Software

Software di bordo

Il software di bordo è eseguito su una Raspberry Pi Zero ed è scritto in Python. Durante la discesa del CanSat, il programma legge i dati dai sensori (temperatura, pressione, umidità, GPS, ecc.) e li invia a terra tramite il modulo radio LoRa EBYTE LLCC68 (modello E220-900T22D), operante a 868/915 MHz.

Il codice è strutturato in due fasi principali:

• Setup: Inizializza le librerie, i sensori, la comunicazione seriale e il modulo LoRa.
• Loop principale: Legge periodicamente i dati dai sensori, li organizza in pacchetti e li invia a terra.

Durante lo svolgimento della missione primaria (raccolta e trasmissione dei dati), il software attiva la fotocamera per acquisire immagini NIR e RGB, che vengono salvate localmente per l’elaborazione successiva.

Software di terra

Il software di terra è sviluppato in Python e ha il compito di ricevere i dati via LoRa, salvarli in un file, fare print. La comunicazione avviene tramite un ricevitore LoRa collegato via seriale a un computer. Il programma gestisce:

• Lettura continua dei dati dalla porta seriale
• Parsing dei pacchetti ricevuti
• Salvataggio dei dati in un file .csv strutturato
• Fare il print di dati ricevuti su terminale 

4.3 Software di analisi 

Inoltre, è previsto un modulo separato per l’elaborazione delle immagini acquisite, che consente di calcolare l’indice NDVI e valutare lo stato di salute della vegetazione.

Il codice segue questi passaggi:

1. Caricamento immagine: si importa l’immagine acquisita con la camera montata su Cansat;

2. Visualizzazione dell’immagine sullo schermo;

3. Nel caso in cui l’immagine sia troppo grande per lo schermo, viene ridimensionata riducendone larghezza e altezza.

4. Aumento del contrasto: viene applicata una funzione contrast_stretch() che migliora la visibilità dei dettagli regolando dinamicamente i valori di luminosità dei pixel.

5. Calcolo NDVI: 

1. Funzione calc_ndvi(image): La funzione prende un’immagine come input, estraendo i canali blu, verde e rosso. Calcola il NDVI utilizzando il canale blu e il canale rosso. Viene aggiunta una piccola costante (0.01) per evitare divisioni per zero, che potrebbe verificarsi se la somma data dal denominatore(somma dei valori dei canali rosso e blu)  è zero. Il risultato è un’immagine NDVI che rappresenta la differenza tra i due canali, con valori che indicano lo stato della vegetazione.

2. Elaborazione del NDVI: Dopo il calcolo del NDVI, il risultato viene visualizzato tramite la funzione display(ndvi), che mostra l’immagine grezza del NDVI.

3. Contrasto dell’NDVI: Successivamente, l’immagine NDVI viene elaborata per aumentare il contrasto attraverso la funzione contrast_stretch(ndvi). Questo miglioramento rende l’immagine più visibile e interpretativa.

6. Mappatura a colori: per rendere l’indice più leggibile visivamente, applichiamo una mappa di colori (“fastiecm”) che assegna colori specifici a diversi livelli di NDVI (ad es. blu per valori bassi, rosso per valori alti).

7. Salvataggio delle immagini elaborate: il programma genera immagini in scala di grigi e a colori, utili per l’analisi post-volo.

L’elaborazione delle immagini avviene dopo l'atterraggio. Questo approccio permette un’analisi più avanzata senza compromettere le risorse durante la fase di discesa.

Radio

Modulo radio

I moduli radio utilizzati sono due, entrambi LoRa E220-900T22D. Uno modulo verrà installato nel CanSat e trasmetterà i dati raccolti, l’altro verrà utilizzato nel sistema di terra per ricevere i dati e salvarli a terra. 

Antenna 

Le antenne utilizzate sono due, una all’interno del CanSat e l’altra nella stazione di terra; entrambe sono antenne LoRa QIQIAZI. 

