Implementaci
´
on de una Plataforma de Desarrollo
CANSAT Multiprop
´
osito
Implementation of a Multipurpose CANSAT Development Platform
Leonardo A. Anchino
1
, Andr
´
es F. Torti
2
, Emmanuel M. Dovis
3
, Emanuel Bernardi
4
, Rodolfo Podadera
5
Grupo de Investigaci
´
on en Rob
´
otica y Control, Universidad Tecnol
´
ogica Nacional Facultad Regional San Francisco
Av. de la Universidad 501, San Francisco. Argentina.
1
lanchino@sanfrancisco.utn.edu.ar
2
atorti@sanfrancisco.utn.edu.ar
3
edovis@sanfrancisco.utn.edu.ar
4
ebernardi@sanfrancisco.utn.edu.ar
5
rpodadera@sanfrancisco.utn.edu.ar
Abstract—This article describes the technical and procedural
aspects involved in the implementation of a non-orbital CanSat
type nanosatellite. This device integrates mechanical, electronic
components and software elements, specifically developed
locally to promote scientific-technological dissemination, and
the awakening of scientific vocations. Finally, it is important
to note that this platform will be used as a development tool
in the teaching of space technologies.
Keywords: education; nano-satellite; electronics; firmware;
space technologies.
Resumen—El presente art
´
ıculo describe los aspectos
t
´
ecnicos y procedimentales involucrados en la implementaci
´
on
de un nanosat
´
elite no orbital tipo CanSat. Este dispositivo
integra componentes mec
´
anicos, electr
´
onicos y elementos
de software, desarrollados local y espec
´
ıficamente para
fomentar la divulgaci
´
on cient
´
ıfico-tecnol
´
ogica, y el despertar
de vocaciones cient
´
ıficas. Por
´
ultimo, es importante remarcar
que la presente plataforma se emplear
´
a como instrumento de
desarrollo en la ense
˜
nanza de tecnolog
´
ıas espaciales.
Palabras clave: educaci
´
on; nanosat
´
elite; electr
´
onica; firmware;
tecnolog
´
ıas espaciales.
I. INTRODUCCI
´
ON
En la actualidad, el ingreso y posterior desgranamiento
observado en las carreras de grado, con orientaci
´
on tec-
nol
´
ogica, se ha convertido en un importante obst
´
aculo para
el desarrollo de las actividades cient
´
ıficas y t
´
ecnicas del
pa
´
ıs. Si bien no es tarea sencilla diagnosticar las razones
que ocasionan dicha problem
´
atica, es pertinente identificar
como causas a la falta de vocaci
´
on, al desconocimiento y al
desinter
´
es en afrontar carreras altamente demandantes [1],
[2].
Por tal motivo, desde la presente propuesta, enmarcada
en el PID-UTN “Desarrollo de una plataforma educativa
basada en proyectos CANSAT” (CCUTNSF0005414) [3],
que adem
´
as constituye parte del proyecto final de grado de
dos de los autores [4], se pretende exponer y argumentar las
t
´
ecnicas empleadas en el desarrollo e implementaci
´
on de
un nanosat
´
elite, no orbital, tipo CanSat [5], que se utilizar
´
a
como instrumento de divulgaci
´
on de las tecnolog
´
ıas espa-
ciales [6]. El dispositivo desarrollado consiste de un sat
´
elite
artificial, que se lanza a gran altura para la recolecci
´
on de
datos durante su ascenso y posterior descenso, controlado
por un paraca
´
ıdas.
Es de destacar que si bien la utilizaci
´
on de la plataforma
CanSat est
´
a ampliamente divulgada [7], [8], e incluso se
hallan propuestas con leves variaciones, o nuevos enfoques
[9], [10], el objetivo principal de este trabajo consiste en el
desarrollo de una plataforma local, del tipo open-source para
libre distribuci
´
on, modificaci
´
on y reproducci
´
on del proyecto
(tanto de hardware como de software). La Fig. 1 retrata el
sat
´
elite CanSat desarrollado.
Figura 1: Sat
´
elite CanSat.
En la industria satelital, cada sat
´
elite puesto en
´
orbita,
comercial o no, es proyectado y dise
˜
nado en torno a una
misi
´
on espec
´
ıfica. Habitualmente, estas tienen una duraci
´
on
de varios a
˜
nos y dependen de las caracter
´
ısticas del sat
´
elite
y del objetivo espec
´
ıfico de la misi
´
on. Adem
´
as, los sat
´
elites
cuentan con la capacidad de intercambiar datos de tele-
metr
´
ıa, e informaci
´
on de la misi
´
on, con estaciones terrenas
de control. Entre otras capacidades, los sat
´
elites cient
´
ıficos
a menudo est
´
an equipados con diversos sensores para el
estudio de fen
´
omenos atmosf
´
ericos, la medici
´
on de niveles
de contaminaci
´
on, la concentraci
´
on de gases en la atm
´
osfera,
la monitorizaci
´
on de cat
´
astrofes naturales, el an
´
alisis de
cultivos, etc.
