etapa 3) surse şi funcţii implementate
Rezultate Obţinute
Concluzii
Download
.
Fişierele se încarcă pe wiki folosind facilitatea Add Images or other files. Namespace-ul în care se încarcă fişierele este de tipul :pm:prj20??:c? sau :pm:prj20??:c?:nume_student (dacă este cazul). Exemplu: Dumitru Alin, 331CC → :pm:prj2009:cc:dumitru_alin.
Jurnal
Bibliografie/Resurse