Raggio di trasmissione

Le antenne e il modulo radio utilizzato hanno come raggio di trasmissione massimo  all'incirca 5 km ( come dichiarato nelle specifiche del prodotto).  

Data logger

Il sistema radio permette la trasmissione a terra dei dati raccolti in volo. Tuttavia, nel caso in cui ci sia un malfunzionamento del sistema sul Raspberry, è presente un serial logger che ci permette di salvare le informazioni raccolte su una scheda SD. 

Circuito

Alimentazione

Il CanSat è alimentato da una batteria Li-Ion con una capacità di 2100 mAh e una tensione di 3,7 Volt. Il consumo del CanSat è di circa 80 mA. Quindi la capacità della batteria è più che sufficiente per il CanSat.

Computer di bordo

Il computer di bordo che abbiamo deciso di utilizzare è un Raspberry Pi Zero 2 W. Il suo compito è quello di “guidare” le altre componenti nello svolgimento del proprio compito. Elaborerà inoltre i dati che saranno inviati a terra attraverso la Radio LoRa ad esso collegata. La nostra scelta è dovuta dal fatto che è leggero e non richiede molta energia.

Sensori,  GPS e fotocamera

Abbiamo dotato il CanSat di 3 sensori e una fotocamera. Il primo è un un sensore GPS della marca e prodotto dalla ICQUANZX (modello: GY-NEO6MV2 NEO-6M) in grado di fornirci la posizione in cui la foto è stata scattata. Come secondo sensore abbiamo messo un barometro di marca Diymore e prodotto dalla Mirocle. Quest’ultimo è in grado di darci la temperatura, la pressione e l’umidità per la missione primaria. Come terzo sensore c’è un giroscopio della marca ARCELI e prodotto dalla ICQUANZX per misurare la rotazione del velivolo. Infine la fotocamera (modello V3) è sensibile agli infrarossi tramite il sensore d'immagine Sony IMX708.

Protocolli di comunicazione

Il nostro CanSat utilizza due protocolli di comunicazione: uno è il protocollo SSH e a comunicare con questo protocollo sono il barometro e il giroscopio; invece il GPS e la radio LoRa comunicano tramite seriale e hanno una propria linea con una propria porta (TX ed RX).

Schema circuito

Struttura e CAD

Dimensioni

Il corpo del nostro CanSat ha una forma cilindrica, con un diametro di base di 60 mm e un’altezza di 115 mm. Lo spazio laterale residuo è occupato dalle viti. In altezza, l’occhiello sporge di 16 mm, ma rimane comunque all’interno dei 450 mm previsti per l’aggancio al paracadute. Eventuali imperfezioni derivanti dalla stampa verranno levigate nelle settimane precedenti al lancio.

Massa

Alla data di compilazione della CDR, il CanSat pesa 260 g, valore inferiore al minimo richiesto di 300 g. Intendiamo aggiungere dei pesi per raggiungere la massa necessaria, ma rimanderemo questa operazione per mantenere la flessibilità in caso siano necessari ulteriori componenti. Il design è stato concepito per mantenere il centro di massa allineato con l’asse verticale centrale e il più vicino possibile alla base, e i pesi che aggiungeremo serviranno anche a perfezionare questo equilibrio, come previsto e verificato tramite simulazione su AutoDesk Fusion 360.

Materiali

Tutti i materiali utilizzati nella costruzione del CanSat sono non infiammabili. La struttura principale è stampata in PLA, mentre gli altri elementi includono circuiti stampati (PCB), cavi, saldature in stagno e viti in alluminio. La batteria scelta è una Li-Ion, conforme alle specifiche richieste dal regolamento, evitando l’uso di batterie LiPo.

Funzionalità

Il CanSat dispone di due scomparti accessibili dall'esterno: uno per la batteria, uno per il raspberry. E il modulo per la SD è già posizionato sul raspberry. Questi scomparti sono protetti da sportelli appositi, che garantiscono un accesso agevole ai componenti in caso di necessità.

