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óScar marTínez hernández, noeldel ángel polanco*, eril a. paulín rodríguez*, pablo nieTo marTínez*, eliu beníTez hernández* y

ricardo caSTillo pérez*

RESUMEN

El objetivo de este proyecto es diseñar y construir un picosaté-lite cansat que pueda ser capaz de recolectar y transmitir datos de telemetría y posicionamiento global a una estación terrena móvil dentro de un smartphone, combinando algunas de las tecnologías que son aplicadas en comunicación inalámbrica (Zigbee y wii). Se pretende que los datos de interés (presión, temperatura, humedad, posicionamiento global, etcétera) sean desplegados gráicamente en la aplicación móvil durante el lanzamiento y descenso del cansat, con intervalos de lecturas de los datos de al menos 0.5 segundos. Otro objetivo del pro-yecto es la recuperación del cansat después del lanzamiento.

Palabras clave: picosatélite, cansat, smartphone, wii.

ABSTRACT

Design and build a CanSat Picosatellite able to receive and broadcast Telemetry and Global positioning data to a mobile station inside a Smartphone, along with ZigBee and Wi-Fi which are applied technologies for wireless communication so the device will be able to display graphically in a mobile app important data (Pressure, Temperature, Humidity, Global Positioning, etc.) during the launch and landing of the Can Sat, with data reading lapses of at least 0.5 seconds, as well as the recovery of the device.

Keywords: Picosatellite, CanSat, Smartphone, wi-i.

Este cansat trabaja con los requerimientos necesarios para el envío de datos de telemetría y posicionamiento global (GPS). El segmento de vuelo está constituido por una computadora de vuelo que utiliza un microcontrolador ESP8266 encapsulado en una tablilla compacta denominada ESP12-Q, a la cual se le incorpora un GPS, el sensor BMP180 y otros dispositivos para procesar los datos y obtener los valores de posicionamiento global, temperatura interna y externa, presión, latitud y altitud relativa –como lo haría un satélite convencional– (Walker et

al., 2010). * Instituto de Estudios Superiores de Tamaulipas.

Contacto: oscar.martinez@iest.edu.mx

La estación terrena ha sido diseñada y desarrollada a través de una aplicación móvil, la cual despliega, en tiempo real, los datos recopilados del cansat en un smartphone o PC, con esto se logra un despliegue de datos más amigable, ágil y versátil. La aplicación ha sido desarrollada con tecnología web; para poder hacerla llegar a su destino combina la transferencia de datos entre tres protocolos de comunicación inalámbrica: Zigbee (IEEE 802.15.4), transmisión de video de 5.8 GHz y wii (Domoprac, 2016; Pluralsigth, 2016).

MOTIVACIÓN DEL PROYECTO

El motivo para el desarrollo de este cansat, esencialmente, es que en la zona sur de Tamaulipas, compuesta por las ciudades de Tampico, Madero y Altamira, los temas relacionados con la tecnología espacial son escasos, y el peso académico de la mayoría de las líneas de investigación está estrechamente relacionado al área petroquímica e industrial.

Otras motivaciones son el reto para combinar varias tecno-logías típicas para la transmisión de datos de forma inalámbri-ca, con el uso de los protocolos Zigbee (IEEE 802.15.4) y wii. Así como programar y diseñar nuestra propia estación terrena mediante el software Node.js e IONIC (Nómadas electrónicos, 2015), para crear una aplicación capaz de representar los datos de telemetría del cansat en cualquier dispositivo, en cualquier parte del mundo, por medio de internet, ya sea una PC o un smartphone, como lo hiciera cualquier estación terrena.

OBJETIVO DE LA MISIÓN

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esta-ción terrena cada segundo y transmisión de video a estaesta-ción terrena.

Éxito medio: retransmitir y procesar datos durante el lanzamiento y descenso de 1/2 segundo por muestreo. Éxito máximo: envío y procesamiento de información entre los protocolos de comunicación inalámbrica Zigbee y wii des-plegados gráicamente en la aplicación móvil y en el orde-nador usados como estación terrena durante el lanzamiento y descenso del cansat, y recuperación del mismo.

