Low Altitude Umweltüberwachung mit einem Arduino basierend Wetter Instrument und Aeropod Remote Sensing Platform

7 Schritt:Schritt 1: Auswahl eines Fernerkundungsplattform und Instrument Schritt 2: Montage des Wetter Instrument Schritt 3: Programmieren der Wetter Instrument Schritt 4: Aeropod Designspezifikationen Schritt 5: Materialien für Aeropod Construction Schritt 6: Aeropod Construction Hinweise Schritt 7: Praxis Aussetzen und Einholen Aeropods

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Projektübersicht
Kursteilnehmer an der New Lothrop High School in Michigan haben zusammengearbeitet, um eine niedrige Höhe der Fernerkundung Plattform zu bauen als ein "Aeropod" und ausgestattet mit einem "Arduino" basiert Wetter Instrument atmosphärischem und andere Umweltdaten bis zu einer Höhe von 500 Meter über sammeln ebenerdig. Das Wetter Instrument ist auf der Aeropod dann montiert hob in die Atmosphäre mit einem Fesselhebevorrichtung (a kite). Dieses Projekt integriert Engineering und Design-Praktiken in bestehende Gymnasium Earth Science Einheiten Meteorologie und Fernerkundung der Wissenschaft Unterrichtspraxis soll Next Generation Wissenschaft Standards erfüllen zu unterstützen.
Dieses Projekt benötigt zwei Phasen ... Bau und Lizenzierung und Schulung und Datenerfassung.
Die initiale Aufbau und Lizenzierung Phase benötigt ein paar Monate in Echtzeit. Die vier Hauptaufgaben, die für den Bau und die Lizenzierung durchgeführt werden mussten, sind:

    Erwerben Sie Komponenten und bauen eine kleine "Arduino" basiert Wetterinstrument (2 Wochen bis 2 Monate, je nach Erfahrung). Der Bau des Wetter Instrument wurde nach der Schule während des Winters von 2014-2015 bei der Science Club Treffen durchgeführt. Erwerben Sie ein geeignetes Hebezeug (Kite) und Zubehör (2 Wochen). Das Kite wurde von einem kommerziellen Anbieter (in den Wind) gekauft und die erforderlichen binden ein paar Barrel schwenkt in die Drachenlinie und war schnell "ready to fly" nach Erhalt. Erhalten Aeropod License (2-3 Monate). Die Aeropod Design ist patentiert und kann kostenlos für die pädagogische Nutzung der NASA lizenziert werden. Die Lizenz wurde von der NASA Goddard Space Flight Center Ingenieur Geoff Bland, der Schöpfer der AEROKATS Programm erhalten. Geoff entwirft niedriger Höhe individuelle Fernerkundungsplattformen genannt Aeropods, Agrar- und Umweltforschungszwecke. Bauen Sie sich ein Aeropod (3 Tage). Der Bau der Aeropod wurde während der regulären Unterrichtszeit mit Hilfe von unserer Schule Industrial Arts Lehrer durchgeführt.

Die Schulung und Data Collection wurde während des Unterrichts in etwa einer Woche in Echtzeit durchgeführt und bestand aus zwei Hauptaufgaben:
    Praxis-Einsatz und das Abrufen der Kite und Aeropod mit "Dummy" Instrumentenpaket (2 Tage) Führen Sie die Fernerkundung und Herunterladen von Daten für die Analyse (ungefähr eine Stunde, wiederholt so oft wie gewünscht)

Wir möchten den folgenden Personen, die Unterstützung und Anleitung bei diesem Projekt zur Verfügung gestellt zu erkennen:
Paul Buchtel , New Lothrop High School, Industrial Arts Abteilung Jonathan Knieper , New Lothrop Alumnus und Elektrotechnik Student at Saginaw Valley State University Dave Bydlowski und Andy Henry , The ICCARS Project, Wayne County Regional Education Services Agency Geoff Bland Wallops Feldunterstützungsbüro und Darryl Mitchell Innovative Technologiepartnerschaften Büro, NASA Goddard Space Flight Center

