Sistema de Telemetria
Introdução
Um sistema de telemetria é utilizado para realizar medições de forma remota,
de modo que as informações trafegam sem a necessidade de um meio físico que restringe a interação emissor-receptor. Em outras palavras, com o auxílio de um sistema de telecomunicações, não há a necessidade de cabeamento para transmissão e recepção de dados.
Um dos exemplos de aplicação mais conhecidos é o serviço de Sistema de Posicionamento Global, ou simplesmente GPS. Sem um sistema de telecomunicação, monitorar nossa posição no planeta seria impossível, afinal, não há como instalar cabos que ligam os satélites localizados na termosfera.
Quando solicitamos nossa localização em tempo real, três satélites em órbita são utilizados para calcular nossa posição no globo terrestre. Isso se deve ao fato de que com apenas um satélite, teríamos uma circunferência inteira de possibilidades para nossa localização; com dois satélites, teríamos dois pontos possíveis, que no caso seriam as interseções das duas circunferências. O terceiro satélite permite a desambiguação entre esses dois pontos.
Projeto
Apesar de o Projeto Jupiter contar com as simulações, obter os dados durante e após o lançamento é fundamental, pois dessa forma não só temos uma amostragem mais realística, como também podemos usar essas informações para aprimorar nossos softwares de simulação e validá-las, além da possibilidade de melhorar nosso sistema SRAD (Student Researched and Developed) de telemetria.
Funcionamento
Antes de entrar em detalhes, vamos explicar alguns conceitos.
Modulação
A maioria dos sinais, da forma como são fornecidos pelo transmissor, não podem ser enviados diretamente através dos canais de transmissão. É necessário modificar esse sinal através de uma onda portadora, cujas propriedades são mais apropriadas.
A modulação consiste na mudança de características de uma onda de transporte (frequência, amplitude, intensidade ou comprimento) para que esta carregue a informação a ser interpretada de forma adequada pelo receptor.
Um exemplo muito comum são os das ondas de rádio. Nesse meio, os sinais são modulados de acordo com a amplitude (sinal de amplitude modulada — AM) ou com a frequência (sinal de frequência modulada — FM).
LoRa (Long Range)
Como o nome indica, é uma tecnologia de baixa potência, mas que faz uso de uma ampla área de comunicação. A faixa de frequência utilizadas para aplicações na América do Sul gira em torno de 915 MHz. Esse valor deve ser respeitado, pois os valores são protocolados de acordo com o uso. Assim, existe uma faixa de valores para uso militar, por exemplo, de forma que o seu uso para fins comuns pode ser considerado ilegal.
Protocolo I²C
O protocolo Circuito Inter-Integrado (Inter Integrated Circuit, ou simplesmente I²C) funciona a partir de um barramento de comunicação serial com conexão a dois fios, criado nos anos 90 pela Philips. Utilizando este protocolo, é possível conectar dispositivos periféricos que possuem baixa velocidade de comunicação à placas-mãe, microcontroladores e outros circuitos de aquisição e gestão de dados.
Um componente primário é responsável por transmitir e receber dados dos componentes secundários, e isso é feito utilizando um barramento de transmissão e um barramento de clock. Podem ser conectados até aproximadamente 120 dispositivos a um dispositivo primário, e a comunicação deste com aqueles é feita através do conhecimento dos endereços dos componentes no barramento.
Protocolo UART
Mais simples e mais antigo que o I²C, o protocolo UART utiliza somente dois fios entre o transmissor e o receptor para transmitir e receber em ambas as direções. A comunicação em UART pode ser simplex (dados enviados somente em um sentido), half-duplex (os dois lados transmitem, mas somente um por vez), ou full-duplex (ambos os lados podem transmitir simultaneamente).
As Placas
O sistema de telemetria do projeto usa 2 placas e um shield. A primeira é um STM32 LoRa B-L072Z-LRWAN1, a principal do projeto, sendo responsável pela realização dos cálculos que são necessários, da captação e da transmissão de sinais de comunicação. A segunda placa é desenvolvida por nós — é nela que estão integrados o GPS, cartão SD e o circuito de comunicação interna, que recebe os dados sobre a situação do paraquedas. O shield é uma placa auxiliar que vai acoplada à principal para acrescentar mais funcionalidades a ela. No caso do LoRa, o shield que utilizamos é o X-NUCLEO-IKS01A2, que possui funcionalidades como giroscópio e acelerômetro em três dimensões e sensores de pressão e umidade.
O componente principal do LoRa é a antena, localizada em (1). Ela é capaz de transmitir e receber dados de acordo com que o usuário programar. A programação da placa é feita através da porta USB localizada em (2). Através dela é possível descrever o comportamento da placa, indicar quais sinais serão recebidos e transmitidos e depurar o código para ver se o funcionamento está correto.
Concluída a programação do dispositivo, este está pronto para uso. De forma resumida, o código descreve o comportamento dos pinos indicados por (3) na imagem acima. No nosso caso, utilizamos dois códigos, sendo um para o receptor (RX) e outro para o transmissor (TX).
Como mencionado anteriormente, a placa SRAD contém dois componentes fundamentais para trabalhar com as medições — um módulo de GPS e um módulo de cartão SD.
É através do STM32 LoRa que a controlamos: Os periféricos conectados à placa conseguem se comunicar via protocolos de comunicação serial (em série) do tipo I²C, que utiliza duas vias de comunicação e pode compartilhá-las com vários sensores e ler seus dados um por vez. Esses dados são organizados e enviados com o uso do protocolo LoRa implementado no próprio microcontrolador, fazendo-se uso da antena omnidirecional para transmitir tais dados organizados para um receptor em solo.