REQUERIMIENTOS DE LA MISIÓN DE TELEMETRÍA

La misión debe cumplir con los requisitos que se detallan en la tabla I (las tablas y iguras en este trabajo fueron realizadas por los autores).

GESTIÓN DEL PROYECTO

Para poder lograr el funcionamiento del sistema Icarus se requiere el manejo de diferentes protocolos de comunicación

Tabla I. Requerimientos de la misión.

Requerimientos

del sistema Requerimientos del subsistema Metas

Dimensiones del cansat

Todos los componentes no deben exceder el diámetrointerno de unalata de refresco (menor a 6.5 cm). Ni el peso estipulado para la

misión.

Todos los componentes del cansat deben caber dentro de una lata de refresco de 355 mL y con una masa igual o menor a 355 g.

Antenas de transmisión de

datos

Uso de antenas para lograr aumentar el alcance de transmisión/

recepción.

Serán montadas al exterior y el diámetro deberá ser menor que el de la lata.

Transmisión de información

La transmisión de los datos del cansat a la estación terrena se realizará por medio de un Xbee SPRO, con

excepción de la transmisión de imagen que se realizará por medio de un módulo TBS UNIFY PRO.

El cansat únicamente es el transmisor y la estación terrena es el receptor.

Tiempo de transmisión de

información

La computadora de vuelo deberá ser un dispositivo capaz de manejar los protocolos de comunicación:

UART, I2C y SPI de forma rápida y segura.

Cada 0.25 segundos el cansat enviará telemetría a la estación terrena.

Suministro de energía

Características técnicas de los sensores, computadora de vuelo, y GPS. Deberán operar a un mismo nivel de voltaje y que no rebase los 2400 mAh en modo

operación.

Proporcionado por baterías de litio. Con fácil acceso para ser reemplazadas en caso de ser necesario.

Interruptor de encendido

Las señales proporcionadas por cada dispositivo de acuerdo a la variable medida deberán ser

compatibles con la computadora de vuelo.

El interruptor principal deberá ser colocado en un lugar accesible.

Mecanismo de descenso

aerodinámico El descenso no debe ser en caída libre.

Hacer uso de paracaídas. Y se contempla fuera del volumen del cansat.

Velocidad de

descenso limitada Entre 5 y 12 m/s.

Alcance de recepción

de datos Distancia de transmisión de datos. Entre los 400 y 500 m en línea recta.

y para ello se siguió el diagrama de operación de nuestro dispositivo que se muestra en la igura 1.

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DESGLOSE DE ACTIVIDADES DE LOS INTEGRANTES DEL EQUIPO

En la igura 2 se muestra el organigrama de cada una de las actividades necesarias para el desarrollo de este proyecto.

Figura 2. Organigrama del proyecto.

DESCRIPCIÓN FÍSICA Y ARQUITECTURA DEL PROYECTO

Arquitectura del sistema cansat

Figura 3. Arquitectura del sistema cansat.

Lista de componentes en cada subsistema

El proyecto está dividido en varios subsistemas cada uno, con un determinado conjunto de componentes. En la tabla II se muestra una lista de componentes.

Tabla II. Lista de componentes y utilidad.

Componente Peso unitario

Dimensiones (mm)

Fenólicas 5 g 30 X 50 GPS ublox m6 18 g 35 x 25 x 10

ESP12 5 g 45 x 18

Bmp 180 1 g 21 x 18 Xbee pro S3B 15g 61 x 52 Lata 25 g 6.5 diámetro Baterías 30 g 33 x 16

Video TX 5 g 17 x 24 x 4 Antenas 27 g 198 x 13

Dht22 2.5g 15 x 22 x 7.7 Cámara 33g 15*15*25 Estructura 155g - Tabla III. Distribución de masa de cada componente.