Las misiones de la plataforma CanSat son similares a
la de un sat
´
elite orbital s
´
olo que, en este caso, el mismo
Recibido: 30/09/19; Aceptado: 14/11/19
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120
es no orbital y las misiones duran unos pocos minutos, en
lugar de varios a
˜
nos. Para efectuar una misi
´
on CanSat, se
lo eleva a una altura aproximada de 1000 m, seguido por
un descenso controlado donde, en tiempo real, se realiza
la recolecci
´
on de los datos suministrados por los sensores
a bordo del sat
´
elite. Dicha informaci
´
on se recibe a trav
´
es
de la estaci
´
on terrena y se visualiza en un programa de
computadora, desde el cual se los exporta para un an
´
alisis en
detalle [11]. Las misiones CanSat, entonces, tienen la misma
metodolog
´
ıa de planificaci
´
on que las realizadas en sat
´
elites
orbitales, permitiendo as
´
ı que los estudiantes se acerquen a
la experiencia de dise
˜
nar y desarrollar misiones, para luego
proceder con el an
´
alisis de los resultados recogidos en vuelo,
de manera simple y estructurada. De este modo, es posible
involucrar a m
´
ultiples asignaturas escolares, tales como
matem
´
atica, f
´
ısica y ciencias naturales, en el planeamiento
de las misiones y en el posterior estudio de los datos
obtenidos [7], [8].
Por
´
ultimo, es de destacar que la plataforma desarrollada,
forma parte de la propuesta de UNISEC-Argentina [12] para
fomentar la ense
˜
nanza de tecnolog
´
ıas espaciales, y se utiliz
´
o
en el dictado del CANSAT Workshop 2019.
II. INGENIER
´
IA DE SISTEMA
Las estrictas especificaciones de los sat
´
elites tipo CanSat,
seg
´
un la normativa de la Agencia Espacial Europea, limitan
dr
´
asticamente su tama
˜
no y peso [13], lo que representa
desaf
´
ıos para utilizar el mismo como plataforma educativa.
Un cuidadoso dise
˜
no de la electr
´
onica y la mec
´
anica fue
requerido para aprovechar al m
´
aximo el limitado espacio y
permitir, al mismo tiempo, trabajar f
´
acilmente sobre
´
el.
Generalmente, durante la construcci
´
on de CanSats se hace
uso de la totalidad del espacio disponible, dejando muy
pocas opciones para expandir su funcionalidad y haciendo
dificultosa la tarea de manipular los componentes internos.
Esto trae aparejado que el reemplazar, a
˜
nadir o quitar
componentes resulte una tarea complicada. Habiendo consi-
derado las limitaciones y dificultades de las construcciones
tipo CanSat, se plante
´
o que toda la electr
´
onica interna debe
poder retirarse f
´
acilmente en una sola pieza para poder
trabajar y experimentar c
´
omodamente fuera de la estructura
del sat
´
elite. La disposici
´
on implementada se observa en las
Figs. 2 y 3, donde los PCB (del ingl
´
es, Printed Circuit
Board) fueron apilados con separadores met
´
alicos roscados,
mientras que la conexi
´
on entre ellos se realiz
´
o a trav
´
es de
conectores soldados en cada PCB para evitar la utilizaci
´
on
de cables.
Cada uno de los PCBs contiene los diversos m
´
odulos
y sistemas que componen al CanSat. Comenzando por el
superior, la repartici
´
on de las placas se da de la siguiente
manera:
PCB A: m
´
odulo de comunicaciones, GPS, HMI y
conexionado de servomotores
PCB B: administraci
´
on de bater
´
ıa, reguladores de ten-
si
´
on y protecciones el
´
ectricas
PCB C: sistema supervisor, IMU, sensor de presi
´
on
atmosf
´
erica, sensor de humedad, sensor de temperatura
PCB D: placa compatible con Arduino
R
UNO
PCB E: placa pre-perforada para experimentaci
´
on
Figura 2: CanSat desarrollado.
El sistema supervisor se encarga de monitorizar no solo
las corrientes y tensiones internas, para proteger contra cor-
tocircuitos o sobre-corrientes; sino que tambi
´
en controla en
todo momento la altura, velocidad, aceleraci
´
on y orientaci
´
on
del sat
´
elite para actuar en caso de emergencia, por ejemplo,
accionando el paraca
´
ıdas.
