Trackuino - APRS tracker

Navigand pe internet am gasit un proiect interesant, un tracker de mici dimensiuni pentru baloane stratosferice, dezvoltat de EA5HAV pe platforma Arduino.
Nu lucrasem pana acum cu astfel de medii de dezvoltare si mi-am propus sa incerc. Oricum aveam nevoie de un proiect practic pentru facultate.

Tracker-ul are la baza un Arduino UNO V3, placa de dezvoltare open-source cu microcontroller, destinata programatorilor incepatori, bazata pe hardware si software flexibil si simplu de folosit. Este o platforma de mici dimensiuni (6.8 cm x 5.3 cm) construita in jurul unui procesor de semnal, capabil de a prelua date din mediul incojurator printr-o serie de senzori si de a efectua actiuni asupra mediului prin intermediul unor actuatoare.

Arhitectura acestuia este realizata in jurul unui microcontroller Atmel ATmega 328P care preia datele de la senzorii de temperatura, tensiune si de la receptorul GPS si le converteste in cadre AX25, sub forma unui semnal AFSK la viteza de 1200 bps. Tot microcontrollerul da si comanda de trecere in emisie a modulului radio.

Receptorul GPS este fabricat de Sparkfun si se prezinta sub forma unui dispozitiv de mici dimensiuni, cantarind in jur de 20gr. Modelul folosit in proiect, Venus 11058, este echipat cu un chipset Skytraq 638FLPx, avand implementat protocolul de comunicatie NMEA 0183 v3.01. Astfel, dispozitivul se poate conecta cu orice software care este compatibil NMEA, in vederea afisarii pozitiei pe harta.

 
Receptorul Venus 11058 poate fi utilizat peste altitudini de 18000 m, doar in cazul in care nu se depaseste viteza de 515 m/s si poate receptiona fluxuri de date de la maximum 65 sateliti geostationari, in banda de frecventa L1 (1575.42 MHz).
Antena externa poate fi pasiva sau activa. In prezentul experiment am folosit o antena activa Ublox ANN-MS cu conector SMA.
Iesirea datelor se face prin port serial de nivel TTL la viteza de 9600 bps.
Din testele efectuate eroarea aproximativa de determinare a pozitiei a fost de aproximativ 4 m.

Pentru acest proiect am cautat un emitator radio cu un consum de energie, greutate si dimensiuni cat se poate de reduse. Am optat pentru un modul Radiometrix, model HX-1 cu frecventa fixa 144.800 MHz, frecventa APRS stabilita la nivel european. Puterea de iesire este de numai 300 mW.

 
Am utilizat doi senzori integrati de temperatura, LM60 in capsula TO-92, cu o caracteristica liniara de iesire, avand intervalul de masurare de la -40 ˚C la +125 ˚C, sensibilitate de 6.25 mV/˚C, si precizie de +/- 2 ˚C, conform datelor de catalog.

Am lipit primul senzor direct pe cablajul tracker-ului pentru a masura temperatura interna a acestuia, iar al doilea senzor este detasabil si se va instala in exterior prin intermediul unui cablu scurt. Cei doi senzori se alimenteaza la 5V, iar semnalele de iesire se aplica direct la intrarea convertoarelor analog-digitale de 10 biti (pinii A0 si A1) de pe platforma Arduino.

Senzorul de tensiune este format dintr-un divizor rezistiv, cu R1 = 10 kΩ si R2 = 3.3 kΩ. Tensiunea de la iesirea divizorului, de pe R2, se aplica la intrarea celui de-al treilea convertor (pinul A2). Acest ansamblu masoara tensiunea acumulatorilor care alimenteaza intreg sistemul de telemetrie.

Montajul in faza de testare cu un Yaesu VX-3 (HX-1 nu venise inca)

Am asamblat toate componentele de mai sus pe o placa de circuit imprimat de dimensiunea placii Arduino UNO, astfel ca cele doua sa se imbine una peste alta. Scopul a fost obtinea unui dispozitiv de telemetrie de greutate si dimensiuni cat mai reduse, care poate fi amplasat in nacela baloanelor statosferice.

