Ballon sonde 2008
Projet mené avec les étudiants de licence SIRE (Systèmes Informatiques et Réseaux Embarqués) de l'IUT de Valence.
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Le projet
Un homme sans projet est l'ennemi du genre humain. Roger Nimier
Le principe de notre projet consiste donc à envoyer un ballon sonde en totale autonomie durant un vol de plusieurs heures. Cette autonomie induit la mise en place dans la nacelle de systèmes électroniques fonctionnant seuls et répondant à des contraintes fonctionnelles importantes.
Le but de ce projet consiste à faire intervenir différents capteurs afin d'étudier certains paramètres météorologiques ainsi que le positionnement du ballon lors de son trajet, pour cela on embarquera plusieurs capteurs et modules dans la nacelle afin de pouvoir prendre diverses mesures en vol et nous les communiquer au sol. Ces capteurs nous permettront de mesurer lors du trajet du ballon :
- Les coordonnées GPS (latitude et longitude).
- L'altitude (grâce au GPS) en mètres.
- La température : intérieure (au ballon) et extérieure en °C.
- La pression en mbar.
Le ballon envoi des données sur deux canaux de communication différents :
- Un lien GSM grâce à un module GPS/GSM fera office de système de communication pendant le vol. Il nous permettra de réceptionner par SMS les mesures prises pendant le vol. Un SMS est automatiquement envoyé par la nacelle si celle-ci est montée ou descendu de 500 mètres d'altitude depuis le dernier envoi. La nacelle est également capable, de répondre à n'importe quel moment (sous réserve d'une couverture GSM) à une requête envoyée par SMS à partir d'un téléphone portable au sol.
- un lien radio VHF (138 MHz) de longue portée appelé KIWI millénium mais qui est masqué par les obstacles géographiques dès que le ballon est à basse altitude (montagnes, bâtiments).
Le matériel embarqué
Pour mettre en oeuvre le projet ballon sonde nous avons choisi différents équipements électroniques capables de mener a bien les objectifs fixés. En collaboration avec planète sciences nous avons pu nous appuyer sur leurs recommandations et choisir des équipements fiables et peut couteux capable de répondre aux exigences qu'impose un long trajet en altitude.
La nacelle est notamment constituée :
- d'une carte PICdem2Plus embarquant le microcontrôleur PIC.
- d'un module de transmission Kiwi
- d'un modulateur FSK.
- d'un module GPS/GSM
- d'un capteur de pression et température interne à la nacelle
- d'un capteur de température externe à la nacelle
Le coeur de notre projet sera la plaque PICdem 2 Plus accompagnée du microcontrôleur PIC 18F458.
La plaque de développement ainsi que le microcontrôleur PIC sont tous les deux fabriqués par la société
Microchip.
La carte de développement contient de nombreux éléments nécessaires à notre projet pour exploiter le microcontrôleur PIC (un afficheur LCD2*16, un usart déjà câblé, des oscillateurs...).
Un microcontrôleur est une unité de traitement de l'information de type microprocesseur à laquelle on a ajouté des périphériques internes permettant de réaliser des montages sans nécessiter l'ajout de composants annexes. Un microcontrôleur peut donc fonctionner de façon autonome après programmation.
C'est d'ailleurs sa programmation la partie principale de ce projet.
C'est le microcontrôleur qui aura le rôle de gestion des données en envoyant les demandes d'acquisitions aux différents capteurs. Il recevra également les informations en provenance des capteurs et les mettra en forme pour ensuite les envoyées par le biais du réseau GSM ou par radio (138 Mhz). Le microcontrôleur aura aussi pour rôle de détecter les différentes phases du vol et d'adapter les envoie des mesures par conséquent, notamment lors de la phase de chute du ballon où il faudra accélérer les envois de données pour faciliter le repérage du ballon une fois au sol.
Le PIC 18F458 est donc le "cerveau" de la nacelle.
L'émetteur Kiwi a été développé par le CNES. Il est spécialement conçu pour les jeunes expérimentateurs qui désirent mettre en oeuvre un système de télémesure à bord de ballons.
Le système implique deux éléments principaux :
- Un émetteur KIWI accompagné d'une antenne radio placé sur la nacelle, qui envoie un signal sous forme d'onde radio,
comme le ferait une station de radio.
- Un récepteur qui capte le signal, tout comme une radio le capte. Le récepteur est relié à un ordinateur
ou se fera la lecture des données mesurées à l'aide d'un logiciel adapté.
Le module Kiwi n'effectue que l'envoi des données sur le 138 Mhz. L'acquisition des données et la modulation ne sont pas traités par le Kiwi.
Dans le cadre du projet ballon, les données sont envoyées à une vitesse de 600 bauds. La vitesse de 1200 bauds aurait également pu être choisie. Toutefois, la distance étant longue, les perturbations sont également beaucoup présentes. Une vitesse faible nous permet alors une meilleure et plus longue transmission des données.
La modulation de fréquence ou MF ou FM est un mode de modulation consistant à transmettre un signal par la modulation de la fréquence d'un signal porteur (porteuse).
Ici, le signal porteur est la fréquence d'émission de l'émetteur Kiwi soit le 138 Mhz. Toutefois, en numérique, les informations à transmettre sont codées par les bits 0 et 1. À 600 bauds, les bits 0 et 1 sont chacun respectivement représentés par une fréquence précise de 1200 Hz et 900 Hz.
Pour effectuer cette modulation de fréquence, nous avons utilisé un modulateur FSK basé sur un composant dénommé XR2206. Les données à envoyer par le biais du Kiwi sont donc d'abord envoyées sur le XR2206 qui effectue la modulation de fréquence. Ensuite, le kiwi envoie les données précédemment modulées sur sa porteuse.