Figura 3: Vista interna del CanSat desarrollado con su
respectiva pila de PCBs.
Con respecto a la estructura del CanSat, su dise
˜
no fue un
hito clave para lograr una buena relaci
´
on entre la resistencia
estructural y el peso que se encuentra limitado a un m
´
aximo
350 g. Por razones de simplicidad, se decidi
´
o construir
la estructura mediante t
´
ecnicas de impresi
´
on 3D, lo que
garantiza que pueda ser reproducida f
´
acilmente a un bajo
costo. Adem
´
as, el material pl
´
astico otorga un bajo peso
ofreciendo, sin embargo, una resistencia mec
´
anica adecuada.
Generalmente, los CanSat son lanzados con un cohete
hasta una altitud de aproximadamente 1000 m. Aunque,
dado el costo acarreado en su utilizaci
´
on y la dificultad de la
oferta local, se previ
´
o la posibilidad de elevar el sat
´
elite ha-
ciendo uso de un globo cautivo o un dron. Puede observarse
en la parte superior de la estructura, los mecanismos para la
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liberaci
´
on y del paraca
´
ıdas. Por
´
ultimo, en los laterales de la
estructura se encuentran cuatro ventanas cubiertas con tapas
de Mylar removibles que otorgan la posibilidad de exponer
al ambiente cualquier sensor o instrumento que se a
˜
nada al
sat
´
elite. Las tapas pueden quitarse, perforarse y/o cortarse a
voluntad.
II-A. PCB A
Siendo esta la placa soporte para toda la comunicaci
´
on
del CanSat con el mundo exterior, su ubicaci
´
on en la
parte superior fue establecida para disminuir la atenuaci
´
on
de las se
˜
nales de radiofrecuencia del m
´
odulo GPS y del
transceptor, encargado del enlace con la estaci
´
on terrena.
La Fig. 4 muestra el PCB en cuesti
´
on.
Figura 4: Render del PCB A.
El transceptor elegido fue el CC1101 [14] de la empresa
Texas Instruments ya que integra todos los componentes
necesarios para establecer la comunicaci
´
on con la base de
recepci
´
on. Los
´
unicos elementos externos necesarios para
la comunicaci
´
on fueron un bal
´
un y la antena. En cuanto a
su configuraci
´
on, realizada mediante interfaz SPI, se lo ha
programado para trabajar en la banda de libre operaci
´
on ISM
915 MHz.
Con respecto a la antena empleada, se utiliz
´
o una antena
chip en un PCB aparte que se conecta al transceptor por
medio de un cable coaxial RG-178 de 50 Ω de impedancia
caracter
´
ıstica.
´
Este fue soldado en el extremo del PCB de
la antena y conectado por medio del conector U.FL al PCB
del CC1101.
El m
´
odulo GPS que se eligi
´
o fue el A2235-H [15] de la
empresa Maestro Wireless que ofrece bajo costo, facilidad
de uso, antena pasiva integrada, tama
˜
no reducido y una
frecuencia de actualizaci
´
on de 5 Hz. El m
´
odulo env
´
ıa por su
interfaz UART comandos NMEA que el sistema supervisor
decodifica para obtener la posici
´
on y altitud del sat
´
elite y
determinar adem
´
as, a partir de estos datos, la velocidad del
mismo.
Por su parte, la HMI (del ingl
´
es, Human Machine In-
terface) es muy simple y se compone del interruptor de
encendido general y dos LEDs indicadores. Uno de ellos,
de color verde, indica cuando hay tensi
´
on disponible en el
sistema supervisor, mientras que el otro, de color rojo, es
controlado por dicho sistema y es usado como un simple
indicador de errores o de estado. La descripci
´
on detallada
de los mismos es enviada a la estaci
´
on terrena, donde se
visualiza a trav
´
es del software de telemetr
´
ıa.
Dos conectores est
´
andar para servomotores RC est
´
an
disponibles para la conexi
´
on de dos microservos que per-
miten liberar al sat
´
elite desde el globo, dron o cualquier
otro medio que efect
´
ue la elevaci
´
on del mismo, y para
liberar el paraca
´
ıdas durante su descenso. Estos servos son
controlados exclusivamente por el sistema supervisor ya que
el mismo es el encargado de accionarlos en situaciones de
emergencia.
Finalmente, la conexi
´
on de la bater
´
ıa se realiza en este
PCB mientras que la administraci
´
on se realiza en la secci
´
on
siguiente (PCB B). Aqu
´
ı, encontramos un fusible del tipo
polyfuse que protege a todos los circuitos del sat
´
elite en caso
de que las dem
´
as protecciones fallen y un transistor MOS-
FET que act
´
ua como protector ante conexiones de polaridad
invertida.
