Cum să faci un Picoballoon: 16 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:44

Ce este un picoballoon și de ce aș vrea să-l construiesc ?! Te aud întrebând. Lasă-mă să explic. Probabil că știți cu toții ce este un HAB (High Altitude Balloon). Este o grămadă de chestii electronice ciudate conectate la un balon. Există atât de multe tutoriale despre HAB-uri aici, pe Instructables.

DAR, și acesta este un lucru foarte mare DAR ceea ce nu vă spun de cele mai multe ori în tutorial este costul gazului de umplere. Acum, puteți construi un tracker HAB decent sub 50 €, dar dacă cântărește 200g (ceea ce este o presupunere destul de optimistă cu bateriile, camerele etc.), heliul pentru a umple balonul vă poate costa 200 € sau mai mult, ceea ce este prea mult pentru mulți producători ca mine.

Deci, după cum puteți ghici, picobaloanele rezolvă această problemă doar prin faptul că nu sunt voluminoase și grele. Picoballoon este doar un cuvânt pentru un HAB ușor. Lumina, ce vreau sa spun prin lumina? În general, picobaloanele sunt mai ușoare decât 20g. Acum, imaginați-vă că un procesor, un transmițător, un PCB, GPS, antene, un panou solar și, de asemenea, o baterie cu o masă identică cu o ceașcă de cafea de unică folosință sau o lingură. Nu este doar o nebunie?

Un alt motiv (în afară de cost) pentru care ați dori să construiți acest lucru este gama și rezistența. HAB clasic poate zbura până la 4 ore și poate călători până la 200 km. Pe de altă parte, un Picoballoon poate zbura până la câteva luni și poate călători până la zeci de mii de kilometri. Un tip polonez și-a făcut picoballonul să zboare de mai multe ori pe glob. Acest lucru înseamnă, desigur, că nu vă veți mai vedea niciodată Picoballoon după lansare. De aceea, doriți să transmiteți toate datele necesare și, desigur, să mențineți costurile cât mai mici posibil.

Notă: Acest proiect este o colaborare cu MatejHantabal. Asigurați-vă că verificați și profilul său

AVERTISMENT: Acesta este un proiect avansat greu de făcut, dar și un proiect foarte distractiv. Totul, de la proiectarea PCB la SMD la lipire, va fi explicat aici. Acestea fiind spuse, să trecem la treabă

UPDATE: A trebuit să scoatem modulul GPS în ultimul moment din cauza consumului său mare de energie. Probabil că poate fi remediat, dar nu am avut timp pentru asta. Îl voi lăsa în instructabil, dar ai grijă că nu este testat. Puteți obține în continuare locația din metadatele TTN, deci nu ar trebui să vă faceți griji

Pasul 1: Principiul

Deci, atunci când construiți un astfel de dispozitiv, există multe variante și opțiuni, dar fiecare tracker are nevoie de un transmițător și o sursă de alimentare. Majoritatea trackerelor vor include probabil aceste componente:

- un panou solar

- o baterie (lipo sau supercondensator)

- un procesor / microcontroler

- un modul GPS

- un senzor (i) (temperatură, umiditate, presiune, UV, radiație solară …)

- un transmițător (433MHz, LoRa, WSPR, APRS, LoRaWAN, Iridium)

După cum puteți vedea, există mulți senzori și emițătoare pe care le puteți utiliza. Ce senzori folosiți depinde de dvs. Nu contează cu adevărat, dar cele mai frecvente sunt senzorii de temperatură și presiune. Alegerea unui transmițător este totuși mult mai dificilă. Fiecare tehnologie are unele argumente pro și contra. Nu o voi descompune aici, pentru că ar fi o discuție foarte lungă. Ceea ce este important este că am ales LoRaWAN și cred că este cel mai bun (pentru că încă nu am avut șansa să-i testez pe ceilalți). Știu că LoRaWAN are probabil cea mai bună acoperire. Ești binevenit să mă corectezi în comentarii.

