czANSO blog

Archive for February, 2010

Zdroj energie balónu – baterie

Feb 18, 2010 Komponenty balónu, Principy a limity, Testování

Elektronika na palubě balónu bude napájena pomocí baterií.

Není ale možné vzít první baterie v supermarketu, které uvidíme a to především díky hlubokému mrazu, který ve výšce panuje. Obyčejné baterie nebo akumulátory v mrazu rychle ztrácejí účinnost. Nesmí se také stát, že budou předčasně vyčerpány.

Požadavky tedy jsou:

vysoká odolnost vůči mrazu
vysoká kapacita
nízká hmotnost

Tyto podmínky splňují zejména lithiové baterie. Nalezl jsem konkrétní model Energizer Ultimate Lithium.

Energizer Ultimate Lithium balení 2ks

Tyto nenabíjitelné baterie mají velmi pěkné vlastnosti:

baterie AA s nejdelší vydrží na světě
funguje výborně v extrémních teplotách (od -40°C do +60°C)
hmotnost jednoho článku pouhých 19g
kapacita 2900mAh
napětí klasických 1,5V

Testy ještě ukaží zda zvolíme palubní napětí 9 nebo 12V.
Pokud zvolíme 9V, použijeme 6 článků, které dohromady váží 114 gramů. Pokud by kapacita nestačila, zdvojíme celou sadu a získáme tak téměř 6Ah. Pokud by let trval 3 hodiny, bylo by možné stále odebírat až 2A.

Tags: baterie, napájení

Příjem pozice, GPS moduly a jejich omezení

Feb 15, 2010 Komponenty balónu, Obecné myšlenky, Principy a limity

Minule jsem popisoval výběr přenosového systému telemetrie. Primární obsah přenášených dat je pozice balónu.

Global Positioning System, zkráceně GPS, umožňuje zjistit přesnou polohu a čas kdekoli na Zemi. A to nejen na povrchu, ale i ve výšce. Dobře pro nás …
Mezi veřejností není příliš známé, že GPS systém provozuje Ministerstvo obrany Spojených států amerických a všechny potřebné finanční prostředky na provoz (kolem 800 milionů dolarů ročně) pocházejí z rozpočtu USA.

Původně byl systém plánován pro 24 družic, dnes jich je maximální možný počet a to 32. Družice obíhají na střední oběžné dráze ve výšce 20200km nad Zemí. Nebudu vypisovat podrobnosti principu GPS systému, ten lze najít na mnoha a mnoha webech.

GPS družice - zdroj wikipedia.org

Zastavím se u části, která je důležitá pro náš projekt. Uživatele systému GPS lze rozdělit do dvou skupin: autorizovaní uživatelé a ostatní uživatelé.
Autorizovaní uživatelé jsou v podstatě pouze členové armády USA. Ti mají k dispozici zaručenou vyšší přesnost. Musí ovšem znát dekodovací klíče.

Ostatní uživatelé jsou všichni v civilním sektoru. Do této oblasti spadá veškeré použití, které pravděpodobně znáte.
Tento signál je tedy dostupný všem, bohužel i těm, kteří by jej mohli využít pro navádění zbraní – mezikontinentálních a jiných střel – s cílem destrukce. Proto byla zavedena COCOM omezení.

V systému GPS to znamená následující: přijímač GPS se musí vypnout pokud je přesažena výška 60 000 stop (18km) a zároveň rychlost vyšší než 515 m/s.

To by nebyl problém, protože oba limity najednou balón zcela jistě nepřekročí. Problém je v tom, že někteří výrobci GPS modulů si pravidla vyloží přísněji a přijímač se vypne při překročení jedné z těchto hranic. Pro nás by to znamenalo, že by se GPS přijímač vypnul ve výšce nad 18km.

Naštěstí existují i moduly, které COCOM omezení interpretují správně a jsou použitelné i ve výšce 30km. Takové tedy hledáme.
Při hledání informací narazil Martin na velmi zajímavou tabulku přijímačů, které prošli testem 60K feet. To nás tedy přivedlo k výrobci Trimble.

Prvním kandidátem přijímacího modulu GPS je:

12 Channel Lassen IQ GPS Receiver with DGPS - zdroj sparkfun.com

12 Channel Lassen IQ GPS Receiver with DGPS, ke kterému je zapotřebí ještě konektor Lassen iQ SMD Mating Header, kabel Interface Cable SMA to Lassen IQ Hirose HFL a anténa Antenna GPS Embedded SMA.
Celková cena těchto komponent je 80USD. Problém spočívá zejména v titěrných rozměrech komunikačního konektoru. Bude zapotřebí vyrobit spojovací desku a to bude stát čas a další prostředky.

Poté jsem nalezl podstatně novější modul od stejného výrobce, který je navíc osazen na desce:

Copernicus DIP Module - zdroj sparkfun.com

Copernicus DIP Module a k němu anténa Antenna GPS Embedded SMA. Cena těchto komponent je 87USD. Bohužel není v době psaní tohoto článku tento modul skladem a není známé, kdy bude.

Rozhodnutí, který modul zvolíme tedy zatím odsouvám.

Tags: anténa, cocom, gps, modul, pozice, přijímač, trimble

Příjem telemetrie z výšky 30 kilometrů

Feb 12, 2010 Komponenty balónu

Úspěch projektu stojí na informaci o tom, kde se balón aktuálně nachází. Přenos telemetrie je tedy klíčová věc. Vysílání musí překonat minimálně 32km (což je pouze předpokládaná výška, pozemní tým nemůže být vždy přímo pod balonem).

Při hledání informací o dostupném hardwaru, které tento požadavek zajistí jsem nejprve narazil na produkty Radiometrix.