Subsistema Componente Modelo Utilidad

Computadora de

vuelo ESP8266 ESP12-Q

Procesamiento de datos

Energía Batería de li-ion Li-ion 14500 Proporcionar energía al cansat

Comunicación

Transmisor de datos / receptor

XBee PRO S3B

Transmisión y recepción de

datos Transmisor de

video

TBS Unify Pro

Transmitir video en tiempo real Antenas RPSMA Aumento de

alcance Receptor de

video HC-06 Recepción de datos

Misión (carga útil)

GPS Ublox 6

Adquisición de datos de altitud, longitud, latitud,

etcétera

Unidad de medición barométrica

BMP180

Adquisición de datos de temperatura, presión y altura

Giroscopio /

Acelerómetro MPU6050

Para la medición de vibraciones

Camara CMOS FAT SHARK CMOS 700v2

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Componente Voltaje

de

operación

(VCD)

Potencia requerida

en reposo

Potencia

requerida

en uso

ESP12-Q

(ESP8266)

3.0-3.6v 25 mA

25 mA + 30 mA max / pin

activo

Unidad de medición

barométrica (bmp180)

3.3-5v -- 5uA

GPS Ublox 3.3 – 6.0 V

12mA 50mA

Xbee PRO S3B 3.3-5v 240 mA 295 mA

MPU6050 3.6 -4.1 V 30-40mA 40 mA

DH22 3.3-6 V 1.5mA

Cámara 3.5-5v 60mAh

Video TX 5v 250-600mAh

Tabla IV. Distribución de potencia de componentes. Distribución de masa

Con base en los lineamientos del proyecto fue necesario reali-zar una tabla (véase tabla III) con los pesos de los componentes.

Costo de cada componente

Tabla V. Costos de cada componente.

Subsistema Componente Costo

(MXN) Cantidad

Computadora de

vuelo ESP12-Q $ 95 1

Energía Batería de litio $ 45 1

Comunicación

Transmisor / receptor

Xbee PRO S3B $1600 2 Regulador para Xbees $190 1 Programador para Xbee $300 1

Antena XBEE $150 2

Transmisor de video $1000 1

Misión (carga útil)

GPS $239 1

Unidad de medición

barométrica $69 1

Giroscopio / acelerómetro $58 1

Cámara $800 1

DHT22 $90 1

Total $5898

Integración de los subsistemas

En la igura 4 se muestra un diagrama que detalla la interacción de los subsistemas que componen el proyecto.

Figura 4. Interacción de subsistemas.

A continuación se explica brevemente la secuencia a seguir de cada subsistema para lograr que la misión sea exitosa.

SUBSISTEMA CANSAT

Se realiza la medición de las diversas variables físicas me-diante el uso de sensores. Las lecturas serán colectadas por la computadora de vuelo basada en el MCU esp8266 (Nómadas electrónicos, 2015) y, posteriormente, enviadas mediante un módulo emisor Xbee (Hangar, 2012). La transmisión de video será encendida por la computadora de vuelo, pero será transmitida independientemente por una conexión directa entre la cámara y el módulo TBS Unify (Team Blacksheep, 2016).

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Figura 5. Gráica de aceleración ( ) contra el tiempo en ms.

SUBSISTEMA ESTACIÓN TERRENA

Se procede a la recepción de datos mediante un módulo receptor Xbee, posteriormente se realiza el tratamiento de datos –recepción, proceso, empaquetado– en un pequeño servidor portable. También recibe los datos de video mediante un receptor análogo con pantalla y los reenvía mediante un servicio de websockets (Phoboslab, 2013).

SUBSISTEMA CLIENTE PC O DISPOSITIVO MÓVIL

La aplicación Icarus realizará el desempaquetado y presen-tación de datos numérica y gráicamente. Y estará disponible para poder acceder a los datos y video en tiempo real desde la red local, y estamos trabajando en el acceso desde Internet.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Se precisó enfocar la transferencia de información en un alto muestreo del sensor MPU6050 (acelerómetro y giroscopio) (Naylamp Mechatronics, 2016), se obtenían 46 muestras por segundo de los seis ejes, como se muestra en la igura 5.

En esta igura se presentan los datos de los tres ejes del acelerómetro. Son 70 muestras de cada eje a lo largo de 1520 milisegundos. Las vibraciones no parecen ser críticas, pero en algunos puntos llegan a tener altos cambios. No se aplicaron iltros.

El resto de las mediciones se recibieron cada segundo (iguras 6 y 7). Debido a que la prueba fue de baja altitud se obtuvieron resultados sin cambios signiicativos. La prueba se realizó a 12 metros y el tiempo de caída fue de poco más de dos segundos.

m s2

Figura 6. Gráica de presión (hPa) contra tiempo (ms).

