臭氧层是大气中富含臭氧（O3）的部分，这个部分的存在对于地球上的生命至关重要，通过查阅资料知“臭氧层的最大浓度通常发生在平流层的半径20至30公里的范围内，被称为臭氧层最大浓度区。这个区域也被称为臭氧层峰值区”我现在将测量所在地区臭氧峰值的准确高度，则通过GPS模块和MQ131臭氧传感器完成。那为什么要执着计算臭氧层的峰值高度？臭氧峰值高度越低，代表着臭氧层的厚度减少，会导致更多的紫外线辐射到达地表，可能对生物和生态系统造成危害。最近化学课有提及此知识，也引起了本人的兴趣。

作为航空爱好者，总是对天空有着执着。本人现在有一定的单片机基础，理论知识储备相较以前也更加充足......所以，我打算在寒假放飞一个重达1kg，可飞31km的气象气球，主要目的为了探测大气上层臭氧浓度的高低，还有获取影像资料。在这里我借鉴了“星火计划”其中的气象气球尺寸一览表，原文地址星火计划 （用了一个寒假发射的探空气球） - 科创网 (kechuang.org)，这是多次修改后的计划流程：

计算参数预估价格→建模仿真计算 →进行设计布局组装→检查气密性，保温性→电路焊接，开发板编程→检查焊线牢固，程序稳定→确定量程范围确定相机画质及位数/角度→确定GPS→确定电源容量（考虑温度，气等因素）→寻找最佳地点→报备当地空管→确认飞行日期→确认气象→到达放地方放行根据GPS，蜂鸣器等回收

1.首先进行大体的计算，了解气球飞行的质量高度等等，方便后面针对这些进行合理化设计

从图中得知总举力F_浮=25N

然后由

F=ρVg          

得V_气=F_浮/ρg

最后带入算出V_气≈2.5m³

当时我计算止步于此了，居然没有考虑氦气的自身重量等其他因素...

好在最后问了客服，充氦气要4.5m³

探测设备质量不超过1kg即可，降落伞材质选取尼龙的，尼龙的阻力系数取0.3，伞的直径为1.5m就可以了，开伞的想法很简单，我参考了“星火计划”，将降落伞与气球绳索串联起来（如上图），气球炸裂后降落伞受空气作用自动展开，这不但方便，而且开伞率几乎为100%，这种串联的方式还不用担心降落伞给气球带来的阻力

2.获取上层的环境数据影像资料以及找回

这是臭氧传感器器MQ131，通过臭氧的含量（mg/m³）可测出某时刻臭氧浓度的峰值，如下图

商家没有更详细的资料我就自己找到了原厂的说明书↓

     平流层臭氧的峰值浓度可高达几百ppm，而MQ131测量范围一般为10-1000ppm，相应的高度通过GPS定位模块得出（精度在10m以内），然后结合同一时刻的GPS测量的高度数据即可测出峰值高度，接下来就改模拟制作一个数据存储装置了：于是我用一块arduino nano，mpu6050（先暂时用mpu6050测验一下，总体换汤不换药），sd读卡模块和一张SD卡组成一个离线记录的装置，最后我会将mpu6050换成测量MQ131臭氧的传感器

先接线，sd卡槽模块接线参考这张图

mpu6050接线就是SCL接A5，SDA接A4，SD内存卡内存是2GB的

这是大体的布局，先这么接着，方便后期调试

总体原理就是由arduino nano读取mpu6050的数据，并且将数据以excl表格格式通过读卡模块保存在sd卡中

经过多次调整，最后总算可以正常地保存在内存卡中了

这是最后得到的数据，我通过折线图表示出来

测试代码如下

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_Sensor.h>
#include <Adafruit_MPU6050.h>
#include <SD.h>