II-B. PCB B
En este PCB se encuentran los reguladores para todas las
tensiones utilizadas en el sat
´
elite as
´
ı como los circuitos de
monitoreo para que el sistema supervisor pueda actuar en
consecuencia para proteger al sat
´
elite. Tiene un di
´
ametro de
54 mm, se ubica por debajo del PCB A, regula y controla
cinco fuentes de tensi
´
on:
3,3 V@500 mA: para ser usado por cualquier m
´
odulo
de expansi
´
on agregado al sat
´
elite.
5 V@300 mA: para ser usado por cualquier m
´
odulo de
expansi
´
on agregado al sat
´
elite.
3,3 V@150 mA (internos): esta tensi
´
on es usada por el
sistema supervisor y los sensores indispensables para
el funcionamiento del sat
´
elite. Tener una tensi
´
on sepa-
rada permite que por m
´
as que exista alg
´
un problema
en la l
´
ınea de 3,3 V, utilizada para los m
´
odulos de
expansi
´
on, el sistema supervisor seguir
´
a funcionando.
5 V@200 mA (internos): esta tensi
´
on es usada para
accionar a los servos en el PCB A. Al ser una tensi
´
on
separada permite accionar los mismos por m
´
as que
existan problemas en la l
´
ınea de 5 V que se utiliza
para los m
´
odulos de expansi
´
on.
Bater
´
ıa: tensi
´
on sin regular proveniente de la bater
´
ıa
del sat
´
elite, s
´
olo se encuentra limitada en corriente y
su tensi
´
on puede variar entre 3,5 V y 4,2 V.
La fuente de 3,3 V est
´
a compuesta por un convertidor
buck ADP2108AUJ-3.3 [16] de la empresa Analog Devices
que se encarga de la regulaci
´
on de la tensi
´
on. Si bien la
corriente m
´
axima que es capaz de entregar es de 600 mA,
esta es limitada por el sistema supervisor a 500 mA. Para
medir la corriente que la fuente entrega se utiliza una
resistencia shunt de 120 mΩ cuya ca
´
ıda de tensi
´
on es ampli-
ficada por el circuito integrado INA194 [17] de la empresa
Texas Instruments, utilizando una ganancia de cincuenta
veces la tensi
´
on de entrada. El fabricante recomienda que
la resistencia genere una ca
´
ıda de tensi
´
on entre 50 mV
y 100 mV para obtener los mejores resultados. En este
caso la ca
´
ıda de tensi
´
on m
´
axima es de 60 mV, generando
una tensi
´
on de salida m
´
axima de 3 V, con una tensi
´
on de
referencia en el ADC de 3,3 V.
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Figura 5: Render del PCB B.
Figura 6: Esquem
´
atico de la fuente de 3,3 V implementada.
Despreciando los efectos de la temperatura sobre la
resistencia, la misma tiene una tolerancia del 1 %, por lo
que valor puede encontrarse entre 118,8 mΩ y 121,2 mΩ.
Por otro lado, la ganancia del INA194 tiene tambi
´
en una
tolerancia del 1 %, haciendo que la misma var
´
ıe entre 49,5
y 50,5. Esto produce una banda de tolerancia en la tensi
´
on
de salida del INA194 del 2 % o 10 mA. A diferencia de las
variaciones por temperatura, estas tolerancias se compen-
san f
´
acilmente midiendo los valores de la resistencia y la
ganancia del amplificador a temperatura ambiente. Por otro
lado, se calcula la resoluci
´
on te
´
orica de la corriente medida
sabiendo que la resoluci
´
on del ADC es de 10 bits. Debido a
que la tensi
´
on m
´
axima de salida no concuerda con el fondo
de escala, el n
´
umero de cuentas n disponibles se reduce a
931, por lo que la resoluci
´
on te
´
orica de corriente, entonces,
es de 537 µA.
Ya que la tensi
´
on de referencia del ADC es de 3,3 V
se conecta la fuente directamente su entrada. Sin embargo,
bajo este supuesto el dispositivo ser
´
ıa incapaz de detectar
situaciones de sobre-tensi
´
on donde la misma supere los
3,3 V. Por eso, se utiliza un divisor resistivo compuesto por
R4 y R5, ambas con una tolerancia del 1 %. La tensi
´
on de
salida obtenida es de 3,16 V. Esta relaci
´
on permite medir
tensiones de hasta 3,45 V.
Si la tensi
´
on de salida de la fuente supera dicho voltaje,
no se podr
´
ıa medir pero s
´
ı se habr
´
ıa detectado que existe
una sobre-tensi
´
on y la misma ser
´
a limitada por la tensi
´
on de
salida m
´
axima del amplificador operacional rail-to-rail U4,
protegiendo, de este modo, la entrada del ADC.
