2 misja projektu Antares - czerwiec 2019

Celem misji jest wysłanie komórek ludzkich i zwierzęcych różnego typu na pokładzie balonu stratosferycznego, aby wystawić je na działanie promieniowania obecnego w stratosferze, które jest wielokrotnie wyższe niż na powierzchni Ziemi.

Główne założenia:

• na pokładzie balonu znajdować się będzie 12 pojemików (T25 cell culture flask) zawierających specjalny żel z odżywką i tlenem, w którym umieszczone zostaną różne linie komórek,
• temperatura żelu z komórkami pozostanie w zakresie 35-37°C w czasie całego lotu
• na pokładzie balonu znajdować się będą czujniki umożliwiające pomiar dawki promieniowania

Opis systemu

Gondola sensorowa

Zawierać będzie trzy płytki PCB. Pierwsza z nich zawierać będzie:

• mikrokontroler STM32L151RDT6
• karta microSD do zapisu danych z czujników
• moduł HC-08 do komunikacji BLE z systemem odcięcia
• moduł ESP8266 do komunikacji przez WiFi
• 7 czujników DS18B20PAR do pomiaru temperatury: 4 umieszczone bezpośrednio na płytce, 1 na zewnątrz gondoli, 2 przy bateriach,
• czujniki korzystające z magistrali I2C: Pololu AltIMU 10 v3, MAX30205, DS3231, HSCDANN001BA2A3, HDC1080
• tranzystory do kontrolowania zasilania brzęczyka i rezystora grzejnego (do baterii)
• wyprowadzenia do podłączenia płytki PCB z licznikiem geigera
• wyprowadzenia do podłączenia zewnętrznej płytki PCB

schemat: https://trello.com/c/jY1YlqFJ/54-pcb-elektronika
oprogramowanie: https://github.com/simle-stardust/Antares2018

Druga płytka PCB zawierać będzie:

• mikrokontroler z rodziny STM32
• wyprowadzenia do trzech tub Geigera-Mullera - SBM20
• przetwornicę na 400V do zasilenia tub

schemat: w przygotowaniu
oprogramowanie: w przygotowaniu

Trzecia płytka PCB znajdować się będzie na zewnątrz balonu i zawierać będzie:

• sygnalizacyjne diody LED
• moduł RF-LORA zawierający chip SX1272 do komunikacji dalekobieżnej za pomocą protokołu LoRa
• GPS - uBlox NEO 6M
• Brzęczyk

schemat: w przygotowaniu

Poza płytkami, w gondoli sensorowej znajdą się trzy niezależne źródła zasilania:

• 6V dla ogólnie pojętej elektroniki
• 6V dla rezystora grzejnego
• 9V dla komunikacji przez LoRa

Gondola eksperymentalna

Zawierać będzie płytkę PCB odpowiedzialną za pomiar temperatury próbek biologicznych i jej kontrolę poprzez sterowanie zasilaniem rezystorów grzewczych.

schemat: https://trello.com/c/RVC6CGu9/56-pcb-medycyna
oprogramowanie: w przygotowaniu

Interfejs stacja naziemna <-> PC [WIP]

Stacja naziemna komunikuje się z komputerem poprzez port szeregowy, wykorzystując interfejs UART mikrokontrolera STM32 będącego centralnym elementem stacji naziemnej. W chwili obecnej komunikaty wysyłane na komputer wyglądają następująco:

Powyższe ramki zbudowane są następująco:
[ALT3][ALT2][ALT1][ALT0][LAT3][LAT2][LAT1][LAT0][LON3][LON2][LON1][LON0][TEMP1][TEMP0][TEMPINFO2][TEMPINFO1][TEMPINFO0][LF1][LF0][ST1][ST0][STKOM1][STKOM0]

każdy nawias kwadratowy to jeden bajt
przedrostek 0x oznacza zapis heksadecymalny