Adafruit_MPU6050 mpu;
File dataFile;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  if (!SD.begin(SS)) {
    Serial.println("Failed to initialize SD card.");
    while (1);
  }
  dataFile = SD.open("data.csv", FILE_WRITE);
  if (dataFile) {
    dataFile.println("倾角X, 倾角Y, 倾角Z, X轴加速度, Y轴加速度, Z轴加速度, 温度℃");
    dataFile.close();
  } else {
    Serial.println("Error opening data.csv");
  }
}

void loop() {
  sensors_event_t a, g, temp;
  mpu.getEvent(&a, &g, &temp);

  dataFile = SD.open("data.csv", FILE_WRITE);
  if (dataFile) {
    dataFile.print(a.acceleration.x);
    dataFile.print(", ");
    dataFile.print(a.acceleration.y);
    dataFile.print(", ");
    dataFile.print(a.acceleration.z);
    dataFile.print(", ");
    dataFile.print(g.gyro.x);
    dataFile.print(", ");
    dataFile.print(g.gyro.y);
    dataFile.print(", ");
    dataFile.print(g.gyro.z);
    dataFile.print(", ");
    dataFile.println(temp.temperature);
    dataFile.close();
  } else {
    Serial.println("Error opening data.csv");
  }

  delay(50);
}

       然后就是数据的回传了，计划在天空端用arduino nano通过lora无线模块，结合21cm胶棒天线同时进行经纬度 臭氧浓度数据传输，在地面端通过lora模块和转接器结合MagicalANT Yagi-U 手持八木天线接收到笔记本上,我参考了lora模块的卖家资料。

增益天线最后计划用Yagi的，支持420MHz-450MHz增益最高6dBi，空中天线裸露安装在泡沫箱侧端偏下，地面通过手持方式对准 ↓

     此外需要GPS定位模块，基站传回的那种↓（开机状态工作时长7-10天）

影像记录的要求要高一点，上Gopro4

     落地后用蜂鸣器的声音吸引人的注意，这个我在火箭代码的基础上稍微修改一下时间间隔就OK了，差不多是这样的：

744ABB511606DCB1805A9253ABDFAB5C.mp4 点击下载 ‎

蜂鸣器用这个是远远不够的，所以我又买了个9V的高分贝蜂鸣器，计划用arduino和继电器控制蜂鸣器的电路，为此提前写了代码，通过计算得到气球上升速度5m/s，降落速度3m/s，根据当地的平均风速0-3.6m/s，高度取38000m，最后估出间隔时间为20266s（5小时）即20266000ms，同时也修改了代码的参数

验证无误，这是代码

const int relayPin = 2;

void setup() {
  pinMode(relayPin, OUTPUT);  // 设置继电器引脚为输出模式
}

void loop() {
  digitalWrite(relayPin, LOW); // 默认情况下，继电器为关闭状态

  delay(20266000); //程序等待20266秒

  digitalWrite(relayPin, HIGH); // 经过20266秒后打开继电器
  delay(100);  // 等待一个较短的时间，以确保继电器稳定打开

3.总体布局规划

然后就该设备的布局安排了，确认泡沫箱的尺寸

然后打算将电子设备模块化，加装在泡沫箱中，便于组装且一定程度上提高了密封性，最后的建模打印以实际尺寸，最后还要测试电源能给各部分电子设备的供电时间，为了方便开关，我打算将所有开发板并联在一个大电源上，10000毫安的电量

一块arduino nano工作时电流为30mA，电压是3.7V，所以可以计算出：

电池电量（mAh）/ 总功率消耗（W）=电池可供电时间（小时）

即：

10000mAh / （2 x 0.074W） ≈ 67.6小时(两三天的时间)

4.确定放飞地点

放飞地就选在河北张家口—张北草原，很幸运我就在张家口，地理位置还是很友善的，另外4KG以下的气球放飞无需资质，报备即可，这是今年的气象气球升放管理条例：

另外参考一下风场的气象图↓

我这里的风向是西北吹向东南，降落地点大致在北京到天津一带

至于气球空中横漂距离，我后期会进行实地探测的。再结合风向图，最后可能落在北京或者天津秦皇岛等城市，宽广人多便于找回。