Cette méthode, permet d'envoyer n'importe quelle information au sol. La trame peut être formatée comme bon nous semble. Aucune contrainte ne nous est imposée. Ceci, nous permet d'envoyer directement des données numériques comme la position GPS par exemple.
En effet toutes les données provenant des différents capteurs seront d'abord acquises par le microcontrôleur. Ensuite, elles seront envoyées sous forme numérique (codage ASCII) au Kiwi qui les transmet au sol.
Le module de référence GM862 de la société Telit a un double rôle, c'est un récepteur GPS et peut également gérer un réseau GSM. Tel un téléphone portable, il peut envoyer et recevoir des SMS. Il dispose donc de deux antennes. Une pour le GSM et une pour le GPS. Un emplacement est également disponible afin de pouvoir insérer une carte SIM.
Le chipset GPS utilisé dans le module TELIT est le fameux SIRFstar III. Ce chipset permet au GPS de fonctionner jusqu'à une altitude de 24 km (80 000 pieds).
La communication entre le module et le microcontrôleur PIC se fait par lien RS232 au moyen de commande AT.
Les commandes AT, constituent un langage de commandes développé à l'origine pour un modem de marque Hayes. Ce jeu de commande s'est ensuite retrouvé dans presque tous les modems produits.
Le module Télit nous sert à :
- connaître la position GPS
- connaître l'altitude
- recevoir/envoyer des SMS
- connaître la qualité de la liaison GSM.
En ce qui concerne le capteur de pression et de température interne, nous avons utilisé le capteur MS5534A.
Ce composant est construit autour d'une puce composée d'un élément piezzorésistif au silicone, qui permet de délivrer une tension continue proportionnelle à la pression mesurée, avec une très bonne linéarité. Les capteurs de pression peuvent être utilisés pour la réalisation d'altimètres ou de baromètres.
Ce capteur peut aussi faire office d'altimètre au travers de la mesure de la pression. Mais cette fonction reste assez peu fiable car elle est fortement influencée par les conditions météorologiques. C'est pourquoi, nous avons préféré utiliser la mesure d'altitude du GPS embarqué.
Ce capteur fonctionne grâce à une liaison SPI (pour Serial Peripheral Interface). C'est un bus de donnée série synchrone. La liaison SPI peut être gérée sans problème grâce au microcontrôleur PIC. Sa plage de mesure convient à notre utilisation.
Pour la prise de mesures de température externe, nous avons utilisé le capteur LM75. Il est capable de fonctionner entre -55 et +125°C, avec une précision de +-3°C.
Ce capteur à bas coûts et simple d'utilisation est pour nous la solution la plus efficace pour notre projet. De plus, sa consommation est très faible, de l'ordre de 250 µA.
Ce capteur a la particularité de fonctionner sur un bus I2C, ce qui permet, si on le désire, de mettre plusieurs capteurs en parallèle.
Le bilan énergétique
Un vol typique dure environ trois heures. Pendant ces trois heures de vol, les systèmes embarqués dans la nacelle doivent pouvoir fonctionner en totale autonomie.
C'est pourquoi, la nacelle doit embarquer une source d'énergie capable d'alimenter pendant toute la durée du vol les expériences embarquées.
La consommation de chaque module électronique embarqué a été mesurée dans ses conditions les plus critiques afin de réaliser un bilan énergétique. Ensuite, il a été décidé d'alimenter toute l'électronique hormis l'émetteur kiwi grâce à deux batteries de marque SAFT. Chaque batterie donne une tension de 6 Volts et peut fournir 1,8 Ah.
Cette batterie a bien sur été choisit en fonction de sa tension et de l'ampérage qu'elle peut fournir. Mais, également grâce à sa bonne tenue au froid. En effet, une batterie fonctionne grâce à une réaction chimique qui s'estompe sous l'effet du froid. Cette caractéristique est donc importante à regarder.
L'émetteur kiwi, est lui alimenté grâce à une pile plate DURACELL plus 4.5V. Celle-ci à été choisi car conseillé par Planète Sciences qui fournit l'émetteur.
Avec le bilan énergétique, nous supposions que la nacelle devrait pouvoir fonctionner sans aucun problème pendant au moins quatre heures.
Nous nous sommes rendue compte, que la capacité de la batterie était largement sous-évaluée (mais on ne va pas s'en plaindre). En effet, lors de la récupération du ballon (plus de sept heures après le lâcher), tout le matériel était encore en parfait état de fonctionnement.
La nacelle
La partie conception du ballon sonde consiste en la réalisation d'une nacelle devant embarquer tout notre système électronique autonome selon des recommandations importantes apportées par des règles de l'aviation civile.
Les règles les plus importantes à respecter pour la création de la nacelle sont :
- La charge utile de la nacelle contenant l'expérience doit avoir une masse inférieure à 2,5 kg.
- La plus petite arête d'une nacelle ne peut être inférieure à 30 cm.
- Les éléments de la chaîne de vol doivent être fabriqués en matériaux peu denses (polystyrène extrudé, carton fort, plastiques légers...).
- Le contenu de la nacelle doit pouvoir être accessible, jusqu'au moment du lâché.
- Le module de communication Kiwi doit se trouver à une distance raisonnable des autres composants afin de ne pas perturber par effet de CEM (compatibilité électromagnétique)
le système.
- Les piles doivent être disposées aux quatre coins de la nacelle et non pas regroupées en un seul paquet dense.
Voici le plan de la nacelle qui a été conçu :