Propuesta de diseno con tecnologıa IoT, de unpico satelite y su plataforma de monitoreo, para

telemetrıa*

Jhonatan Paolo Tovar Soto[0000−0002−0840−2149], Jonathan Steven VargasCanon[0000−0001−6426−7757], Luis Carlos Gutierrez

Martınez[0000−0003−1857−8356], y Carlos Francisco ParejaFigueredo[0000−0001−9144−3429]

Fundacion de Educacion Superior San Jose, Bogota, Colombia.{jtovar,jvargas,luis.gutierrez,cpareja}@usanjose.edu.co

Resumen Los pequenos satelites pueden llegar a ser desconocidos pa-ra muchas personas, aun cuando han sido aplicados en diferentes areaspara optimizar procesos. Este proyecto busca realizar una propuesta dediseno de un pico satelite tipo CanSat, junto a su estacion terrena paramonitoreo de variables ambientales y su visualizacion en tiempo real,mediante tecnologıa IoT. El proyecto se desarrollo a partir de 4 fases:busqueda documental, identificacion de tecnologıas hardware y software,estudio de los dispositivos elegidos y, por ultimo, pruebas estaticas delprototipo propuesto. Una vez se identifico los dispositivos hardware delprototipo, se implemento la propuesta del diseno del pico satelite en 3Dy se determino la pataforma de conexion inalambrica con la tecnologıaIoT elegida. Finalmente, se documentaron las pruebas estaticas de lapropuesta, para evidenciar su funcionalidad y precision en el envıo dedatos por telemetrıa.

Palabras clave: Estacion terrena para satelites ·Monitoreo computari-zado · Pequenos satelites · Satelite artificial.

1. Introduccion

En las ultimas dos decadas diferentes instituciones educativas han buscadoimpulsar desarrollos tecnologicos novedosos en el area de las ciencias espaciales.Esta busqueda hace parte del concepto de “espacio 2.0”[1], que esta fundamen-tado en la rapida expansion de la industria espacial. Esta segunda era doradapresta atencion particularmente al desarrollo de constelaciones de orbita baja(LEO) con dispositivos de menor tamano, clasificados dentro del grupo de pe-quenos satelites como lo son los nano, pico y femto satelites [2]. Estos elementos

* Agradecimiento a la Fundacion de Educacion Superior San Jose y al grupo de in-vestigacion EIDOS por su apoyo para realizar las diferentes etapas del proyecto delque se deriva este artıculo.

2 Tovar et al.

se diferencian de los demas satelites por su bajo costo asociado, su mınimo con-sumo de energıa, la baja latencia en la comunicacion de datos y su alta toleranciaa fallos [2].Por otra parte, los pequenos satelites han dado cabida al diseno e implemen-tacion de estrategias pedagogicas para incentivar a los jovenes y ninos en lainvestigacion de las ciencias espaciales. Consecuente, se han empleado los nanoy pico satelites como herramientas de ensenanza, entrenamiento y reclutamientode talentos jovenes para la ingenierıa y las ciencias espaciales, a partir de eventosde participacion, en donde las habilidades STEM son el principal objetivo [3].Adicional a esto, se debe considerar que los pequenos satelites tienen un futuromayor en diferentes aplicaciones y que, las constelaciones LEO, podrıan realizar-se a costos asociados mas bajos, aplicando ası estos fundamentos en escenariosde prediccion de desastres naturales, comunicaciones remotas M2M, monitoreode variables medioambientales e internet de las cosas [2].De acuerdo a lo anterior, el presente proyecto evidencia un analisis y propuestade desarrollo de un pico satelite con su plataforma de monitoreo, haciendo usode Internet de las cosas (IoT) y herramientas de uso libre para la realizacion deuna mision completa de telemetrıa.

2. Metodologıa

Este proyecto utilizo una estrategia de investigacion aplicada definida en 4fases.Fase 1: Analisis del estado del arte y busqueda documental cuyo tema centralfueron pequenos satelites.Fase 2: Identificacion de elementos y dispositivos de hardware y software, consus respectivas tecnologıas, para la construccion del pico satelite y la estacionen tierra.Fase 3: Estudio y pruebas de los elementos elegidos para el prototipo. Se realizala documentacion del proceso.Fase 4: Validacion de la propuesta con pruebas estaticas.La recopilacion se realizo mediante de bases de datos academicas y revistas in-dizadas en motores de busqueda. Posteriormente, se indago sobre los elementostecnologicos y de software que se utilizan con frecuencia en los proyectos de picosatelites en las instituciones universitarias, con el fin de encontrar una propuestade bajo costo asociado. Una vez se identificaron estos elementos, se establecieronpruebas de programacion de los diferentes sensores y las tarjetas de comunica-cion punto a punto con el protocolo LoRa.Por ultimo, se realizo la propuesta del diseno del pico satelite y de la platafor-ma de monitoreo, a partir de la realizacion de pruebas estaticas. Esto permitioidentificar una arquitectura IoT adecuada, flexible y con la menor cantidad defallos posibles para la comunicacion de las variables medioambientales, desde elpequeno satelite a la estacion de monitoreo.

