High Altitude Ballooning with LoRa Fourth launch

這次最主要的是探空儀改版,從上圖很明顯的可以看出來面積再次的下降
壓到了2x5cm(不包含外部感應器),幾乎是兩個AAA電池的大小了

為了縮小面積,最主要的GPS模組換成MAX-7相容的L70-R,氣壓計換成BMP280
另外Atmega328也換成MLF的版本,唯獨16Mhz的Crystal與RFM98沒換
而升壓電路維持同一個晶片,但是電感換成體積更小的了

BMP280真的很小,旁邊有一個0402的電容可以比較

另外也把SHT21+GPS的天線做在同一張板子上,這樣一來就不用另外再接線了,減低重量也簡化組裝,SHT21為了減少主板的影響,所以中間的PCB寬度很窄,一不小心真的會扳斷

而ISP換成1.25mm的插座,原本用接觸點+彈簧針的方式真的是很不方便而且占面積

天線也換成5/8波長的多芯線,比之前的單芯線重量少很多
所以..這次的減重答案就是.....

各位觀眾,七公克,七公克,七公克
雖然加上電池就變十五克,但是比起之前的重量少了快60%

這次還是打算用鋁箔氣球做測試

接收機還是一樣一個全向性與指向性

一樣還是全向性接收機用的是Linkit 7688架的Server,然後指向性天線是用筆電收

所以iPhone和筆記型電腦都可以直接看到接收的狀態

然後這次的飛行最主要的問題就是我的指向性天線沒有對準,所以導致全向性天線接收機的RSSI比指向性天線好非常多,當然也有可能是我的指向性天線已經有點問題了,這可能要在查一下,不過幸好全向性天線的狀況不錯,整個過程都能接收的到訊號,所以基本上資料沒斷

結果如下:

基本上還是一到高度就開始漏氣然後往下掉,最高到四千公尺左右

電壓這次的測量方式改成用內建的Bandgap,應該比較準一點,可以看到從一剛開始的1.47v一路下降到1.34v,但是有趣的是之後的斜率有點改變,而整個曲線也不像是正常的電池放電那種

我可能之後會做一個正常的探空圖,不過多少用這個可以看看端倪
這天基本上沒啥逆溫層,上去下來的溫度也差不多,不過濕度差異頗大,可以看到1000m處
應該是有雲啦,要算一下水氣量

RSSI的話很明顯可以看到這次指向性比全向性還要好,最主要的問題是我指錯方向..
下一版接收軟體應該會把方位角與仰角顯示出來

這張是兩個資料合併的結果,所以RSSI的變化有點大,不過還是可以看出來基本上極限在-96~100附近

最後就是GPS衛星數最大有11顆,以一個晶片型天線來說很不錯了
還有最遠距離13.19km,不過基本上是因為氣球掉下去才結束的

High Altitude Ballooning with LoRa Third launch

這次把探空做的更小,面積縮小到3x5cm,零件的改變基本上差不多
Sensor移除了MPU9250,氣壓計換成MS5607(因為可以低到10hpa)
GPS模組不變,而電源供應的部分變得最多

這次可以用三種供電選項,以設定操作電壓3.3V為界:
>3.3V可以用LDO供電
<3.3也有個Step-up,讓這次的Node可以吃一個AAAA電池
最後還可以吃太陽能電池

如果用L92的話,總重量可以壓在25g

而接收站這次改變的最大,以前在發射的接收站都只是用Python做的離線版,只不過是Cmdline的GUI版本,所以其他人都需要走過來看數據,這其實不是很方便,所以這次改用Node.js做了一版網頁版本的Server,與搭配的前端.