La fuente de 5 V est
´
a compuesta por un convertidor boost
MCP1642 de la empresa Microchip que eleva la tensi
´
on de
bater
´
ıa y, a pesar de que el sistema supervisor limita la co-
rriente a 300 mA, es capaz de suministrar aproximadamente
10 A de corriente con 3,6 V de entrada.
El circuito utilizado es muy similar a la fuente de 3,3 V,
variando
´
unicamente los valores de la resistencia shunt y
el divisor resistivo para la medici
´
on de tensi
´
on. La primera
se fij
´
o en 200 mΩ para que produzca una tensi
´
on de salida
m
´
axima de 3 V, bajo una corriente m
´
axima de 6 mA, y con
una resoluci
´
on de 322 µA. El segundo se fij
´
o para que la
tensi
´
on entregada fuese de 3,2 V, otorgando al ADC una
tensi
´
on m
´
axima de entrada fuera de la saturaci
´
on de 5,16 V.
La tolerancia qued
´
o fijada, nuevamente, en 2 %, mientras
que la resoluci
´
on del ADC permite diferenciar pasos de
5,04 mV.
Las denominadas fuentes internas son aquellas de 5 V y
3,3 V utilizadas exclusivamente por los sistemas base del
sat
´
elite y que no pueden ser accedidas por los m
´
odulos de
expansi
´
on. Esta situaci
´
on garantiza que el sistema super-
visor, los sensores y los mecanismos de liberaci
´
on sigan
funcionando por m
´
as de que existan cortocircuitos o sobre-
corrientes en las fuentes que alimentan los m
´
odulos de
expansi
´
on, asegurando la integridad del sat
´
elite.
En este PCB se encuentra tambi
´
en todo el sistema de
administraci
´
on de bater
´
ıa que se encarga de medir el estado
de carga, la corriente que circula y realiza la carga de
la misma. La bater
´
ıa utilizada en el sat
´
elite es de tipo
Li-Po con una capacidad de 600 mA h. Para su carga se
eligi
´
o el circuito integrado BQ24091 [18] de la empresa
Texas Instruments, el cual lleva a cabo su tarea de manera
totalmente aut
´
onoma.
Asimismo, se implement
´
o el circuito integrado BQ27441
[19] de la empresa Texas Instruments como fuel gauge.
´
Este
incorpora todo lo necesario para medir el estado de carga
de la bater
´
ıa, requiriendo
´
unicamente una resistencia shunt
externa para la medici
´
on de la corriente que circula desde y
hacia la bater
´
ıa. Todos los datos reportados por el integrado
son adquiridos a trav
´
es de la interfaz I2C desde la cual
se leen par
´
ametros como capacidad nominal de la bater
´
ıa,
capacidad restante, corriente promedio, tensi
´
on de la bater
´
ıa,
potencia promedio, etc
´
etera.
II-C. PCB C
En este PCB se encuentra el microcontrolador del sistema
supervisor, los sensores asociados, que junto con el m
´
odulo
GPS del PCB A permiten al sistema determinar los diversos
par
´
ametros del sat
´
elite en todo momento, y el conector de
expansi
´
on con sus protecciones, que ser
´
a utilizado por todos
los m
´
odulos de expansi
´
on que se conecten al sat
´
elite.
II-C1. Microcontrolador: El microcontrolador principal
elegido fue el ESP32 [20] de la empresa Espressif soldado
en un PCB propio, listo para ser utilizado. La raz
´
on por la
que se decant
´
o por el m
´
odulo y no por el microcontrolador
en su encapsulado original es que el primero incorpora la
memoria flash externa necesaria por el microcontrolador,
el cristal, la antena para Wi-Fi y Bluetooth y todos los
componentes pasivos necesarios (adem
´
as de contar con
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Figura 7: Render del PCB C.
certificaci
´
on de la FCC), todo esto a un precio menor que
si se adquirieran los componentes por separado.
Con respecto al ADC con el que cuenta el ESP32, se
ha probado que su comportamiento es muy poco lineal y,
tambi
´
en, existe escasa documentaci
´
on sobre sus caracter
´
ısti-
cas aparte de su resoluci
´
on. Es por ello que se recurri
´
o
a un microcontrolador PIC16LF18325 [21] de la empresa
Microchip para realizar las lecturas de las tensiones. Un
ADC externo con bus I2C podr
´
ıa haber sido utilizado, pero
debido a la disponibilidad se opt
´
o por este microcontrolador.