Debido al corto tiempo de caída sólo se tomaron tres muestras de presión (ver igura 6), que equivalen a altitudes desde 12.5 hasta un metro (si la presión a partir de la cual se mide es 1006.5hPa), como se muestra en la igura 7.

Figura 7. Gráica de altitud (m) contra tiempo (s).

CONCLUSIONES

Los resultados obtenidos nos permiten darnos cuenta que el manejo de los diferentes sistemas de comunicación inalámbrica pueden ser aplicadas a una misión cansat; con ello logramos tener el conocimiento necesario para poder utilizarla en otros campos, como la medicina espacial y la comunicación satelital, entre otros.

Cabe mencionar que las conclusiones de este documento son preliminares, ya que se seguirá trabajando en el diseño de la aplicación, la distribución de componentes de cada subsistema y, por ende, en el diseño mecánico de nuestro cansat, además de adherir algunos iltros y procesamiento de datos necesarios para obtener información de mejor calidad para el análisis.

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AGRADECIMIENTOS

Agradecemos al IEST por las facilidades dadas en el desarrollo de este proyecto. Al MCIE Óscar Martínez Hernández por las asesorías brindadas en cada etapa desarrollada.

REFERENCIAS

Domoprac. (2016). Protocolos de red: tipos y utilidades. Consultado el

4 de agosto de 2016. http://www.domoprac.com/protocolos-de-co

-municacion-y-sistemas-domoticos/protocolos-de-red-tipos-y-uti

-lidades.html

Hangar. (2012). Arduino + Xbee; primeros pasos. Consultado el 10 de agos

-to de 2016. https://hangar.org/webnou/wp-content/uploads/2012/01/ arduino-xbee-primeros-pasos.pdf

Naylamp Mechatronics. (2016). Tutorial MPU6050, acelerometro, y

giroscopio.Consultado el 11 de agosto de 2016. http://www.

naylampmechatronics.com/blog/45_Tutorial-MPU6050-Aceler%

-C3%B3metro-y-Giroscopio.html

Nómadas electrónicos. (2015). ESP8266-Wii para microcontroladores. Consultado el 4 de agosto de 2016. https://nomadaselectronicos. wordpress.com/2015/03/08/esp8266-wii-para-microcontroladores/ Phoboslab. (2013). Html5 live video streaming via websockets. Con

-sultado el 11 de agosto de 2016. http://phoboslab.org/log/2013/09/ html5-live-video-streaming-via-websockets

Pluralsigth. (2016). How to get started with Ionic framework on Mac

and Windows. Consultado el 4 de agosto de 2016. https://www.

pluralsight.com/blog/softwaredevelopment/ionic-framework-on-mac-and-windows

Team Blacksheep. (2016). TBS Unify Pro 5G8 (HV) Video Tx. Consultado

el 10 de agosto de 2016. http://www.team-blacksheep.com/tbs-unify-pro-5g8-manual.pdf

Walker, R., et al. (2010). ESA Hands-on Space Education Project Activities

for University Students: Attracting and Training the Next Genera

-tion of Space Engineers, IEEEEDUCON, Education Engineering,

1699-1708.

Figure

Tabla I. Requerimientos de la misión.

Tabla I.

Requerimientos de la misión. p.2
Figura 1. Diagrama de Operación de Icarus.

Figura 1.

Diagrama de Operación de Icarus. p.2
Figura 3. Arquitectura del sistema cansat.

Figura 3.

Arquitectura del sistema cansat. p.3
Figura 2. Organigrama del proyecto.

Figura 2.

Organigrama del proyecto. p.3
Tabla V. Costos de cada componente.

Tabla V.

Costos de cada componente. p.4
Figura 5. Gráica de aceleración (     ) contra el tiempo en ms.SUBSISTEMA ESTACIÓN TERRENA

Figura 5.

Gráica de aceleración ( ) contra el tiempo en ms.SUBSISTEMA ESTACIÓN TERRENA p.5
Figura 7. Gráica de altitud (m) contra tiempo (s).

Figura 7.

Gráica de altitud (m) contra tiempo (s). p.5
Figura 6. Gráica de presión (hPa) contra tiempo (ms).

Figura 6.

Gráica de presión (hPa) contra tiempo (ms). p.5

Referencias

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