Sistema di ancoraggio del paracadute

Per l’aggancio del paracadute è stato impiegato un occhiello del diametro di 10 mm, realizzato in PLA tramite stampa 3D, lo stesso materiale della struttura principale. Questo materiale è stato scelto per garantire uniformità e semplicità costruttiva, ma richiede attenzione all’orientamento della stampa, poiché presenta una resistenza meccanica variabile a seconda della direzione degli strati: è più fragile per sollecitazioni perpendicolari al piano di stampa e più resistente lungo la loro direzione. Per garantire una tenuta sicura, l’occhiello è stato montato sulla struttura del CanSat mediante due viti M3, serrate con dadi.

Spiegazione scientifica del progetto

Da questo momento in avanti cominceranno ad uscire dei post più scientifici che spiegheranno passo passo ogni piccolo ambito del nostro progetto, così da far comprendere davvero quali saranno i nostri obbiettivi e in modo da divulgare il nostro esperimento.

Progetto CanSat

 

Ma cos'è davvero il progetto CanSat?

Il CanSat è una competizione nazionale che sfida gli studenti delle scuole superiori di secondo grado a costruire un mini satellite dalle dimensioni di una lattina. La vera sfida è quella di mettere all’interno di una piccola lattina tutti i sensori, alimentatori e un sistema di comunicazione, stando però attenti a non sforare per spazio, cioè quello di una piccola lattina, costi, ovvero un massimo di 500 euro per tutto ciò che riguarda il satellite (infatti bisognerà costruire anche un’antenna, che però non ha alcun budget) e infine il peso, che deve essere compreso tra i 300 e i 350 grammi. 

Questa gara è gestita da Esero Italy che collabora con l’ASI (acronimo di Agenzia Spaziale Italiana) e l’ESA (cioè l’European Space Agency, ovvero l’Agenzia Spaziale Europea).

Ma quindi che cosa deve misurare questo satellite?

In primis dobbiamo riuscire a completare due missioni principali. 

La prima, più standard e semplice, è uguale per tutti ed è basata sulla presa dei dati di temperatura dell’aria e pressione atmosferica, dati piuttosto facili da prendere con dei banali barometri e termometri. 

Invece la seconda missione è il vero criterio per essere scelti per il lancio. Va inventata e ideata da zero e può consistere o nella presa e analisi di certi dati con sensori appositi, questa via è spesso considerata più facile da seguire anche se richiede una grande dose di fantasia e immaginazione nella scelta delle misurazioni da fare in modo da effettuare un esperimento, oppure nello sviluppo e sulla prova pratica di un’attrezzatura tecnologica, per esempio si potrebbe costruire una sorta di satellite-drone con motori ed eliche (questo tipo di missione però è forse addirittura più complicato, perchè tutta l’attrezzatura deve essere contenuta nel diametro della lattina durante la fase di lancio, che avverrà con un razzo fornito dagli organizzatori, e poi deve schizzare fuori una volta che verrà aperto il paracadute per attutire la caduta). 

Le fasi del progetto

Come primo passo per entrare nella competizione bisogna iscriversi, per farlo basta mandare la propria iscrizione con una descrizione di tutto ciò che si intende fare, una sorta di spiegazione dell’esperimento. Dopodiché, verso gennaio, vengono selezionati i migliori 10 esperimenti di tutta Italia, da adesso inizia il vero succo del progetto. Infatti si comincia a sviluppare propriamente il CanSat, fino a mandare una Critical Design Review, ovvero una specie di revisione globale del progetto, che al contrario di quella inviata nella candidatura, è molto più esaustiva e completa, come una sorta di progetto intermedio, dato che il satellite starà già venendo costruito. Inoltre, proprio come una squadra di calcio pubblica la propria formazione a ridosso di ogni partita, noi dovremo mandare questa Review l’11 aprile, mentre il lancio del satellite sarà il 10 maggio a Torino, dove, a differenza degli anni scorsi, verrà probabilmente lanciato con un drone e non con un razzo a causa di alcuni problemi avuti da ESERO.