Este microcontrolador se alimenta desde una referencia
de voltaje MCP1501T [22], tambi
´
en de la empresa Micro-
chip, que le provee una tensi
´
on de 3,3 V estable para ser
usada por el m
´
odulo ADC. La raz
´
on para usar una tensi
´
on
separada es que el regulador interno de 3,3 V, compuesto
por el integrado MIC5323, tiene una tolerancia de 2 %
en su tensi
´
on de salida, sumado a todo el ruido el
´
ectrico
producido por los sistemas digitales que utilizan dicho
bus de alimentaci
´
on. El MCP1501T, por otro lado, tiene
una tolerancia de 0,1 %, bajo nivel de ruido, se encuentra
conectada
´
unicamente al microcontrolador que realiza las
mediciones y tiene un coeficiente de temperatura m
´
aximo
de 50 ppm/
◦
C, lo cual es importante debido a que el sat
´
elite
puede experimentar grandes cambios de temperatura durante
su ascenso y descenso.
Retornando al ESP32, el desarrollo de su firmware fue
realizado mediante el framework otorgado por el fabricante
ESP-IDF: Espressif IoT Development Framework, haciendo
uso del RTOS9 FreeRTOS y el lenguaje C. Este micro-
controlador tiene varias tareas cr
´
ıticas y el RTOS da la
posibilidad de asignarles prioridades, asegurando que las de
mayor prioridad nunca sean interrumpidas por las de menor
prioridad. Las funciones que debe realizar el mismo son:
Detectar cortocircuitos, sobre-corrientes y sobre-
tensiones en las fuentes de alimentaci
´
on utilizadas por
lo m
´
odulos de expansi
´
on y actuar en consecuencia.
Comprobar el correcto funcionamiento de los sensores
del sat
´
elite.
Comunicarse con la estaci
´
on terrena y realizar el env
´
ıo
de los par
´
ametros del sat
´
elite.
Abrir el paraca
´
ıdas cuando la altura es peligrosamente
baja y no se ha accionado.
Liberar el sat
´
elite del globo, dron o cualquier medio
que realice la elevaci
´
on del mismo al llegar a la altura
designada.
II-C2. Sensores: El sensor elegido para monitorear la
temperatura y humedad externa es el Si7006 [23] de la
empresa Silicon Labs. Este integrado, de bajo consumo y
reducido tama
˜
no, utiliza el bus I2C para reportar los datos
medidos al microcontrolador principal. Cabe destacar que
se escogi
´
o la versi
´
on del sensor que viene con una l
´
amina
PTFE protectora, en la parte superior, que impide el ingreso
de agua o part
´
ıculas que r
´
apidamente ocasionar
´
ıan que los
reportes de humedad fueran viciados.
El sensor de presi
´
on atmosf
´
erica implementado fue el
MS563702BA03-50 [24] de la empresa TE Connectivity.
Cuenta con un sensor de presi
´
on barom
´
etrica ultra compacto
con dimensiones de 3 mm × 3 mm × 1 mm y muy bajo
consumo. Su alimentaci
´
on es en base a una tensi
´
on de
3,3 V y su comunicaci
´
on, mediante interfaz I2C. Contiene
adem
´
as un sensor de temperatura que permite compensar las
mediciones de presi
´
on.
Por
´
ultimo, el IMU, que permite conocer no solo la
aceleraci
´
on que experimenta el sat
´
elite sino tambi
´
en su
orientaci
´
on en el espacio, es el BMX055 [25] de la empresa
Bosch. Dentro de sus caracter
´
ısticas principales se destacan
la comunicaci
´
on I2C, su giroscopio de 16 bits, aceler
´
ometro
de 12 bits y ±2 g o ±16 g (el par
´
ametro g se corresponde
con 9,8 m s
−2
), sensor geomagn
´
etico de 3 ejes, bajo consu-
mo y tama
˜
no compacto.
(a) Si7006. (b) MS563702BA03. (c) BMX055
Figura 8: Sensores del PCB C.
II-D. PCB D
Este PCB es equivalente y compatible con la plataforma
Arduino
R
UNO. El conector micro-USB incluido permite
comunicarse con el bootloader a trav
´
es del
´
unico puerto
UART disponible, el cual es, a su vez, utilizado para la
comunicaci
´
on con el sistema supervisor. As
´
ı, como todos los
m
´
odulos de expansi
´
on que se conecten, el mismo contiene
un conector de expansi
´
on y un di
´
ametro de 47 mm.
Su utilizaci
´
on en el CanSat fue orientado para que los
estudiantes puedan realizar sus propios programas para la
misi
´
on utilizando una plataforma de desarrollo sencilla y
conocida, tal como lo es Arduino
R
, dejando de lado la
operaci
´
on sobre el ESP32 y el riego que esto conlleva para
la seguridad del CanSat.