Schritt 1: Auswahl eines Fernerkundungsplattform und Instrument

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    Die Schüler in unserer Schule wurden auf die freiliegende Arduino während eines Gastvortrag Präsentation im Mai 2014. In der Diskussion nach der Vorstellung wurden wir inspiriert, ein Arduino basierend Wetter Instrument, das wir verwenden, um meteorologische Sondierungen erhalten bauen Open-Source-Elektronikplattform für Elektronik-Design der Atmosphäre. Nach der Entscheidung, ein Instrument zu bauen, mussten wir eine Fernerkundungsplattform entscheiden, unser Instrument über der Erde zu heben. Wir betrachteten zwei Arten von Fernerkundungsplattformen ...
    Eine gefesselte Hebevorrichtung (Kite oder Ballon) mit einer Nebenleitung verwendet werden, um eine aerodynamische Plattform (ein Aeropod) auszusetzen, auf dem wir unseren Wetterinstrumentenhalterung könnte. Ein unbemanntes Luftfahrzeug (wie ein Quad-Copter), auf dem wir unseren Wetterinstrument direkt montieren könnte.
    Wir haben uns für die angebundenen Gerät und aeropod weil das Konzept wurde auch auf den dokumentierten Untersuchung Klimawandel und Fernerkundung (ICCARS - ausgesprochen "Ikarus") Website von der Wayne County, Michigan Regional Education Services Agency veröffentlicht. Die Ressourcen auf dieser Website enthalten Bilder, Videos, Unterrichtspläne, Dokumente und Tutorials, die wir studieren, um eine erfolgreiche Fernerkundungsplattform zu schaffen. Von besonderem Nutzen für uns waren die Video-Links auf der Website, die uns ICCARS Bau- und Montage Tipps für die Erstellung Aeropods und Kite Empfehlungen zeigte.
    Unser Projekt schien einzigartig aus früheren Projekten ICCARS denn anstatt mit handelsüblichen Detektoren (Kameras oder einen Kestrel Wetter- und Umwelt meter) wir sollen eine Wetter Instrument zu bauen, um für die Umweltüberwachung eingesetzt werden. Der Aufbau unserer eigenen Instrument gefördert Begeisterung in unsere Studenten durch die Erfüllung ihrer Wunsch, mehr über Elektronik-und Computer-Programmierung zu erlernen.

Schritt 2: Montage des Wetter Instrument

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    Unser erster Schritt bei der Schaffung der Wetter Instrument war, um die Hardware zu kaufen. Wir kauften Arduino Leiterplatten und der zugehörigen Komponenten aus SparkFun Electronics. Die Website Tutorials und Online-Support-Mitarbeiter SparkFun beantwortet die meisten unserer technischen Fragen. Die erworbenen Komponenten waren:
    Sparkfun Redboard DEV-12757 (Sparkfun Version von einem Arduino Uno R3) Sparkfun Wetterschild DEV-12081 (Luftdruck, Relative Luftfeuchtigkeit, Helle, und Temperatur) Sparkfun Stackable Header-Kit - R3 PRT-11417 (Lot zur Montage auf dem Redboard Wetterschild) Sparkfun openlog DEV-09530 (Open-Source-Micro-SD-Seriendatenlogger um Daten während der Probennahme zu speichern)
    Andere notwendige Materialien wurden in den Wissenschaftsclub Teil Tonnen oder wurden von Radio Shack gekauft:
    9V Batterie (um das Instrument während der Fernerkennung Leistung) Zentrum-positive Hohlstecker mit einem Außendurchmesser von 5,5 mm und Innendurchmesser von 2,1 mm mit einer 9V-Batterie Snap Cap verbunden (müssen möglicherweise Kappe und Verbindungsstück separat zu kaufen - auf Lot rote Kabel Mittelstift) USB 2.0 Typ A auf Mini-B 5-Pin-Kabel (zum Herunterladen von Bedienungsanleitung von einem PC auf das Wetter Instrument) USB 2.0 Micro-SD-Kartenleser Four ~ 5cm lang 20-22 Gauge massiven Kupferdrähten (diese benötigt werden erforderlich um die openlog Datenlogger zur Wetter Instrument verbinden) 25 Watt Lötkolben und Fluss Kern Lot (zum Löten Header und openlog Verbindungen)
    Wir achteten darauf, lesen und befolgen Sie die Anweisungen und Videos auf dem Sparkfun Homepage:
    https://learn.sparkfun.com/tutorials/redboard-hookup-guide https://learn.sparkfun.com/tutorials/weather-shield-hookup-guide
    Wir fanden, dass der Montage des Arduino-Hardware war einfach! Wir bauten das Gerät in vier Schritten ...
      Solder Headers auf der Wetterschild (die SparkFun Löten Video hat hilfreich Lötspitzen) Stecken Sie das Wetterschild mit Kopfzeilen in die Redboard Solder führt zur openlog und stecken Sie die Leitungen in das entsprechende Wetter Schirmsockel Löttechnik ein Barrel Connecter zu 9V Snap Cap, so dass wir eine Verbindung herstellen können unsere 9V-Batterie, um das Gerät anzutreiben

