LA SONDA
Consisteix en una estructura contenidora i protectora de tots els circuits i dispositius electrònics necessaris per a captar dades i transmetre-les a l'estació de terra. El seu pes està limitat a 750 g màxim, i ha de procurar prou aïllament enfront de les baixes temperatures i les radiacions perquè els components electrònics no es facin malbé.
L'estructura contenidora
La nostra estructura contenidora és una caixa de poliestirè expandit (porexpan) de les que s'utilitzen per transportar medicaments. Ens l'ha donat la mare de l'Àlex, que treballa a l'hospital de Barcelona.
Dimensions de la nostra caixa: 25 x 25 x 25 cm amb parets de 4 cm d'espesor. Pesa 191,8 g.
El porexpan és un material ideal per a nosaltres, perquè és molt lleuger (densitat entre 10 i 25 kg/m3) i bon aïllant tèrmic (conductivitat tèrmica entre 0,029 i 0,053 W/mK). Tot i això, la seva resistència mecànica és molt baixa, però comptem que el paracaigudes esmorteeixi prou el cop de l'aterratge.
També cal protegir-la de les radiacions. Ho hem fet revestint-la amb una manta tèrmica, que a més de reflectir les radiacions augmenta l'aïllament tèrmic.
El de l'aïllament tèrmic és un tema especialment preocupant, perquè el fred redueix l'eficiència de les bateries de liti amb què s'alimenten els sistemes electrònics de la sonda. Hem fet servir també coixinets tèrmics per escalfar l'interior.
El repte de l'aïllament tèrmic ha estat aconseguit 👌: el coixinet tèrmic ha elevat la temperatura interior a 42 ºC front a 23 ºC a l'exterior en el moment del llançament, i no s'ha baixat de 19 ºC en cap moment, tot i què la temperatura exterior mínima registrada ha estat d'uns -54 ºC. Veure gràfic de les temperatures registrades pels nostres sensors durant el vol de la sonda
Per tal d'esmorteir l'impacte de l'aterratge hem afegit 4 cantoneres de porexpan a la part de sota que en teoria havien d'absorbir el cop, trencar-se i saltar.
La sonda ha caigut de costat, les cantoneres no han saltat ni s'han trencat, la sonda ha quedat en perfecte estat després de l'impacte 👌
.
El cervell del sistema
Durant tot el procés hem utilitzat una placa Raspberry Pi Zero W com a cervell controlador del sistema de captació i transmissió de dades de la sonda. Aquesta placa, tot i la seva poca potència és ideal per al nostre projecte per les seves petites dimensions, pes (9,07 g) i preu respecte a altres models de Raspberry Pi.
Respecte al preu i la disponibilitat ens hem vist afectats per la manca de distribució actual de xips de Raspberry Pi, la qual cosa ha encarit el projecte.
Hem muntat la placa en un shield d'alimentació i ampliació de ports USB (en necessitem dos, per connectar el GPS i el mòdul de radiofreqüència).
L'alimentació es fa amb una bateria Li-Ion 18650 de capacitat teòrica 3400 mAh. Aquesta capacitat es veurà afectada per les baixes temperatures, per això és important aconseguir el màxim aïllament tèrmic.
En l'últim moment, per la por de la inexperta Carol, s'ha acabat utilitzant una Raspberry Pi 3B (més potent que la Zero) alimentada amb dues bateries per si d'acàs una no fos suficient.
Aquest canvi d'última hora ha augmentat el pes de la sonda (que ha acabat sent de gairebé 900 g).
La durada de les bateries ha estat d'unes 4 hores (el vol de la sonda ha durat gairebé 2 h).
Reforç solar d'alimentació
Ens preocupa la ràpida descàrrega de la bateria utilitzada per efecte del fred i hem decidit afegir un reforç d'alimentació amb dos panells solars de 6V/3W connectats a la bateria a través d'un controlador de càrrega, que proporciona una tensió constant de sortida i a més té protecció de polaritat inversa d'entrada.
Els panells estan connectats en paral·lel per assegurar que la tensió proporcionada mai serà superior a 6V, tensió màxima d'entrada que pot tolerar el controlador de càrrega, i aconseguir la màxima intensitat (més intensitat = càrrega més ràpida).
Volem saber l'energia elèctrica produïda pels panells solars, i deduir si ha valgut la pena la seva instal·lació per anar carregant la bateria paral·lelament a la seva ràpida descàrrega per efecte de les baixes temperatures. Per fer-ho fem servir un sensor de potència elèctrica INA219.
