高性能 Arduino 気象観測気球データロガーの製作ガイド

気象観測気球で成層圏へデータロガーを送ろう

Arduino を気象観測気球に搭載して成層圏（約 30 km 高度、「宇宙の端」と呼ばれる領域）へ送り、気温・湿度・加速度などの環境データを記録するための包括的なガイドです。スキルレベルや目的に合わせて 3 つの製作パスを用意しています。

3 つの製作パス

パス 1：ユニバーサル基板（プロトボード） — はんだ付けスキルが少しあればOK。センサーや機能を自由に選べる最も柔軟な方法。
パス 2：設計済み PCB シールド — 専用基板「Eclipse PCB」を注文・実装するだけで、配線不要で信頼性の高いロガーが完成。Gerber ファイルとコードを提供。
パス 3：自作 PCB 設計 — 上級者向け。回路設計・基板製造・ファームウェア開発のすべてを自分で行う。本ガイドでは法規制や設計上の重要ポイントのみ解説。

飛行前の重要な規制・制約（米国 FAA 基準）

ペイロードに携帯電話の電波を出さないこと（機内モード必須）
GPS 追跡にアマチュア無線（APRS）を使う場合はハムライセンスが必要
ペイロードの重量/面積比が 3.0 oz/in² を超える場合、総重量 4 lb 以下
個々のペイロードは 6 lb 以下
複数ペイロードの合計は 12 lb 以下

詳細な FAA ガイドラインはこちらを参照してください。

パス 1：ユニバーサル基板での製作

必要な部品

Arduino Mega 2560 × 1
DS18B20 防水温度センサー（1-Wire） × 2（外気温・内部温度用）
DHT22 温湿度センサー × 1
ADXL335 / ADXL337 3軸加速度センサー × 1
MicroSD カードモジュール × 1（FAT16/32 フォーマット、16 GB 以下）
ピンヘッダー、抵抗（4.75 kΩ × 2、10 kΩ × 1、100 Ω × 3）、5050 SMD LED × 1
ユニバーサル基板、はんだ付け用工具

回路図・配線

提供されている回路図に従って配線してください。Arduino Mega の SPI ピン（CS=10）に MicroSD モジュールを接続し、DS18B20 はデジタルピン 3、DHT22 はピン 2、加速度センサーはアナログピン A0〜A2 に接続します。

サンプルコード（主要部分）

#include <DHT.h>
#include <SPI.h>
#include <SD.h>
#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>

#define DHTPIN 2
#define DHTTYPE DHT22
#define ONE_WIRE_BUS 3
#define CS_PIN 10

DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
DallasTemperature sensors(&oneWire);
File sdcard_file;

const int scale = 3; // ADXL335/337 用 ±3g
const bool micro_is_5V = true;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  sensors.begin();
  dht.begin();
  pinMode(CS_PIN, OUTPUT);

  if (!SD.begin(CS_PIN)) {
    Serial.println(F("SDカード初期化失敗"));
    return;
  }
  sdcard_file = SD.open("data.csv", FILE_WRITE);
  if (sdcard_file) {
    // CSV ヘッダー書き込み
    sdcard_file.println(F("DS18B20,DHT22_Temp,Hum,HeatIdx,RawX,RawY,RawZ,ScaledX,ScaledY,ScaledZ"));
  }
}

void loop() {
  delay(222);

  // 加速度読み取り・スケーリング
  int rawX = analogRead(A0);
  int rawY = analogRead(A1);
  int rawZ = analogRead(A2);
  float scaledX = mapf(rawX, 0, 675, -scale, scale);
  float scaledY = mapf(rawY, 0, 675, -scale, scale);
  float scaledZ = mapf(rawZ, 0, 675, -scale, scale);

  // 温度・湿度読み取り
  sensors.requestTemperatures();
  float extTemp = sensors.getTempCByIndex(0);
  float hum = dht.readHumidity();
  float temp = dht.readTemperature();
  if (isnan(hum) || isnan(temp)) return;
  float heatIdx = dht.computeHeatIndex(temp, hum, false);

  // SDカードへ記録
  if (sdcard_file) {
    sdcard_file.print(extTemp); sdcard_file.print(',');
    sdcard_file.print(temp); sdcard_file.print(',');
    sdcard_file.print(hum); sdcard_file.print(',');
    sdcard_file.print(heatIdx); sdcard_file.print(',');
    sdcard_file.print(rawX); sdcard_file.print(',');
    sdcard_file.print(rawY); sdcard_file.print(',');
    sdcard_file.print(rawZ); sdcard_file.print(',');
    sdcard_file.print(scaledX); sdcard_file.print(',');
    sdcard_file.print(scaledY); sdcard_file.print(',');
    sdcard_file.println(scaledZ);
    sdcard_file.flush();
  }
  delay(223);
}

float mapf(float x, float in_min, float in_max, float out_min, float out_max) {
  return (x - in_min) * (out_max - out_min) / (in_max - in_min) + out_min;
}

重要なポイント

MicroSD カードは必ず FAT16/32 でフォーマットし、16 GB 以下を使用
電源は低温（-40℃）対応のリチウム電池や大容量バッテリーを用意、発泡スチロール箱で断熱
ステータス表示用 LED を追加し、飛行前に動作確認を徹底
気圧計ベースの高度計は 30,000 ft 以上で動作しないことが多いため、高度取得には GPS 必須

パス 2：設計済み PCB「Eclipse PCB」の使用

追加で必要な部品

MPL3115A2 気圧・高度センサー（基板上に実装済み）
ステータス LED（青・赤・緑）用抵抗・配線
スライドスイッチ（ログ停止用）

PCB 注文手順

GitHub リポジトリ nmrocketryreviews/HADLdatalogger から Gerber ZIP をダウンロード
JLCPCB 等の基板製造サービスにアップロードし、以下設定で注文：
- 層数・寸法：デフォルト
- 厚さ 1.6 mm、銅厚 1 oz
- 表面処理：HASL（鉛フリーはんだの場合は鉛フリー HASL）
- フライングプローブ検査：有効
- 枚数：必要数（5 枚 $2 程度〜）
届いた基板に部品をはんだ付け（ヘッダーピンを側面に実装し、Arduino Mega に直挿し）
提供コード（GitHub 内 1.6.ino）を書き込み、動作確認

パス 2 版コードの主な違い

MPL3115A2 で気圧・高度・温度を取得（ただし 30,000 ft 以上では高度は参考値）
3色 LED で SD カード状態・エラーを視覚表示
スイッチ（ピン 23）でログ停止・データ保存

パス 3：自作 PCB 設計のガイドライン

搭載センサーの候補：温度（-50℃対応）、湿度、高度（GPS必須）、大気質、放射線、GPS
回収手段：SPOT GPS、APRS 無線（ハムライセンス必要）、携帯電話（非推奨）
重量制限：ペイロード総重量 4〜12 lb 以内（構成による）
電源・断熱：発泡スチロールケース、手袋用カイロ、ソーラーパネル等で内部を室温近くに保つ
設計ツール：KiCad、Eagle、Fusion 360 等でシールド型またはスタンドアロン基板を設計

飛行前の最終チェックリスト

レーダー反射板（コーナーキューブ等）をペイロードに装着
NOTAM（航空情報）を事前に申請・届出
全配線・はんだ付けの機械的強度確認（振動・衝撃対策）
バッテリー容量・低温特性の実地テスト
GPS/APRS/SPOT 等の追跡システムの動作確認