Picosatelite y telemetrıa con IoT 3

3. Resultados

El diseno del pico satelite tipo CanSat (como se observa en la Fig. 1a) serealizo en el software FreeCAD, a traves de un diseno 3D del caparazon del picosatelite mediante analisis FEM. Con este diseno se establecio una primera apro-ximacion de la distribucion interna de los sensores y del sistema de alimentacionde energıa del pico satelite. Esto se realizo a traves del software KiCAD y Free-CAD, a fin de tener un aprovechamiento maximo del volumen, como se observaen la Fig 1b y 1c.

(a) Analisis FEM (b) PCB al interior (c) PCB vista exter-na

Figura 1: Diseno 3D del pico satelite y distribucion interna de sensores y sistemade energıa sobre PCB.

Ademas, para realizar todo el proceso de monitoreo remoto se eligieron sen-sores de temperatura, presion, altura, humedad, acelerometro, giroscopio y GPS.Los datos obtenidos son enviados a una estacion en tierra implementada en latarjeta Raspberry Pi con ayuda del protocolo de comunicacion LoRa, con elfin de construir bases de datos y estadısticas que permitan interpretar y hacerpredicciones del comportamiento climatico del sector en donde se realicen lasmediciones.Finalmente, la propuesta del sistema de transmision de datos (telemetria) seobserva en la Fig. 2.

4. Conclusiones

Mediante el analisis realizado y la validacion de la propuesta de monitoreoremoto, se pudo evidenciar que el desarrollo de prototipos de telemetrıa utilizan-do tecnologıa IoT, pueden ser utiles para realizar diferentes labores en algunos

4 Tovar et al.

Figura 2: Plataforma propuesta para las pruebas de monitoreo remoto de varia-bles ambientales del pico satelite.

ambitos de interes local y nacional, como lo son las aplicaciones agrıcolas, de redy de metereologıa. Ası mismo, se identifico que es posible realizar un prototipode bajo costo, que pueda interconectarse con muchos otros satelites mediante eluso de tecnologıa IoT para crear una red de pico satelites en la atmosfera, ha-ciendo uso adecuado de alternativas de comunicacion con pequenos volumenesde informacion como lo es el protocolo LoRa. Por ultimo, fue posible determinarun posible diseno de una estacion en tierra con tarjeta Raspberry Pi para lavisualizacion de informacion mediante el lenguaje Python, lo que hace a la apli-cacion -en conjunto- un medio factible y practico para su manejo en diferentosambitos.

Referencias

1. Pelton, J. N., Madry, S.: Introduction to the Small Satellite Revolution and ItsMany Implications. Handbook of Small Satellites: Technology, Design, Manufacture,Applications, Economics and Regulation. Springer (2020)

2. Davoli, F., Kourogiorgas, C., Marchese, M., Panagopoulos, A., Patrone, F.: Smallsatellites and CubeSats: Survey of structures, architectures, and protocols. Interna-tional Journal of Satellite Communications and Networking 37(4), 343–359 (2019)

3. Madry, S., Pelton, J. N.: Student Experiments, Education, and Training with SmallSatellites. Handbook of Small Satellites: Technology, Design, Manufacture, Appli-cations, Economics and Regulation. Springer (2019)

4. Kizilkaya, M. O., Ouguz, A. E., Soyer, S.: CanSat descent control system de-sign and implementation. En: 2017 8th International Conference on Recent Ad-vances in Space Technologies (RAST), pp. 241-–245. IEEE, Turquia (2017).https://doi.org/10.1109/RAST39648.2017

5. Cabulouglu, C., Aykics, H., Yapacak, R., Calicskan, E., Augirbacs, O., Abur, cSa-ban, . . . others.: Mission Analysis and Planning of a CANSAT. En: Proceedings of5th International Conference on Recent Advances in Space Technologies (RAST),pp. 794-–799. IEEE, Turquia (2011). https://doi.org/10.1109/RAST18126.2011