Environmental/Regatta Buoy: Sensing System

Um dos principais objetivos da ciência é perceber a natureza, i.e., descobrir e explicar o funcionamento do mundo que nos rodeia. Para tal, os cientistas precisam de coligir dados e monitorar o meio ambiente. Em particular, considerando que cerca de 70% da Terra é coberta por água, a coleta de parâmetros de caracterização da água de grandes superfícies é uma prioridade. A monitorização das condições da água é feita principalmente através de bóias. No entanto, as bóias disponíveis no mercado não satisfazem as necessidades existentes. Esta é uma das principais razões que levaram o Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) do Instituto Superior de Engenharia do Porto a lançarem um projeto para o desenvolvimento de uma bóia reconfigurável e com dois modos de funcionamento: monitorização ambiental e baliza ativa de regata. O segundo modo é destinado a regatas de veleiros autónomos. O projeto começou há um ano com um projeto do European Project Project [1] (EPS), realizado por quatro estudantes internacionais, destinado à construção da estrutura da bóia e à selecção dos componentes mais adequados para o sistema de medição e controlo. A arquitetura que foi definida para este sistema é do tipo mestre-escravo e é composta por uma unidade de controlo mestre para a telemetria e configuração e uma unidade de controlo escrava para a medição e armazenamento de dados. O desenvolvimento do projeto continuou com dois estudantes belgas que trabalharam na comunicação e no armazenamento de dados. Este projeto, que prossegue com o desenvolvimento da medição e do armazenamento de dados do lado da unidade de controlo escrava, tem os seguintes objetivos: (i ) implementar o protocolo de comunicação na unidade de controlo escrava; (ii ) coligir e armazenar os dados dos sensores no cartão SD em tempo real; (iii ) fornecer dados em tempo útil; e (iv) recuperar dados do cartão SD em tempo diferido. As contribuições anteriores foram estudadas e foi feito um levantamento dos projetos congéneres existentes. O desenvolvimento do projeto atual começou com o protocolo de comunicação. Este protocolo, que foi projetado pelos alunos anteriores, foi um bom ponto de partida. No entanto, o protocolo foi atualizado e melhorado com novas funcionalidades. Esta última componente foi um trabalho conjunto com Laurens Allart, que esteve a trabalhar no subsistema de telemetria e de configuração durante este semestre. O protocolo foi implementado do lado da unidade de controlo escrava através de uma estrutura de múltiplas actividades paralelas (multithreaded). Esta estrutura recebe as mensagens da unidade mestre, executa as ações solicitadas e envia de volta o resultado. A bóia é um dispositivo reconfigurável multimodo que pode ser expandido com novos modos de operação no futuro. Infelizmente, sofre de algumas limitações: suporta uma carga máxima de 40 kg e tem uma área de implantação limitada pela distância máxima à estacão base.

One of the main targets of science is to understand how the world functions, i.e., scientists want to discover how and explain why things occur. In order to do so, they need to collect data and monitor the environment. Considering that around 70% of Earth is covered by water, the collection of water-related information is a priority. The monitoring the water conditions is mostly done by using buoys. However, the buoys available on the market do not fulfil existing needs. This is one of the main reasons why the Autonomous Systems Lab (LSA) and the Instituto Superior de Engenharia do Porto launched a project for the development of a reconfigurable dual mode buoy for environmental monitoring as well as regatta beacon. The second mode is intended for autonomous sailing boat regattas. This project started one year ago, as an European Project Semester [Jor14] (EPS) project involving four international students. At this stage, the objectives were to design and construct a buoy structure and select the most suitable components for the sensing and control system. The architecture defined for the sensing and control system was a master-slave with two microprocessors: a master control unit for telemetry and configuration and a slave control unit for sensing and data logging. The project development continued with two other Belgian students that worked on the communication and data logging. This current project continues the development of the sensing and data logging subsystem on the slave control unit side. The current goal is to: (i ) implement the communication protocol on the slave control unit; (ii ) collect and store sensor data in the SD card in real time; (iii ) provide data in near real; and retrieve data from the SD card in deferred time. The previous contributions were studied and a survey on related projects was done. The current project development started with the communication protocol. This protocol, that was designed by the previous students, was a good starting point. But, in order to get a good implementation and some new functions, the protocol was updated. This component was a joint work with Laurens Allart, who worked on the telemetry and configuration subsystem during the current semester. The protocol was implemented on the slave control unit side using a multithreaded structure. This structure receives the messages from the master, executes the requested actions and sends back the results. The buoy is a reconfigurable multi-mode device that can be further expanded with new operation modes and functions in the future. Unfortunately, it suffers from the following limitations: the payload cannot exceed 40 kg and its deployment area is limited to maximum distance allowed to the base station.