Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 26 июля, печатный экземпляр отправим 30 июля
Опубликовать статью

Молодой учёный

Разработка стратосферного зонда на базе ESP32 для определения частиц высоких энергий

Научный руководитель
7. Технические науки
21.03.2025
4
Поделиться
Библиографическое описание
Медведев, С. И. Разработка стратосферного зонда на базе ESP32 для определения частиц высоких энергий / С. И. Медведев, Л. А. Белокопытова. — Текст : непосредственный // Исследования молодых ученых : материалы XCIX Междунар. науч. конф. (г. Казань, март 2025 г.). — Казань : Молодой ученый, 2025. — С. 1-7. — URL: https://moluch.ru/conf/stud/archive/533/18890/.


В данной статье рассматривается разработка экспериментальной установки, предназначенной для оценки проницаемости космических лучей через атмосферу. В основе конструкции находится стратосферный зонд, построенный на базе микроконтроллера ESP32. Он оснащён дозиметром AtomFast, осуществляющим связь через BLE, а также дополнительными модулями для измерения параметров окружающей среды и определения координат. Одновременно данные собираются с трёх дозиметров, размещённых на борту зонда, наземной станции и космическом аппарате. Работа системы основана на получении, обработке и передаче данных в формате JSON с применением избыточных методов для повышения отказоустойчивости. Запись информации осуществляется на SD-карту с использованием openLog. Программная реализация выполнена на языке C/C++ в среде VSCode с использованием платформы PlatformIO.

Ключевые слова : стратосферный зонд, телеметрия, ESP32, радиационный фон, дозиметрия, BLE-связь, JSON, GPS, акселерометр, гироскоп, магнитометр, датчики атмосферы, энергосистема, SD-карта, PlatformIO.

Введение

Исследование космических лучей и высокоэнергетических частиц требует точных измерений их характеристик в различных слоях атмосферы. Для выполнения этой задачи была разработана экспериментальная установка, в состав которой входит стратосферный зонд, оснащённый системой сбора данных, показан на рис. 1. Использование микроконтроллера ESP32 и периферийных устройств позволяет фиксировать радиационный фон, параметры атмосферы и географическое положение. Полученные результаты можно использовать для калибровки измерений, выполняемых с наземных и орбитальных платформ.

Стратосферный зонд

Рис. 1. Стратосферный зонд

Архитектура системы и аппаратные компоненты

Система включает в себя дозиметр AtomFast, который фиксирует количество импульсов, скорость накопления дозы и её общий показатель. Связь дозиметра с микроконтроллером осуществляется через BLE. В процессе передачи информации выполняется подключение BLE-сервера и регистрация уведомлений, содержащих основные параметры измерений.

Для определения высоты, температуры и влажности в составе зонда используется барометр BMP085 и датчик DHT11. Первый компонент позволяет получать данные о температуре и давлении, на основе которых вычисляется высота. Второй датчик обеспечивает измерение влажности и температуры окружающей среды. Координаты определяются с помощью GPS-модуля, данные которого обрабатываются библиотекой TinyGPSPlus. Система позиционирования позволяет фиксировать широту, долготу, скорость движения, курс, дату и время. Дополнительно выполняется контроль качества сигнала и определение количества доступных зондов.

Дополнительные измерения включают в себя регистрацию параметров ориентации и движения. Гироскоп и акселерометр MPU6050 обеспечивают сбор информации об углах наклона и динамических характеристиках зонда. Компас QMC5883L фиксирует векторные показатели магнитного поля, а датчик тока и напряжения INA226 анализирует состояние энергосистемы, оценивая напряжение, силу тока и мощность.

Передача данных реализована с применением радио модуля ebyte e32 и технологии BLE. Система формирования сообщений использует JSON-структуру, в которой предусмотрены короткие и расширенные пакеты данных. Первый содержит основные показатели, включая результаты измерений с дозиметра, информацию о температуре, влажности, координатах. Второй включает в себя дополнительные сведения, например, показания гироскопа, компаса, параметры энергопотребления. Использование двух форматов передачи позволяет при необходимости восстанавливать информацию, даже если одно из сообщений оказывается повреждённым.

Запись информации осуществляется с применением модуля openLog, что обеспечивает сохранность данных на SD-карте. Такой подход позволяет анализировать измерения даже в случае потери связи со зондом.

Программная реализация

Программный код написан на C/C++ с использованием среды PlatformIO. На этапе инициализации происходит настройка всех компонентов системы, включая BLE-соединение, GPS-модуль и сенсоры. В ходе работы выполняется считывание параметров дозиметра, которое организовано через регистрацию уведомлений BLE. При каждом обновлении информации она преобразуется и записывается в соответствующие переменные.

Атмосферные параметры считываются периодически. Барометр определяет температуру и давление, после чего вычисляется высота. Данные датчика DHT11 дополняют измерения значениями температуры и влажности воздуха.

Определение координат выполняется через обработку данных GPS, при этом система анализирует валидность полученных значений и сохраняет их в памяти. Для контроля качества фиксации сигнала дополнительно анализируется количество доступных зондов.

Передача информации организована через последовательные порты и систему дублирования сообщений. Данные записываются в JSON-формат и отправляются на приёмные станции, а также фиксируются на SD-карте с помощью openLog. Такой метод позволяет минимизировать вероятность потери данных и обеспечивает возможность последующего анализа измерений.

Основной цикл программы включает периодическое обновление данных, обработку полученной информации и отправку сообщений. Регулярность работы датчиков варьируется: основные параметры обновляются с интервалом в две секунды, а передача расширенной информации выполняется раз в шесть секунд. Дополнительно в систему включены механизмы индикации, позволяющие визуально контролировать работу зонда.

Формат JSON-сообщений

Передача данных осуществляется в виде двух последовательных JSON-сообщений, содержащих фиксированную последовательность данных. Первое сообщение включает в себя основные параметры, необходимые для минимального функционирования системы, а второе расширяет их, предоставляя дополнительные сведения о состоянии зонда:

{«pc»:19»,pres»:101544»,t»:24.2»,h»:24.6»,lat»:0»,lng»:0»,galt»:0}

{«dr»:0.05»,ad»:0.24»,td»:23»,bat»:100»,mps»:0»,deg»:0»,chyx»:89.59»,chzx»:353.14»,tx»:0.16»,ty»:2.36»,tz»:-3.13»,tb»:29.1»,alt»:0.082966»,salt»:-17.80188, «cx»:925»,cy»:4002»,cz»:-327»,gx»:0»,gy»:0»,gz»:0»,ax»:0»,ay»:0»,az»:0»,gs»:true»,sc»:0»,d»:29»,mh»:1»,y»:2025»,hr»:15»,m»:14»,s»:5»,u»:4.56»,i»:3276.7»,p»:14942.5»,c»:26}

Каждая переменная несёт определённый смысл:

pc — показания дозиметра

pres — атмосферное давление

t — температура окружающей среды

h — влажность

lat, lng — координаты (широта и долгота)

galt — высота над уровнем моря

dr, ad, td — параметры радиационного фона

mps — скорость

deg — направление движения

chyx, chzx — показатели ориентации

alt, salt — высота по данным барометра

cx, cy, cz — параметры магнитного поля

gx, gy, gz — показания гироскопа

ax, ay, az — акселерометр

Дублирование данных в коротком и расширенном сообщении позволяет использовать методы машинного обучения, в частности, нейронные сети на наземной станции, для восстановления повреждённой информации в случае потери части данных.

Экспериментальная методология

Для оценки проницаемости космических лучей измерения проводятся одновременно в трёх точках: на стратосферном зонде, наземной станции и космическом аппарате. Сравнение полученных данных позволяет определить влияние атмосферы на поток частиц. Применение JSON-структуры для хранения информации и дублирование сообщений повышает надёжность системы и обеспечивает возможность восстановления повреждённых данных.

Данные, получаемые со зонда в виде таблицы представлены на рис. 2.

Таблица данных зонда

Рис. 2. Таблица данных зонда

Заключение

Разработанная система демонстрирует эффективность в проведении экспериментов, направленных на исследование проницаемости космических лучей. Использование микроконтроллера ESP32 и периферийных устройств позволяет получить точные данные о радиационной обстановке, параметрах атмосферы и координатах зонда. Применение BLE-связи, дублированной передачи данных и записи на SD-карту обеспечивает отказоустойчивость и надёжность эксперимента. Разработанная методология может быть использована для дальнейших исследований в области мониторинга радиационного фона и аэрокосмических измерений.

Можно быстро и просто опубликовать свою научную статью в журнале «Молодой Ученый». Сразу предоставляем препринт и справку о публикации.
Опубликовать статью
Ключевые слова
стратосферный зонд
телеметрия
ESP32
радиационный фон
дозиметрия
BLE-связь
JSON
GPS
акселерометр
гироскоп
магнитометр
датчики атмосферы
энергосистема
SD-карта
PlatformIO

Молодой учёный