El Arduino
R
UNO implementado en la plataforma es
ligeramente distinto en las conexiones de sus pines. S
´
olo
cuatro entradas anal
´
ogicas est
´
an disponibles ya que las dos
restantes se utilizan en el bus I2C; el pin D7 es interno
´
unicamente y se encuentra conectado al LED; y los pines
D8 y D9 no se encuentran implementados.
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Figura 9: Render del PCB D.
Tanto en este PCB como en el PCB C visto en la secci
´
on
anterior, se encuentra el conector de expansi
´
on que es
utilizado para a
˜
nadir m
´
odulos de expansi
´
on a la plataforma.
La Fig. 10 muestra las conexiones del mismo.
Figura 10: Conectores de expansi
´
on.
II-E. PCB E
Este PCB es otro m
´
odulo de expansi
´
on por lo que di
´
ame-
tro es de 47 mm y contiene el conector de expansi
´
on descrito
anteriormente. El m
´
odulo es una placa pre-perforada que
permite armar circuitos simples para poder experimentar.
Se da acceso a todos los pines del conector de expansi
´
on
para poder utilizar cables y realizar conexiones simples y
r
´
apidas.
II-F. PCB Estaci
´
on Terrena
La estaci
´
on terrena es el medio por el cual el software
de telemetr
´
ıa en el PC se comunica con el sat
´
elite en todo
momento. Cuenta con una conexi
´
on USB y conector SMA
para conectar la antena que se considere adecuada para la
misi
´
on a realizar.
El transceptor utilizado es el mismo que el que se us
´
o
en el PCB A, siendo el circuito utilizado id
´
entico con la
excepci
´
on de que en este caso se utiliza un conector tipo
SMA en lugar de U.FL. La interfaz entre el bus SPI del
transceptor y la conexi
´
on USB de la PC se realiz
´
o por
medio del circuito integrado MCP2210 [26] de la empresa
Figura 11: Render del PCB E.
Figura 12: Render del PCB de la estaci
´
on terrena.
Microchip, que permite enviar y recibir datos por el bus SPI
a partir de una conexi
´
on USB controlada desde la PC.
II-G. Software de telemetr
´
ıa
La plataforma cuenta con un software de telemetr
´
ıa que
se encarga de administrar todos los recursos relacionados al
CanSat. Para ello es necesario conectar la estaci
´
on terrena a
una computadora por medio de un puerto USB para permitir
a la aplicaci
´
on establecer la comunicaci
´
on con el sat
´
elite. La
estaci
´
on terrena queda entonces compuesta por:
1. Hardware con enlace de radio en la banda ISM
915 MHz
2. Aplicaci
´
on para computadora (Software de telemetr
´
ıa)
La aplicaci
´
on creada cuenta con una interfaz simplificada,
donde el espacio de trabajo se divide en tres grandes
sectores:
Barra superior de funciones generales: incluye fun-
ciones como mostrar/ocultar men
´
u desplegable para
agrandar el panel de acciones, ver notificaciones re-
cibidas y cambiar idioma utilizado en la interfaz
Men
´
u desplegable de funciones espec
´
ıficas: en
´
el se
pueden acceder a las caracter
´
ısticas relacionadas a la
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Figura 13: Estaci
´
on terrena.
gesti
´
on del proyecto, administraci
´
on, monitoreo del
sat
´
elite y el m
´
odulo de misiones
Panel de acciones: espacio reservado para mostrar el
contenido relacionado a la funci
´
on actual seleccionada
Figura 14: P
´
agina inicial de la aplicaci
´
on. Bot
´
on para
mostrar/ocultar el men
´
u (1), men
´
u de funciones (2), bot
´
on de
notificaciones (3), bot
´
on de idiomas (4) y panel de acciones
(5).
El software se dividi
´
o en m
´
ultiples m
´
odulos para facilitar
el desarrollo. Se cuenta con cinco m
´
odulos interconectados:
1. M
´
odulo de proyecto
2. M
´
odulo de CanSat
3. M
´
odulo de misiones
4. M
´
odulo de comunicaciones
5. M
´
odulo de alertas
El primer m
´
odulo es el encargado de la l
´
ogica de creaci
´
on,
validaci
´
on, guardado y cargado de proyectos. Para esto,
se almacenan en un archivo todas las configuraciones im-
prescindibles para realizar una correcta comunicaci
´
on, tales
como el tipo de protocolo y las protecciones m
´
as importan-
tes. Cada archivo de proyecto generado posee la extensi
´
on
.cansat pro y solo podr
´
a ser reconocido e interpretado por el
software de PC. Para facilitar la creaci
´
on y configuraci
´
on, el
usuario ser
´
a guiado, a trav
´
es de la interfaz, por un asistente.