    Nach diesen vier Schritten das Wetter Gerät wurde montiert und bereit für die Programmierung.

Schritt 3: Programmieren der Wetter Instrument

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    Sobald das Instrument montiert mussten wir Code hochzuladen, damit das Instrument würde zu sammeln und zu speichern. Die für die Programmierung des Instruments inlcude Herunterladen der Arduino Software-Programm, um unsere Desktop-Computer, erhalten Beispielcode aus dem SparkFun Website, und dann das Hochladen der Code, um das Wetter Instrument benötigt Aufgaben.
    Diese Aufgaben, in detaillierten Auftrag sind ...
      Sehen Sie sich die Sparkfun Wetterschild Hookup Leitfaden über den Anschluss und die Programmierung der Wetterschild zu lernen. Die Sparkfun Website schlägt das Laden ihrer Beispielcode zu der Wetterschild. Laden Sie die Open-Source- Software Arduino zu unserem Desktop-Computer und speichern Sie die Probe "Skizze" (Arduino-Dateien werden Skizzen genannt) durch SparkFun auf die Arduino Bibliothek auf unseren Desktop-Computer zur Verfügung gestellt. Verbinden Sie das Wetter Instrument, um unsere Desktop-Computer mit dem USB / Mini-B-Kabel. Öffnen Sie die Arduino-Programm und verwenden Sie Befehle aus dem Dropdown-Menü am oberen Rand des Bildschirms progam wählen Sie den entsprechenden COM-Port (wir verwendeten COM 9), um über die USB-Kommunikation. Öffnen Sie die Arduino Sketch aus dem Menü "Datei" des Arduino-Programm. Wählen Sie Upload-Datei aus dem Dropdown-Menü auf der Arduino-Programm. Sobald das Programm wurde das Licht auf das Wetter Instrument hochgeladen und openlog begann blinkt bei jeder Datenerfassung Zeitpunkt. Schließlich haben wir festgestellt, dass Daten gesammelt durch Öffnen des seriellen Ausgang Monitor in der Arduino-Programm und beobachtet den Ausgang unserer nun Funktionswetterschild!

    Nachdem Sie sich die von unseren Wetter Instrument erzeugten Daten mit Hilfe der Beispielcode haben wir beschlossen, zu untersuchen und ändern Sie den Code. Wir entfernten Codezeilen für die Sensoren nicht auf unserem Instrument installiert und verändert die Datenerfassungsrate um 1 Punkt alle 10 Sekunden (meist ein Versuch und Irrtum Bearbeitungsprozess). Die Datei zu diesem Schritt angehängte Dokumente geänderten Code an.
    Vielen Dank an Jonathan Knieper, einem New Lothrop Alumnus, der uns zu lernen, um durch die in diesem Stadium des Projekts erforderlichen Arduino-Software und Programmierschritte navigieren geholfen.