我先講一下這次的整個架構:用圖說明比較快

第一次測試TDMA的時候,是為了測試不同設定下的距離,這是改成切換不同的頻道,
而且雖然第一次測試是失敗的,但是這次大家都裝了GPS,有了共同的timepulse,就可以做到用一對一變成一對多:

Node.js的部分主要分三個

1. 直接記錄成CSV
2. 推送網頁
3. Socket即時傳控制與資料

而前端也是有四個模組組成

1. 地圖
2. 控制
3. 每個通道的即時資料
4. Chart

地圖是我從第一次放探空氣球就一直很想做出來的東西,以前用Python的時候不知道怎麼寫,但是用網頁就方便多了,利用leaflet+抓下來的Google map,就可以做成我要的離線版地圖
不過這次遇到的問題是,c3.js很吃資源,每秒推一筆SP3的風扇就開始轉,所以暫時先拿掉這功能

而為了野外架接收站的方便,我把整套系統搬到Linkit 7688,就把整個系統縮小到可以放在防水盒裡面,搭配降壓模組直接吃12V的電瓶.
另外雖然可以直接用Linkit 7688 Duo直接接上LoRa的模組,不過因為手上就已經有以前做好的接收站了,所以就直接用Serial port接上7688.絕對不是因為我懶喔O.<

第一版的探空,換個韌體就變接收機惹,一路用到現在

獨立運作還可以開AP讓大家連線的接收站,我愛7688

內部照我就不放了,因為真的是太慘烈,我怕正常人看到會崩潰

然後這次是在文化大學放的氣球

我也想要有個RTK GPS...

由於要多個Node,所以改用全向性天線

BUT,我還是有架另外一台用指向性天線作為Backup,不過這台小接收站是用Arduino Leonardo(Atmel Atmega32U4)做的,我之前手癢做一台專門接收用的板子.

不過需要接上電腦才能運作,所以把nodejs搬到筆電架整套Server.

我忘記帶繩子

然後最後就是發射了,這次發射與以往的不同,氣球改用鋁箔氣球

主要是實驗需要定高度,而且高度要低,所以用鋁箔氣球測試看看狀況如何
結果異常慘烈XD,用高度的時間圖一看便了

氣球上升到一半就漏氣然後就掉了,而且超快,最後收不到資料都是Lost LOS
第一個是如下圖只有一顆氣球,而且是灌滿的,拉力大概75克,第二個是如上圖的三顆沒充滿的氣球,拉力沒測...

LOS lost

由於不到一小時氣球就掉了,所以距離也就數十公里....
下次應該會再測試幾次吧

High Altitude Ballooning with LoRa Second launch

                                 

這次是實際Run了,基本目的是要抓30km高的宇宙射線,
上一次的發射確認了LoRa模組等等的驗證之後,這次就是把宇宙射線的儀器掛載上去
紅色線是上次的飛行路線,和這次來做個比較.可以發現的是距離和高度都遠超出上次的狀況
這次最遠達到268.5km,最高36255公尺

High Altitude Ballooning with LoRa

好久沒有寫廢話了,Blog的草稿越疊越高,過陣子應該就有空補完,
不過這東西真的令人興奮,所以趕快貼上來

As title,這次是關於高空氣球.

左邊接收器,右邊要探空的

上圖是同一種電路板但是設定成不同功能,一個是探空儀,另一個是地面接收站
規格如下:

• Atmega328 (就是用Arduino UNO)
• RFM98    (LoRa模組)
• Neo 6m    (GPS)
• MPU9250 (姿態)
• BMP180 ,但是之後換成MS5607 (氣壓計)
• HDC1000

首先來講一下重點的無線模組,這次用的是LoRa,比傳統的FM那種來說,首先是Link Budget可以很高,而且可以藉由下調速度來換取更高的Link Budget,而換取更遠的距離

這次的速度設定有兩個,第一是GPS Channel,有鑑於這是最重要的一筆資料(與天線指向有關)

所以設定的速度很低,只有183.11bps, 參數是:SP:12,Band:125Khz,CR:4/8

而這個Link budget達到154dB

第二個則是Payload Channel,這次是裝了九軸計算出來的姿態,速度是21875bps

參數是SP:7,Band:500khz,CR:4/5,Link budget只有134dB

而這兩個的理論最低接收訊號強度為 -137和-117dBm

至於九軸這次選MPU9250主要的原因是因為體積,比起9150來說,周邊電路的零件減少一些

另外就是氣壓計,其實BMP180並不適合,因為最低氣壓只有300hPa,換算高度大概只有七公里

所以在第二次升空的時候改用MS5607,最低可以達到10hPa.