• [ALT3][ALT2][ALT1][ALT0] - 4 bajty zawierające wysokość, np. 0x00001234 oznacza wysokość 4660m
• [LAT3][LAT2][LAT1][LAT0] - 4 bajty zawierające szerokość geograficzną odczytaną z GPS, pomnożoną przez 10000 np. 0x20527EC6 oznacza 5422.77318 N (litera domyślnie bo przecież półkuli nie zmienimy w trakcie lotu),
• [LON3][LON2][LON1][LON0] - 4 bajty zawierające długość geograficzną odczytaną z GPS, pomnożoną przez 10000 np. 0xAF21BF0 oznacza 1836.39024 E (litera jw.)
• [TEMP1][TEMP0] - starszy i młodszy bajt zawierające średnią temperaturę próbek przemnożoną przez 100, np. 0x1234 oznacza tempraturę 46.60°C
• [TEMPINFO2][TEMPINFO1][TEMPINFO0] - 3 bajty (24 bity) zawierające informacje o teperaturach każdej próbki (jest 12 próbek, numerowanie od 11 do 0), każde kolejne dwa bity to info o próbce, zakodowane w następujący sposób:
  • 00 - temperatura ok (między 35 a 37 stopni)
  • 01 - temperatura za wysoka (powyżej 37)
  • 10 - teperatura za niska (poniżej 35)
  • 11 - jakiś error code, np. awaria czujnika
  • Czyli jeśli nasze 3 bajty TEMPINFO wyglądają tak: 0x1500A0, czyli 000101010000000010100000, czyli możemy to podzielić na |00|01|01|01|00|00|00|00|10|10|00|00, to wiemy że:
    • próbki nr 11, 7, 6, 5, 4, 1, 0 mają emperatury OK,
    • próbki nr 10, 9, 8 mają za wysoką temperaturę,
    • próbki nr 3, 2 mają za niską temperaturę.
• [LF1][LF0] - starszy i młodszy bajt ostatnio odebranej ramki ze stacji, np. 0x0101 oznacza że odebrano ramkę 0x0101
• [ST1][ST0] - starszy i młodszy bajt statusu, łącznie 16 bitów, każdy bit odpowiada za inny error:
  • I2C_PRESSURE_ERR - błąd czujnika ciśnienia HSC, gdy zerowy bit Status = 1
  • I2C_RTC_ERR - błąd zegara czasu rzeczywistego, gdy 1 bit Status = 1
  • I2C_GEIGER_ERR - błąd licznika geigera, gdy 2 bit Status = 1
  • I2C_MAX30205_ERR - błąd czujnika temperatury MAX30205, gdy 3 bit Status = 1
  • I2C_HDC1080_ERR - błąd czujnika wilgotności, gdy 4 bit Status = 1
  • I2C_INA3221_ERR - błąd czujnika prądu, gdy 5 bit Status = 1
  • I2C_GYRO_ERR - błąd żyroskopu, gdy 6 bit Status = 1
  • I2C_ACC_ERR - błąd akcelerometru, gdy 7 bit Status = 1
  • I2C_BARO_ERR - błąd czujnika ciśnienia z IMU, gdy 8 bit Status = 1
  • DS18_ERR - błąd jednego z czujników temperatury DS18B20, gdy 9 bit Status = 1
  • SD_ERR - błąd karty SD, gdy 10 bit Status = 1
  • GPS_ERR - błąd GPSu, gdy 11 bit Status = 1
  • WIFI_ERR - błąd komunikacji za pomocą WiFi, gdy 12 bit Status = 1
  • BLE_ERR - błąd komunikacji za pomocą Bluetooth, gdy 13 bit Status = 1
  • UNDEF_ERR1 - do uzgodnienia, gdy 14 bit Status = 1
  • UNDEF_ERR2 - do uzgodnienia, gdy 15 bit Status = 1
• [STKOM1][STKOM0] - starszy i młodszy bajt statusu gondoli z komórkami, na razie nie wiadomo jakie dokładnie tam będą wartości (musiałoby ruszyć programowanie gondoli z komórkami)

Protokół komunikacji przez WiFi [WIP]

Schemat blokowy komunikacji przez WiFi przedstawiony jest poniżej:

Główną rolę pełni ESP8266 obecne w gondoli głównej. Udostępnia ono sieć lokalną po podłączeniu do której możliwe jest wyświetlenie aktualnych danych pomiarowych np. przez przeglądarkę. Dane które powinny być udostępnione na serwerze to:

Dane z gondoli głównej

• dane z zegara czasu rzeczywistego - godzina, minuta, sekunda [3 bajty/24 bitów],
• 7 temperatur z czujników DS18B20 [każdy ma 2 bajty/16 bitów],
• dane z czujnika wilgotności [2 bajty/16 bitów],
• dane z czujnika ciśnienia [2 bajty/16 bitów],
• szerokość geograficzna [4 bajty/32 bitów],
• długość geograficzna [4 bajty/32 bitów],
• wysokość [4 bajty/32 bitów],
• status flagi [2 bajty/16 bitów],

Dane z gondoli komórkowej

• 30 temperatur z czujników RTD z gondoli komórkowej [każdy ma 2 bajty/16 bitów],
• 12 statusów sygnału sterującego mosfetami [każdy ma 2 bajty/16 bitów],
• status flagi gondoli z komórkami [2 bajty/16 bitów].