Inoltre un’altra delle cose che la gara richiede è di dividere il lavoro e le mansioni tra tutti i componenti del gruppo, per esempio c’è chi si occupa della comunicazione, come me che scrivo questo articolo, qualcun altro che pensa alla programmazione, chi all’elettronica del satellite e chi alla realizzazione della struttura esterna. Insomma il CanSat offre un’offerta vastissima e completa che ti porta a lavorare proprio come in un gruppo di piccoli scienziati, specializzati proprio come le cellule del nostro corpo, che da sole non possono molto ma che unite porteranno a grandi risultati.

Valutazione dei progetti

Dopo la presa dati e l’esposizione dei risultati tutti i progetti vengono valutati in base ad alcuni parametri, anche molto diversi tra loro, divisi in tre macrocategorie: la realizzazione tecnica, il valore scientifico, competenze professionali e divulgazione. Tutti questi fattori, con pesi differenti, influiscono direttamente sul risultato finale. Inoltre per i vincitori è prevista persino una visita al centro ESTEC (ovvero European Space Research and Technology Centre) di ESA in Olanda a giugno, dove i vincitori potranno esplorare la sede del centro di ricerca e parlare con gli esperti così da approfondire le nostre competenze e conoscenze del settore. 

AgriMap: un traguardo a infrarossi!

AgriMap: un traguardo a infrarossi!

Salve lettori! Siamo i componenti del gruppo di un progetto italiano del CanSat, una competizione dell'ESA (la European Space Agency), di cui parleremo più avanti, del liceo scientifico e classico Machiavelli di Pioltello.

Il nostro progetto si chiama AgriMap. Come già potreste aver inteso dello stesso nome del lavoro tutto si basa su "agri", contrazione della parola “agricoltura” o in inglese "agriculture" unito con la parola anglosassone “map”, cioè “mappa”, ciò significa che la nostra missione secondaria si basa sulla mappatura del territorio tramite fotografie a infrarossi dal satellite di appezzamenti di terre o piante in modo da capire, analizzando tramite un computer o un AI le immagini, quali parti del campo o del vegetale in questione siano più sane e quali meno. Questa procedura si basa su un indicatore grafico, l’NDVI (cioè il il Normalized Difference Vegetation Index), che si utilizza per analizzare delle misurazioni ottenute da un certo satellite per valutare se all’interno della zona osservata sia presente della vegetazione viva e in salute. Questo indice è davvero molto interessante, poiché si basa sulla riflessione della luce da parte delle foglie delle piante. 

Questo dato è inoltre correlato alla quantità di clorofilla presente nelle

piante, perciò il nostro obiettivo è di calcolare questo valore per ogni pixel dell’immagine, in modo da ottenere una heatmap (ovvero un tipo di rappresentazione grafica che collega la variazione di temperatura con un certo colore, rendendo quindi il grafico più capibile) che riflette lo stato di salute delle piante, e quindi permetterebbe di dedurre eventuali stati di sofferenza ad esempio dovuti a carenze di acqua o di nutrienti. Il nostro team crede che questa possa essere davvero un’idea molto bella e anche molto importante per monitorare la salute delle piante in un’epoca dove sono quasi fondamentali per il mondo. Siamo molto affiatati, convinti e, inoltre, ci stiamo unendo bene, condividendo con gli altri le nostre conoscenze personali, così da crescere tutti insieme e in modo da imparare tutti ciò che stiamo facendo. Proprio in questi giorni stiamo cominciando ad ingranare, prima il lavoro era molto più astratto e non sapevamo benissimo cosa fare e come farlo ma adesso, che tutto sta cominciando a essere più chiaro, è molto più facile capire come e dove orientarsi, fino ad arrivare, anche se un po' zoppicando, verso il lancio vero e proprio. 

Se vi interessa continuare a seguire il nostro progetto, i nostri sviluppi e i nostri progressi fino al giorno del lancio cliccate i link qua accanto che contengono tutti i collegamenti utili. 

Tutti i link: https://taplink.cc/agrimap