至於GPS模組就是單純找個能用的然後便宜,不過這有個Trick,還有個大魔王,下面會提到

我原先的發射流程是希望探空儀用GPS計時,之後就每分鐘切到GPS Channel後送一筆GPS位置和高度,其他時候每秒鐘送一次姿態+其他資料回來

然後地面站同步時間切頻道收資料,一種TDMA的概念

試了一下覺得沒問題就跑去升空

然後就出問題了,由於問題太多,所以決定用條列式的

1. GPS高度資料是錯的
2. Yagi天線也是錯的頻率
3. 地面站的時鐘和GPS時間有誤差
4. Python的Thread Handle也有問題
5. 被大樓擋住

GPS高度錯誤這件事情真的讓我嚇到了,氣球上去之後看著他升空遠去,然後轉頭看著電腦的20m高.....然後就GG了,高度資料出問題的時候,天線指向的仰角會出問題,理論上這時候應該要切成壓高公式去計算(把靜力平衡和氣體方程式帶進去然後隨高度積分),但是一來,我沒有環境的溫濕度計,沒有辦法計算需要的平均虛溫,而且我也沒有寫這個副程式

於是只能用N小時前的探空資料去算大概的高度,免強追到25Km遠

這一切是因為我沒有設定成飛航模式,也就是讓GPS知道說我不在地面上.u-blox需要先由u-blox center設定後,才有高度可以用,而且還要加電池不然設定會消失.再來就是Yagi天線的問題,原先的設計是給400Mhz的Vaisala用的,然後我以為433應該也可以,計算證明根本.....至於地面時鐘,這大概無解,只能讓地面站也有GPS會比較好一點

可以看到的是RSSI基本上剛開始有點悲劇,後來用探空資料回推高度有好一些,但是之後還是GG了,而能夠慶幸的是電池電壓與內部溫度都沒有變低多少,不過高度只有404hPa

接下來是第二次測試,改進的點就是

1. GPS模組補回備份電池,同時設定成Airborne <1g
2. 接收機變成兩組,兩隻新的433Mhz Yagi天線,同時接收兩個Channel
3. 地面接收站改版加了GUI
4. GPS資料改成每10秒送一筆,而且多送外部溫度,氣壓資料

然後剛開始前先用一個小氣球和繩子測試GPS的高度資料正常,由於高度很低,所以用防靜電袋裝著就好

可以看到線的重量已經開始影響升力了

然後測試正常之後就換大顆的氣球來

雙接收器

地面接收站軟體,要注意的是外部溫度沒有接上

由於這次風向正確,所以沒被任何東西擋住,算是滿成功的接收到67Km遠,13km高的程度

可以看到的是,RSSI維持在-90附近,差不多是這次實測的極限

內部溫度則是達到了-6度,但是電池電壓依舊是沒啥太大的變化,

至於為啥最後會失效,從GPS和Payload同時掛掉來看應該不是因為訊號的問題

I2C lock 住也應該不是問題,因為我已經把TWI.c改過了一下,把所有的while loop都加了Timeout

電池電壓也明顯不是,這溫度應該還不到直接掛掉,Feq shift也不過150hz,理論上不成問題

所以目前打算的解法就是用Watchdog先撐著.....

這篇應該還會再補就是了,應該啦

=====Update=====
我後來想起來一個很好笑的事情,我用的LDO是LM1117-3.3v
用Li-poly很明顯得Vdrop太大,電壓應該下降了不少
所以我覺得很有可能是因為溫度下降之後,電池過LDO電壓掛掉
這次的電池電壓測量方法是用VCC當3.3v,也不是用內建的Bandgap
所以測出來穩定的4.2V其實很有問題