El m
´
odulo de CanSat es el responsable de mostrar los
estados del CanSat asociado a una estaci
´
on terrena, valores
de sensores, configuraci
´
on de protecciones y pruebas de
integridad. Las funciones asociadas a este m
´
odulo son las
siguientes:
Funci
´
on enlace: muestra los estados relacionados a la
comunicaci
´
on de radio entre la estaci
´
on terrena y el
sat
´
elite
Prueba de integridad: comprueba todos los compo-
nentes internos del CanSat para asegurar un buen
funcionamiento
Protecciones: configura valores seguros de trabajo en
las distintas variables a medir y genera alertas en caso
de activaci
´
on de una protecci
´
on el
´
ectrica
Funci
´
on de sensores: realiza peticiones sobre los estado
de todos los sensores montados en el CanSat
El m
´
odulo de misiones posibilita la creaci
´
on y visua-
lizaci
´
on de misiones. En la creaci
´
on de una misi
´
on, se
seleccionan qu
´
e variables se desean graficar, si las que trae
por defecto el sat
´
elite o nuevas a
˜
nadidas en las placas de
expansi
´
on.
Los datos recolectados en tiempo real son guardados
en un archivo con extensi
´
on .cansat data. Esto permite su
posterior an
´
alisis mediante la importaci
´
on de una misi
´
on
pasada o exportado en otros formatos.
Por su parte, el m
´
odulo de comunicaciones es el inter-
mediario en la comunicaci
´
on con el sat
´
elite, decodifica los
paquetes y toma acciones acorde a ellos. El usuario s
´
olo
interacciona con este m
´
odulo a trav
´
es de las notificaciones
y/o alertas en caso de existir alg
´
un aviso de protecci
´
on
el
´
ectrica. Para la correcta interpretaci
´
on de la comunicaci
´
on
y validaci
´
on de los datos recibidos entre el sat
´
elite y la
estaci
´
on terrena, fue necesario la implementaci
´
on de un
protocolo de comunicaci
´
on dedicado, similar a los utilizados
en los m
´
odulos XBee de la empresa Digi
R
en su modo API
[27].
Por
´
ultimo, el m
´
odulo de alertas es el encargado de mos-
trar notificaciones al usuario, dependiendo de la situaci
´
on
que se presente. Cuando una alerta es desplegada en la
interfaz, se bloquean todas las dem
´
as funciones ya que se
requiere que el usuario responda a la misma. El usuario
tendr
´
a una pantalla especial donde se mostraran las distintas
notificaciones que fue recibiendo desde que est
´
a utilizando
el programa en orden cronol
´
ogico permitiendo tener un
reporte m
´
as sobre su actividad en la plataforma.
III. RESULTADOS
Se ha ensayado la plataforma a trav
´
es de m
´
ultiples lanza-
mientos, de hasta 150 m de altura, con resultados como los
que se bosquejan en la Fig. 15. Estos ensayos permitieron
evaluar, satisfactoriamente, la robustez estructural, el fun-
cionamiento del sistema y el cumplimiento de las normas
impuestas por la Agencia Espacial Europea [13].
Figura 15: Resultados de una misi
´
on.
Revista elektron, Vol. 3, No. 2, pp. 120-127 (2019)
ISSN 2525-0159
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http://elektron.fi.uba.ar
IV. CONCLUSI
´
ON
En base a los resultados expuestos en la secci
´
on previa,
es posible afirmar que se han cumplido los objetivos ini-
cialmente propuestos. En resumen, se ha construido una
plataforma de desarrollo, lista para usar, basada en un
sat
´
elite CanSat, cuya operaci
´
on es sencilla, y de dise
˜
no libre
y abierto.
Las pruebas realizadas expusieron unos pocos aspectos de
hardware a mejorar en la siguiente versi
´
on, que se encuentra
en desarrollo. Adem
´
as, se planea ensayar la plataforma a su
altura m
´
axima de dise
˜
no (1000 m) que no fue alcanzada por
falta de medios de elevaci
´
on.
Por
´
ultimo, ya que el c
´
odigo y los dise
˜
nos se han liberado
bajo licencia GNU GPL Versi
´
on 3 [28], se espera que este
trabajo sirva como puntapi
´
e inicial para aquellas personas
que deseen contribuir al proyecto.
AGRADECIMIENTOS
Los autores desean agradecer a los docentes y directivos
de la instituci
´
on de nivel medio IPET N
o
50, de la ciudad
de San Francisco (C
´
ordoba), por su apoyo, colaboraci
´
on y
predisposici
´
on en las actividades de divulgaci
´
on.
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´
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on y Ense
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