Schema placii cu senzori

 

Am urmarit obtinerea unui consum de curent cat mai redus. In acest scop am utilizat stabilizatorul intern de 5 V de pe platforma Arduino UNO (max. 1 A) pentru alimentarea senzorilor de temperatura si al emitatorului, iar pentru alimentarea modului GPS am adaugat un stabilizator LDO de 3.3 V (model LP2950-33LPE3 in capsula TO-92 – max. 100 mA).


Consumul de curent masurat:
Arduino + 2 senzori temperatura = ~50 mA
GPS + stabilizator 3.3 V = ~100 mA
HX1 in emisie = ~100 mA
                                                                   total
Tracker in stand by = ~150 mA
Tracker in emisie = ~250 mA


Codul sursa poate fi gasit aici.

Stratospherium 2012

Data zborului: 4 august 2012

Durata zborului: 7 ore si 8 minute

Organizator: "Stiinta si Tehnica"

Indicativ APRS: YO3KSR-11

Inaltimea maxima confirmata GPS: 29.407 m

Distanta in linie dreapta intre locul de lansare si locul de aterizare: aproximativ 75 km.

Coordonator proiect: Catalin Beldea

Consultant aerospatiale: Florin Mingireanu YO4SJI

Localizare, telemetrie si recuperare: YO3KSR - Radioclub S.R.R.

Pe data de 4 august 2012, alaturi de cei de la Stiinta si Tehnica, am participat la lansarea celui de-al doilea balon stratosferic. Fata de experimentul de anul trecut, pe langa tracker-ul APRS si camerele foto / video, nacela a transportat si cateva echipamente destinate efectuarii de inregistrari la mare altitudine, ca de exemplu masurarea radiatilor UV, a temperaturii, presiunii si umiditatii atmosferice.

Vineri, cu o zi inainte de lansare, am ajuns in Buzau impreuna cu Adrian YO3HJV si Doru YO3HTB pentru a putea pune la punct impreuna cu echipa de la revista Stiinta si Tehnica ultimele detalii legate de locul de lansare si echipele de urmarire, dar si pentru a putea face o ultima verificare a echipamentelor.

Dupa 4 ore de somn, sambata dimineata, am plecat spre locul de lansare situat langa localitatea Rusetu, la aproximativ 50 km de Buzau, urmand sa ne intalnim cu Gore YO3IGR si cu Andrei YO3FTI. Dupa ce toate echipamentele au fost testate si amplasate in nacela, balonul a fost umflat cu heliu, apoi lansat la ora 9 si 5 minute. Desi a fost calculat sa urce cu o viteza ascensionala de 4 m/s, nu se stie inca din ce motiv, aceasta a fost de aproximativ 1 m/s.

Ne gandim la doua posibilitati: ori o eroare de calcul, ori heliul a fost de slaba calitate. Din acesta cauza am depasit putin si intervalul orar aprobat de Romatsa.

Anul acesta s-a adoptat o alta solutie de tracking, constand numai din statii mobile, fara statie de sol.

Urmarind semnalul APRS, eu cu cei de la Stiinta si Tehnica am plecat din Rusetu pe drumul spre Urziceni, prin localitatile Padina si Pogoanele. In Urziceni ne-am oprit pentru cateva ore in speranta ca balonul va respecta traiectoria softurilor de predictie si la un moment dat se va intoarce. Echipamentul de receptie personal a constat dintr-o statie portabila Kenwood TH-D72 conectata la un Garmin GPSmap 60CSx cu harti rutabile, astfel incat aveam pozitia in timp real si puteam calcula rapid traseul. Semnalul tracker-ului a fost suficient de puternic incat se receptiona fara probleme cu antena in interiorul masinii.

Gore YO3IGR impreuna cu Andrei YO3FTI au plecat la scurt timp dupa lansare si s-au mentinut pe cat posibil dedesubtul balonului. Pentru receptie au folosit Kenwood TM-D710 si AvMap Geosat 6.

