CANSAT #3: Řešení hardwaru
Vítejte u třetího z čtyřdílné série článků sledujících postup týmu čtyř gymnazistů Česko-Evropskou soutěží CanSat. V tomto díle trochu zaktualizujeme softwarovou část a podrobně probereme naše řešení po stránce hardwaru.
Od doby posledního článku se mnoho změnilo a jednou z těchto věcí je řešení vnitřního systému sondy. Z důvodu technických potíží jsme byli nuceni odstoupit od původního plánu mít ve vzduchu dva nezávislé procesory, jeden pro sběr dat a jejich odesílání, druhý pro obstarávání kamery a ukládání fotek a dat. Výsledné řešení má tak v sondě jen Seeeduino Mega2560, které po vyfocení obrázku ve smyčce ukládá jeho části a každou vteřinu (determinovanou časem modulu GPS) provede datosběrnou a odesílací rutinu. Výsledkem bylo celkové zvýšení složitosti kódu a výrazné zpomalení ukládání obrázku, jak může být patrné z přiloženého flowchartu.
Flowchart
Toto zredukování počtu součástek v satelitu znamenalo také snížení hmotnosti celého zařízení, které jsme museli následně kompenzovat rybářským závažím. Jak tedy vypadá výsledný model? V jeho středu je univerzální plošný spoj, vytvářející jakýsi shield pro Seeeduino spojující ho se všemi ostatními moduly. Pro napájení jsme zvolili standartní 9V baterii, pro její dostupnost a poměr mezi cenou, výkonem a velikostí. Dále pak dobře pokračuje v naší snaze udělat celou sondu co nejmodulárnější a nejjednodušší na opravu a údržbu.
V konečné podobě byla kostra tvořena dvojicí tenkých ocelových šroubovic, na kterých byly po obou stranách připevněny námi navržené a vytisknuté plastové krytky. Krytky jsou samozřejmě vybaveny otvory pro kameru a závěsné očko, použité pro připevnění CanSatu k dronu.
Co se tedy vnitřností týče, pro přenos dat jsme použili rádiový transceiver RFM69HW na frekvenci 433 MHz. Jeho hlavními přednostmi je několikakilometrový dosah při použití Yagi antény a možnost výběru 256 kanálů na dané frekvenci. Modul komunikuje rozhraním SPI s logikou založené na napětí 3.3V, takže byl zapotřebí pro konverzi přidat Low Level Converter pro převod 5V logiky ze Seeeduina.
Teplotu a tlak snímáme barometrickým a teploměrným senzorem BMP180, komunikujícím přes I2C. Tlak měří s přesností zhruba 0.02 hPa, která odpovídá 0.17 metrům výšky a teplotu s přesností +- 2°C. Oba moduly jsme dostali jako startovní kit od pořadatelů soutěže a pro jejich ovládání jsme využili knihovnu qbcan distribuovanou společně s nimi.
Schéma zapojení obvodu. (Pozn.: ve skutečné sondě jsme použili Seeeduino Mega2560, na schématu je reprezentováno Arduinem Mega2560.)
Námi přidané komponenty jsou kamera, akcelerometr, GPS a čtečka microSD karet, všechno dodané naším sponzorem HW Kitchen. Jako fotoaparát jsme použili kamerový modul LinkSprite LS-Y201-2MP. Ten nabízí rozlišení až 2 Megapixely a exportuje fotky do formátu JPEG. Komunikuje přes UART, vyžaduje 5V napájení a má rozměry 32.0 * 32.0 mm (více informací).
Pro měření akcelerace jsme použili digitální akcelerometr ADXL345. Jedná se o velmi kompaktní senzor s měřící stupnicí až +- 16 g, s možností komunikace jak přes SPI, tak I2C – my jsme využili druhé možnosti (více informací).
GPS modul pro synchronizaci sběru dat a eventuální lokalizaci přistávšího CanSatu jsme použili model EM-506, poháněný 5V, s vysokou přesností a relativně rychlým časem pro spojení se s družicemi, komunikuje rovněž přes rozhraní UART. Velmi důležité byly i rozměry 30.0 * 30.0 * 10.7 mm (více informací).
Všechna data jsme zároveň s odesíláním také ukládali na microSD kartu přes Breakout Board for microSD Transflash, komunikující přes SPI, jehož hlavní předností jsou miniaturní rozměry 21 * 22 mm.
Padák jsme si zhotovili vlastní z ripstopu (látka obvykle používaná pro stavbu padáků, vyznačující se velkou odolností proti trhání a počasí) o průměru 375 mm a hloubce 185 mm. Pád sondy jsme tak zpomalili na zhruba 9 m/s.
Celkem jsme se tak bez větších potíží vešli do pravidly stanovených rozměrů cylindru o výšce 115 a průměru 66 mm. Jak jsem zmínil výše, sonda měla sama o sobě 241 gramů a bylo jí tak třeba zatížit pro výsledných 322 g s padákem, abychom se vešli do limitu 300 – 350 g.
Vyvržené vnitřnosti naší sondy
- Sledovač slunce s Arduinem - 23.3.2022
- Programovatelný kytarový pedál s Arduinem - 26.2.2020
- Arduino infračervený teploměr vytištěný na 3D tiskárně - 11.2.2020