Dane z odcinacza

• status odcinacza - czy sygnał odcinający został uruchomiony [1 bajt/8 bitów]. (1 bit by wystarczył ale pewnie łatwiej będzie parsować dane bajtami).

Aby aktualizować i pobierać dane z serwera, poszczególne moduły ESP powinny obsługiwać następujące komendy przez interfejs UART:

Uwaga! Wartości w kwadratowych nawiasach powinny być traktowane jako surowe bajty a nie jako znaki kodu ASCII!!!
ESP8266 w gondoli głównej

• @MarcinOdcinaj! - powoduje wysłanie komendy do odcinacza skutkującej włączeniem przepływu prądu przez drut oporowy (odcięcie balonu). Całkowita długość ramki, łącznie z headerem i znakiem końca to 15 bajtów.
• @MarcinSetValues:[HH],[MM],[SS],[DS18B20_1_1][DS18B20_1_0],[DS18B20_2_1][DS18B20_2_0],[DS18B20_3_1][DS18B20_3_0],[DS18B20_4_1][DS18B20_4_0],[DS18B20_5_1][DS18B20_5_0],[DS18B20_6_1][DS18B20_6_0],[DS18B20_7_1][DS18B20_7_0],[HUM1][HUM0],[PRES1][PRES0],[LAT3][LAT2][LAT1][LAT0],[LON3][LON2][LON1][LON0],[ALT3][ALT2][ALT1][ALT0],[SF1][SF0]! - powoduje ustawienie wysłanych wartości jako aktualne wartości pomiarowe na serwerze. Całkowia długość komendy, łącznie z headerem i znakiem końca to 68 bajtów. Poszczególne zmienne oznaczają:
  • [HH] - godzina,
  • [MM] - minuta,
  • [SS] - sekunda,
  • [DS18B20_x_1][DS18B20_x_0] - starszy i młodszy bajt temperatury z czujnika DS18B20 o numerze x,
  • [HUM1][HUM0] - starszy i młodszy bajt wilgotności,
  • [PRES1][PRES0] - starszy i młodszy bajt ciśnienia,
  • [LAT3][LAT2][LAT1][LAT0] - 4 bajty zawierające szerokość geograficzną,
  • [LON3][LON2][LON1][LON0] - 4 bajty zawierające długość geograficzną,
  • [ALT3][ALT2][ALT1][ALT0] - 4 bajty zawierające wysokość,
  • [SF1][SF0] - 2 bajty zawierające status flagi.
• @MarcinGetValues! powoduje zwrócenie aktualnych wartości pomiarowych z serwera. Całkowita długość komendy to 17 bajtów. Odpowiedź na tą komendę powinna mieć postać
  @MarcinOK:[RTD1_1][RTD1_0],[RTD2_1][RTD2_0],[RTD3_1][RTD3_0],[RTD4_1][RTD4_0],[RTD5_1][RTD5_0],[RTD6_1][RTD6_0],[RTD7_1][RTD7_0],[RTD8_1][RTD8_0],[RTD9_1][RTD9_0],[RTD10_1][RTD10_0],[RTD11_1][RTD11_0],[RTD12_1][RTD12_0],[SFKOM1][SFKOM0]! (łączna długość = 49 bajtów), gdzie:
  • [RTDx_1] - starszy i młodszy bajt temperatury z RTD o numerze x,
  • [SFKOM1][SFKOM0] - status flagi gondoli z komórkami.

ESP8266 w gondoli z komórkami

• @MarcinSetValuesKom:[RTD1_1][RTD1_0],[RTD2_1][RTD2_0],[RTD3_1][RTD3_0],(...),[RTD30_1][RTD30_0],[MOSFET1_1][MOSFET1_0],[MOSFET2_1][MOSFET2_0],(...),[MOSFET12_1][MOSFET12_0],[SFKOM1][SFKOM0]! - powoduje utawienie wysłanych wartości jako aktualne wartości pomiarowe na serwerze. Łączna długość ramki to 150 bajtów. Poszczególne zmienne oznaczają:
  • [RTDx_1][RTDx_0] - starszy i młodszy bajt temperatury z RTD o numerze x,
  • [MOSFET12_1][MOSFET12_0] - starszy i młodszy bajt sygnału sterującego MOSFETAMI,
  • [SFKOM1][SFKOM0] - status flagi gondoli z komórkami.