Conform predictiilor de zbor, balonul a mers spre sud aproape de Calarasi, dar s-a intors, a facut o bucla deasupra Sloboziei, si a continuat drumul spre est trecand pe langa Urziceni.

La un moment dat a luat-o spre nord, apropiindu-se destul de mult de zona aeroportului Otopeni.

Balonul s-a spart undeva deasupra localitatii Fierbinti, judetul Ialomita, la o altitudine de numai 29.407 m, iar nacela a aterizat intr-un camp de floarea-soarelui la jumatatea distantei intre Fierbinti si Sinesti.

 

Adrian YO3HJV si Doru YO3HTB, fiind mai aproape de locul aterizarii, au ajuns primii si au recuperat nacela inainte sa fie vazuta de localnici. Datorita hartilor RO.A.D. 2009 destul de detaliate de pe Garmin am reusit sa gasesc niste drumuri de exploatare, am intrat pe camp din localitatea Sinesti, dar am ajuns prea tarziu, nacela fiind deja in portbagajul lui Adi.

Din cauza ca zborul a durat aprozimativ 7 ore, acumulatorii echipamentelor foto/video s-au descarcat inainte ca balonul sa ajunga la peste 20000 m altitudine. Dar din perspectiva radioamatorilor misiunea a fost un succes, deoarece am reusit sa urmarim si sa recuperam nacela intr-un timp foarte scurt.

Fata de experimentul anterior, frecventa de downlink in APRS a fost 144.850 MHz, iar statiile mobile Kenwood TM-D710 au fost configurate ca digipeatere avand emisia cu 50 Khz mai jos, in 144.800 Mhz. Datorita lui YO3IIR si YO4CWI, care au instalat i-gate-uri in Bucuresti si Focsani, balonul a putut fi urmarit pe tot parcursul zborului si pe aprs.fi.

A fost folosit echipamentul de tracking de la experimentul trecut, format din tracker Byonics „Micro-Trak RTG”, alimentat dintr-un acumulator Li-Ion de 4000 mAh, un receptor Byonics GPS4 si o antena dublu dipol cu polarizare orizontala, montata in exteriorul nacelei.  Sistemul a transmis pozitia GPS (coordonate, altitudine, viteza, directie deplasare), cat si date de telemetrie (tensiunea acumulatorilor, temperatura exterioara si interioara a nacelei).

De aceasta data GPS-ul a fost montat in exteriorul nacelei, a avut semnal suficient de la sateliti si nu a mai dat erori.

Conform datelor de telemetrie, tensiunea pack-ului de acumulatori Li-Ion care alimenta tracker-ul (11.1 V nominal, 4000 mAh) a scazut de la 12.4 V la 11.5 V.

 

In cel de-al doilea grafic se observa variatia temperaturii din nacela de la o maxima de aproximativ 39.3 ˚C pana la o minima de 2.6 ˚C. Temperatura din exteriorul nacelei variaza ceva mai mult, de la 30 ˚C la -49.5 ˚C.

La altitudinea maxima atinsa de balon (29407 m), temperatura in nacela a fost de aproximativ 16 ˚C, iar in exterior 17 ˚C.

Temperatura minima a fost atinsa in exterior la aproximativ 14500 m (-49.5 ˚C), si in nacela la 4300 m (2.6 ˚C).

In graficul de mai jos se poate observa o urcare a balonului pana la 29000 m in aproximativ 6 ore si 33 minute, apoi are loc „burst-ul”si nacela coboara in aproximativ 35 minute. Balonul s-a stabilizat la altitudinea maxima de 29407 m un timp de aproximativ 5 minute.

Desi am avut de la Romatsa autorizatie de zbor pentru 3 ore, balonul a zburat aproximativ 7 ore, depasind recordul pentru cel mai lung zbor cu un balon meteo de acest tip.

Echipa radioclubului YO3KSR a fost formata din: Doru YO3HTB, Adi YO3HJV, Gore YO3IGR, Andrei YO3FTI, Vlad YO3IHG.


Imagini de la lansare, urmarire si recuperare

foto de yo3hjv, yo3fti, yo3ihg, S&T