Radiometrix NTX2 modul

Jsou to moduly operující ve volném pásmu, standardní frekvence 433MHz, kde není potřeba žádná licence. Umožňuje i vysílání ve vzduchu, i s vysílacím výkonem 10mW lze očekávat dosah desítky kilometrů – a to díky perfektní viditelnosti. Inu, směrem vhzůru toho moc nepřekáží
Pro příjem je ovšem potřeba citlivější rádio, které umí příjímat 70cm pásmo. Žádného radioamatéra mezi sebou zatím nemáme a tak jsem hledal dále.

Martin Sekera navrhl použít moduly XBee a tak jsem se na ně detailně podíval. Jsou to produkty americké společnosti Digi, která se zabývá právě hardwarem pro bezdrátový přenos dat. Navíc jsou často používány v kombinaci s platformou Arduino a existují i rozšiřující desky.
Ponořil jsem se tedy do kategorie Wireless > Point-to-Multipoint.

Řada XBee-PRO 868 perfektně splňuje naše požadavky:

moduly operují v pásmu 868MHz, které je vhodné i pro nás
moduly jsou malé a lehké
při venkovním použití a přímé viditelnosti dosah až 80km (směrem vzhůru lze očekávat i daleko víc)

XBee-PRO 868 module with RPSMA

Samotný modul XBee-PRO 868 long range module w/ RPSMA connector stojí podle informací webu 72USD. Dva moduly tedy vyjdou na 144USD.
Při pohledu do tabulky bylo jasné, že se vyplatí zakoupit Development Kit za 149USD, který ovšem obsahuje:

2x XBee-PRO 868 modul
2x development board (USB, RS232)
868 MHz RPSMA anténu
kabely
software

Primární přenos telemetrie bude tedy zajišťovat XBee.

Tags: 10mW, radiometrix, telemetrie, vysilani, xbee, xbee-pro 868

Zima, opravdu velká zima

Feb 5, 2010 Principy a limity

Když jsem se minule zmínil o tom, že je potřeba sledovat rozsah pracovních teplot komponent, nerozváděl jsem to dále, protože si tato problematika zaslouží samostatný článek.

Ve 30km nad Zemí je totiž už opravdu velká zima, konkrétně kolem -65°C.

Atmosféra Země je složitá struktura. Teplotní křivka s rostoucí výškou je znázorněna na tomto grafu (zdroj vortex.plymouth.edu) :

Teplota v závislosti na výšce od Země

Jak je vidět, po překročení určité výšky (10-11km) začne teplota stagnovat a od přibližně 20km se teplota začne paradoxně opět zvyšovat! Tomu jevu se říká stratopauza.

V horních vrstvách stratosféry (kolem 50km) se tak teplota dostane opět nad nulu. Tato vrstva obsahuje velké množství ozonu, které pohlcuje záření Slunce a způsobuje tak ohřívání.

Připomínám, že udávaná výška, kterou má dosahnout náš balón je 33 kilometrů a tak se stále budeme potýkat s teplotou pod -50°C.

Tags: atmosfera, mraz, ozon, strafosfera, stratopauza, teplota

Flight control aneb mozek balónu

Feb 1, 2010 Komponenty balónu

Flight control je základní komponenta, která bude provádět manipulaci s daty, přijímat příkazy, vysílat odpovědi a také ovládat foťák.

Od této komponenty požadujeme:

robustní řešení
stabilita
minimální hmotnost
nízká spotřeba
velký rozsah operační teploty
standardní řešení i softwarové vybavení

Existují v podstatě 2 varianty, jak k problému přistupovat:

vyvinout vlastní desku a vybrat si vlastní mikroprocesor
použít existující platformu

Obě varianty mají svoje výhody, ale jít cestou vlastního vývoje desky je jistě těžší. U našeho projektu jsou k řešení desítky problému a tak je zde vhodné využít ověřené a spolehlivé platformy, které již existují.

Martin Sekera, člen týmu, doporučil z vlastní zkušenosti platformu Arduino.

Existuje dokonce český distributor této platformy, obchod HW Kitchen.

Nejprve jsme uvažovali o variantě Arduino Duemilanove with ATmega 328.

Je to osvědčená platforma založená na procesorech Atmel ATMega. Hmotnost celé desky je krásných 27g. Má 14 digitálních vstupů/výstupů, ale pouze jeden jediný hardwarový seriový port. Celá deska tiká na 16MHz a programuje se pomocí vestavěného USB portu a Arduino Software, který je volně k dispozici pro stažení na všechny pc platformy (Windows, Linux, Mac).

Rozhodl jsem se napsat panu Ing. Oldřichu Horáčkovi z obchodu HW Kitchen. Projekt jsem mu představil a zeptal se na možnost podpory, sponzoringu. Panu Horáčkovi se projekt velmi líbí a tak s poskytnutím Arduino platformy můžeme počítat! Skvělá zpráva!

V následujících dnech jsem si ale uvědomil, že s jediným hardwarových seriovým portem bude potíž, protože pro naše další komponenty budou potřeba ještě alespoň 2 další.
Jistě, seriové porty se dají emulovat softwarově za pomoci klasických I/O pinů, ale je to také zdroj možných potíží, které si ve výšce 30km nemůžeme dovolit.

Problém by vyřešila varianta Arduino MEGA with ATmega 1280. Má totiž 4 hardwarové seriové linky a také mnohem více digitální I/O pinů. Je nepatrně větší a těžší, ale podstatně dražší.

Pan Horáček nakonec doporučil Seeeduino Mega V1.1 Assembled. Je to odnož založená na Arduino Mega, jenom je menší, lehčí a levnější.