Schritt 4: Aeropod Designspezifikationen

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    Nach dem Zusammenbau unserer Wetterinstrument fanden wir es hatte eine Masse von etwa 90 g und Abmessungen von etwa 7 cm x 7 cm x 2 cm. Wir berieten uns mit Herrn Buchtel, unsere Industrial Arts Lehrer, Materialien und Design-Spezifikationen für eine Aeropod der Lage ist, diese Nutzlast zu identifizieren. Wir verwendeten Materialien leicht in unserer woodshop verfügbar und "Reverse Engineering" Aeropod Spezifikationen auf der Grundlage einer Luftsäule Profiler Assembly Video auf der ICCARS Website. Wichtige konstruktive Parameter identifizierten wir während Sie das Video waren Länge des Auslegers, Instrument Einbaulage, hinten Pendel Größe und Tonhöhe (von vorne nach hinten Haltung). Wichtige allgemeine Richtlinien waren ...
      Die Länge der Boom (der "Rumpf" des Aeropd) sollte etwa 60 cm, um eine Nutzlast mit dem 90g ~ 7cm Quadrat Grundfläche unterzubringen. Das Instrument Mounting Platform an der Vorderseite des Auslegers sollte etwa 9 cm unterhalb der Mittellinie des Auslegers montiert werden. Wir haben überlegt, dass der Standort des Gerätes Montageplattform unterhalb der Mittellinie konnte in der Stabilität während des Fluges zu unterstützen. Die horizontale und vertikale Stabilisatoren am Heck der Boom sollte flach sein und müssen im Flug sicher. Wir schätzten, dass sie etwa 10 bis 15 cm von der Spitze und die Seiten der Boom mit einer Sehnenlänge (von der zu Hinterkantenabstand) von 6 bis 10 cm zu verlängern. Die Nase des Aeropd sollte leicht unter dem Schwanz (~ 2 cm), wenn suspendiert und kein Wind weht sein.

    Wir arbeiteten in mehreren Projektteams gleichzeitig mit verschiedenen Materialien und Abmessungen Stabilisator experimentieren. Nach dem Bau vier Aeropds wir sie getestet für Stabilität im Flug mit einem "Dummy-Nutzlast" von 90 Gramm und wählte die Aeropod mit den meisten stabilen Flugeigenschaften für den Einsatz bei der späteren Flug.
    Die maße des Aeropod die besten geflogen werden unten beschrieben (siehe die PDF Teile Diagramm unten) ...
    Boom (unsere Boom wurde von Luan machte): 8mm x 8mm x 64,5 cm langen Instrument Plattform: 12,5 cm lang x 9cm breit x 0,5 cm dick aus leichtem Sperrholz
    montiert auf der Vorderseite des Aeropod, suspendiert 9 cm unterhalb und am Ausleger zentriert ist, parallel zu horizontalen Ebene. Boom / Instrument Platform Montagewagen (vertikal montiert mit langen Achse parallel zum Boom - verbindet Instrumentenplattform um Boom) 12.5cm x 9cm x 0,5 cm - aus leichtem Sperrholz. Der Montagewagen eine 9cm x 3cm Ausnehmung entlang der Unterseite, um einen Hohlraum für das Wetter Instrument zu schaffen. Horizontal Stabilizer (aus Styropor Fleisch und produzieren Packfächer) 21cm x 9cm x 1,5 mm starkem Seitenleitwerk (aus Styropor Fleisch und produzieren Verpackung Trays) 11cm x 11,5 cm x 1,5 mm starkem und Montage Fulcrum - genannt PYLON in ICCARS videos gemacht wurde vom 9cm x 3cm Stück Abfallmaterial, das von der Montage Wagen geschnitten wurde