La primera idea va ser muntar els panells verticals en dues cares oposades de la sonda per assegurar que sigui la que sigui la seva posició respecte al Sol sempre puguin generar energia elèctrica, però les dimensions de la caixa contenidora i la disposició interna dels components ens van donar la idea del muntatge definitiu, amb els panells muntats en horitzontal a la cara superior de la caixa.
.
Els sensors
Ens han de permetre comprovar algunes de les coses que sabem de l'atmosfera: variació de la temperatura, pressió i nivells de UV amb l'altitud.
Comparar les dades retornades pels nostres sensors amb les dades "oficials" ens permetrà conèixer el seu grau de precisió. A més podrem estimar el comportament de la sonda durant el seu viatge.
No tots han funcionat bé, i s'observa que en el moment de l'esclat tots s'han desmadrat, potser per malfuncionament o reinici de la Pi.
Hem volgut mesurar la temperatura a l'exterior i la seva variació durant el viatge de la sonda, així com estimar el grau d'aïllament tèrmic aconseguit mesurant també la temperatura a l'interior de la sonda.
Per fer-ho hem utilitzat dos sensors de temperatura DS18B20. Un a l'exterior i l'altre a l'interior.
Aquest sensor, muntat dins d'un tub d'alumini, incorpora un cable protector de PVC que suporta fins a -55ºC.
Cal protegir el sensor exterior de la radiació directa del sol per tal que aquesta no falsegi les mesures. Ho hem fet amb un rotlle de paper.
Hem volgut conèixer la variació de pressió de l'aire durant el viatge. Aquesta dada, juntament amb la temperatura ens permetrà estimar l'altitud màxima assolida per la sonda, que segons càlculs previs hauria de ser d'uns 30.000 m.
Per fer-ho hem utilitzat un sensor de pressió baromètrica BMP280.
Hem volgut saber l'índex de radiació ultraviolada a que ha estat exposada la sonda.
Per fer-ho hem utilitzat un sensor VEML6075, que retorna directament l'índex UV, la lectura UVA i la lectura UVB.
Hem volgut saber si durant el seu viatge la sonda haurà estat sotmesa a estrebades provocades pel vent o altres fenòmens meteorològics.
Per fer-ho hem utilitzat un sensor de mesurament inercial MPU6050, que retorna dades d'acceleració i de gir en els tres eixos de l'espai. També pot permetre estimar l'altitud i la velocitat de la sonda.
Necessitàvem conèixer la localització de la sonda en tot moment, especialment al lloc d'aterratge per poder recuperar-la.
Per fer-ho hem utilitzat un mòdul GPS NEO-6M, que retorna l'altitud, latitud i longitud a partir de la captació de senyals de satèl·lits GPS.
L'hem connectat a la Pi a través d'un port USB.
La seva antena ha d'anar a l'exterior de la sonda, mirant cap amunt.
Les càmeres
Un mòdul de càmera ArduCam de 5 MP muntada en un dels laterals de la sonda, anirà prenent fotos de l'horitzó periòdicament, cosa que ens permetrà veure el canvi de color de l'atmosfera i l'arrodoniment creixent de la Terra.
Les fotos es guardaran en la mateixa targeta SD que les dades generades pels sensors, però no es podran enviar a l'estació de terra per limitació d'amplada de banda del sistema de comunicació utilitzat.
.
.
Una càmera de vídeo esportiva, que hem acabat muntant al frontal de la sonda, ha gravat en vídeo tot el trajecte.
Aquesta càmera té la seva pròpia bateria de 1350 mAh, i gravarà fins que s'esgoti (esperem que cobreixi com a mínim tota l'ascensió). El vídeo quedarà guardat en la targeta SD de la pròpia càmera.
.
Evolució dels prototipus
Respecte a les connexions dels sensors als pins de la Raspberry Pi, no ens ha semblat adient fer-les mitjançant protoboard (sistema utilitzat per fer les proves prèvies) per la possible facilitat de desconnexió dels cables, i vam prova a utilitzar regletes, la qual cosa, a més d'endreçar el sistema elèctric ens permetia més flexibilitat a l'hora de disposar els components en l'interior de la caixa.
Al final, donat que la majoria dels sensors utilitzats es comuniquen amb el processador de la Pi a través del bus I2C, al que només es pot accedir des de dos pins de la placa, els hem connectat a través d'un hub I2C (8,5 g).
Proves individuals
Connexions finals mitjançant hub I2C
Connexions amb protoboard
Provant connectors USB en angle. Massa pes
Connexions amb regletes dins una caixa prototipus de cartró
Disposició interior final. Amb Raspberry Pi 3B i 2 bateries
Esquema de connexions:
