DESENVOLVIMENTO DE UM MÓDULO EMBARCADO PARA EXPERIMENTOS COM BALÕES DE ALTA ALTITUDE

Resumo

As sondas meteorológicas são comumente utilizadas em aeroportos ao redor do mundo, sendo lançadas geralmente pela manhã e ao fim de tarde, as principais utilizações destes dispositivos baseiam-se na previsão do tempo e orientação e sentido do vento naquele turno/dia. Sabendo disso, os balões de alta altitude (HAB, do inglês High Altitude Balloon) também são capazes de obter informações de temperatura, geolocalização (GPS), altitude, contador de radiação, entre outros. Os balões utilizados para telemetria são divididos em dois grandes grupos, o grupo de curta distância (semelhante às sondas lançadas por aeroportos) e longas distâncias, porém, em ambos os casos há desafios na construção de sistemas embarcados para estes casos. O protocolo de transmissão WSPR (do inglês Weak Signal Propagation Reporter) é utilizado na construção e implementação destes tipos de sistemas embarcados, pois a confiabilidade e facilidade na manipulação dos dados e informações coletadas a partir de sensores e processados geralmente por um microcontrolador (neste caso, ATMEGA 328) é relativamente alta. A configuração deste protocolo é realizada de forma a transmitir informações de latitude e longitude (GPS), temperatura, tensão do painel (isto pois o sistema é alimentado por células solares e não por bateria), contador de radiação (desenvolvido pelo Centro Universitário FEI) e altitude. A implementação do protocolo WSPR é realizada a partir de 50 bits por ciclo, e serão transmitidos 5 frames (ou quadros) de 50 bits cada, sendo que cada frame individual faz-se necessário um tempo de espera de transmissão de 120 segundos. Os frames são divididos em 3 alocações de informação, 28 bits alocados para o indicativo, 15 bits alocados para o grid locator (GPS) e 7 bits para potência. A telemetria utilizada para a comunicação entre sistema embarcado (balão) e estação rádio base é realizada de maneira que o primeiro frame seja transmitido de forma padrão do próprio protocolo WSPR e o restante dos próximos 4 frames sejam realizadas uma própria telemetria para transmissão. Os frames são organizados de forma otimizada e balanceada entre informação e tempo de processamento de cada sensor. Os dados a serem transmitidos são codificados em linguagem de programação C. O indicativo especial (fixo entre os frames 2 e 5) é implementado de maneira que o primeiro caractere seja 0, isto para identificar que trata-se de um indicativo especial. O campo referente ao grid locator é dividido em 2 pares (letras e números), por fim, o campo de potência do protocolo também é manipulável, porém com algumas restrições de combinações, ou seja, o primeiro dígito varia entre 0 e 6, já o segundo é fixo em 0, 3 e 7. As informações de posicionamento geográfico do balão são separadas em dois frames (primeiro e segundo), isso para aumentar a confiabilidade e a precisão do posicionamento real do balão. Além da necessidade de precisão na informação de GPS é necessário também um nível de precisão de aproximadamente 3,6 metros na informação de altitude, assim, os dois pares da alocação para o grid locator do terceiro frame são codificados de forma onde obteve-se 9.999 valores, e, como, a variação ocorre de 0 a 36.000 metros consegue-se assim obter a resolução desejada. Para a transmissão das informações de temperatura e tensão do painel é utilizado a alocação de grid locator do quarto frame, assim, pode-se separar os dois pares alocados a este campo um para cada informação codificada e transmitida. O subintervalo referente a temperatura é codificado de maneira que pode variar de -80 e 27 graus Celsius e é representado pelo par dos numerais (ou seja, segundo par do campo de codificação), e também possui uma resolução de 1 grau Celsius. A tensão do painel é representada e codificada pelo primeiro par de algarismos do campo do grid locator também no quarto frame de transmissão, possui uma resolução de 33 mV e pode variar de 0 a 3,267 Volts. A partir disso e como comentado anteriormente, o quinto e último frame transmitido é composto pelo indicativo especial, contador de radiação e o campo alocado a potência ainda não há codificação definida, mantendo-se disponível para futuras modificações e possibilidades de codificação de alguma informação. Por fim, nota-se que com os 10 minutos totais de transmissão do protocolo WSPR é possível transmitir todas as informações planejadas e também obtém-se uma resolução relativamente alta para todas as informações transmitidas, o que torna o sistema de transmissão adequado para a aplicação. Assim, a partir disso a ideia baseia-se na prototipação e construção de um tracker, ou sistema embarcado, capaz de transmitir todas as informações citadas ao longo do texto, possibilitando a demonstração prática, como por exemplo, eventos escolares, visita técnica de escolas ao campus.