Schritt 5: Materialien für Aeropod Construction

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    Die meisten unserer Baustoffe wurden auf dem Schrottkorb in unserem Woodshop gefunden. Wir schneiden Holz-Stücke mit einer Dekupiersäge und Schaumstücke mit einem heißen Draht. Wir kauften verschiedenen Arten von Klebstoff, einschließlich Cyanacrylat (Sekundenkleber) Gorilla Kleber und Gorilla Superglue, zusammen mit Kabelbinder. Alle Stücke wurden trocken fit vor dem Kleben, so dass sie leicht zusammengebaut werden konnte. Einige Teams versuchten Schaum für die Flossen, gebrauchte andere Pappe. Die regelmäßige Sekundenkleber aufgeschmolzen die Styropor und die regelmäßige Gorilla Kleber dauerte zu lange, um festgelegt. Wir hatten unsere besten Erfolg der Montage alle Materialien mit Gorilla Sekundenkleber.
    Materialien
    (1) Leichte aber starke Holz (wir Luan verwendet) 66,5 cm lang 8mm breit x 8mm hohe Kutsche, Instrumentenplattform und Fulcrum
    (2) Leichtsperrholzrechtecke ca. 12,5 cm lang x 9cm breit x 0,5 cm dick
    (Abfälle aus der Kutsche für den Pylon verwendet) Horizontale und vertikale Stabilisatoren
    (2) Styrofoam Fleisch und produzieren Packfächer Adhesive
    "Gorilla Superglue" Nylon Kabelbinder
    "Zip Ties"

Schritt 6: Aeropod Construction Hinweise

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    Wir konstruierten vier verschiedenen Aeropods auf der Grundlage der in Schritt vier dieser instructable und dem Motto beschriebenen Design-Spezifikationen "Mal scheitern, so schnell wie wir können!". Unser Ziel war es mehrere Variationen Prototyp Aeropods innerhalb von zwei Tagen zu erstellen, und zu identifizieren kritische Fehler schnell.
    Vor Baubeginn wir erneut gesehen die ICCARS Bau Videos .
    Wir unterteilt in vier Teams und begann Zusammenfügen, um Geräte, die, wie wir sie in den Videos gesehen blickte zu erstellen. Wir Leimholz und Schaum, aber regelmäßige Superkleber nicht mit den Schaumlamellen arbeiten (es geschmolzen den Schaum).

    Ein rechteckiger Raum wurde in den Wagen, um Platz für das Wetter Instrument zu machen. Die Batterie wurde auf die Geräteplattform mit Gorilla Superlgue gesichert, aber das Wetter Instrument wurde auf der Montageplattform mit Kabelbändern befestigt. Jeder der vier Teams zusammengestellt eine aeropods, achten Sie darauf, den Schwerpunkt bei der Positionierung ihrer Pylons zu finden.
    Unsere abgeschlossen Aeropod wog etwa 100 Gramm, und wenn sie mit Instrument und Batterie Nutzlast ausgestattet wog etwa 190 Gramm.
    Das zur Herstellung der Aeropod heben Kite war ein 7 Fuß Levitation Delta Kite und £ 75 dacron Drachenlinie und Zubehör , wie auf der Website ICCARS empfohlen. Alle Kite-Verbindungen waren mades wie in der beschriebenen Kite, Linie und Aeropod Connections Diagramm auf der ICCARS Website.

Schritt 7: Praxis Aussetzen und Einholen Aeropods

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    - Wichtig: Jeder Umgang mit der Drachenschnur muss Handschuhe für die Sicherheit tragen.
    - Winds muss zwischen 5 - 15 Meilen pro Stunde in unseren 7 Fuß Drachen steigen zu lassen.
    -Slowly Auspacken die Zeichenfolge für die Spule, um den Kite Aufzug in den Himmel lassen.
    - Wenn der Drachen wird 250 Meter hoch befestigen aeropod zum Lauf auf der Schwenk Aeropod Nebenleitung.
    Lassen Sie die aeropod Lift etwa 500 Meter in die Luft, und nach Abzug der Zeit für die Datenerfassung beginnen, die die Zeichenfolge nach unten ziehen und zurückspulen es auf die Spule.
    Seien Sie vorsichtig, nicht zu erlauben, Drachenlinie zum Entspannen und stapeln sich in Haufen. Wir verbrachten viel Zeit Entwirren Knoten, bevor wir gelernt, immer halten unsere Linie ordentlich auf eine Spule gewickelt!