Pasul 2: Piese necesare

Deci, veți avea nevoie de aceste lucruri pentru acest proiect:

Adafruit Feather 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (Nu am folosit asta la final)

Senzor de temperatură / umiditate / presiune BME280

2x Supercapacitor 4.7F 2.7V

Panou solar cu ieșire 5V

PCB-uri personalizate

Dacă lansați singur, aveți nevoie și de acest lucru:

Cel puțin 0,1 m3 de heliu (căutare: "rezervor de heliu pentru 15 baloane") cumpărat local

Balon cu folie autosigilantă de 36 Qualatex

Costul estimat al proiectului: 80 € (numai trackerul) / 100 € (inclusiv balon și heliu)

Pasul 3: Instrumente recomandate

Aceste instrumente ar putea fi utile:

decapant de sârmă

ciocan de lipit

Fier de lipit SMD

cleşte

șurubelnițe

pistol de lipit

multimetru

microscop

pistol cu aer cald

De asemenea, veți avea nevoie de pastă de lipit.

Pasul 4: Adafruit Feather 32U4

Ne-a fost greu să selectăm microcontrolerul potrivit pentru balon. Puma Adafruit s-a dovedit cea mai bună pentru slujbă. Se potrivește tuturor criteriilor cerute:

1) Are toți pinii necesari: SDA / SCL, RX / TX, digital, analog

2) Are emițător RFM95 LoRa.

3) Este ușor. Are o masă de doar 5,5 g.

4) Are un consum foarte redus de energie în timp ce este în modul de repaus (doar 30uA).

Din această cauză, credem că Adafruit Feather este cel mai bun microcontroler pentru slujbă.

Pasul 5: Proiectare și fabricație PCB

Îmi pare rău pentru ceea ce am să-ți spun. Va trebui să realizăm un PCB personalizat. Va fi greu și frustrant, dar este necesar, așa că să începem. De asemenea, pentru a înțelege corect textul următor, ar trebui să citiți această minunată clasă de design PCB de către Instructables.

Deci, la început va trebui să faceți o schemă. Am realizat atât schema, cât și placa în software-ul de proiectare EAGLE PCB de la Autodesk. Este gratuit, deci descarcă-l!

A fost prima dată când am proiectat un PCB și vă pot spune că este vorba despre obținerea interfeței Eagle. Mi-am proiectat prima placă în 6 ore, dar a doua placă mi-a luat mai puțin de o oră. Iată rezultatul. O schemă destul de drăguță și o placă aș spune.

Când aveți fișierul de bord gata, trebuie să creați fișierele gerber și să le trimiteți producătorului. Mi-am comandat panourile de la jlcpcb.com, dar puteți alege orice alt producător care vă place. Am stabilit grosimea PCB-ului la 0,8 mm în loc de 1,6 mm standard, deoarece placa trebuie să fie ușoară. Puteți vedea setările mele pentru JLC PCB în captura de ecran.

Dacă nu doriți să descărcați Eagle, puteți descărca „Ferdinand 1.0.zip” și încărcați-l pe JLC PCB.

Când comandați PCB-urile, stați confortabil pe scaun și așteptați două săptămâni să sosească. Atunci putem continua.

Notă: Puteți observa că schema este puțin diferită de placa reală. Asta pentru că am observat că IC-ul BME280 gol este prea greu de lipit, așa că am schimbat schema pentru o rupere

Pasul 6: lipire SMD

Un alt anunț trist: lipirea SMD nu este ușoară. Acum, într-adevăr, este foarte greu. Domnul să fie cu tine. Dar acest tutorial ar trebui să vă ajute. Puteți lipi fie folosind un fier de lipit și un fitil de lipit, fie o pastă de lipit și un pistol cu aer cald. Niciuna dintre aceste metode nu a fost suficient de convenabilă pentru mine. Dar ar trebui să o faceți într-o oră.

Așezați componentele fie în conformitate cu serigrafia de pe PCB, fie în conformitate cu schema.

Pasul 7: lipire

După terminarea lipirii SMD, restul lucrării de lipire este practic o bucată de tort. Aproape. Probabil că ați mai lipit înainte și sper că veți dori să lipiți din nou. Trebuie doar să lipiți Adafruit Feather, antenele, panoul solar și supercondensatoarele. Aș spune destul de simplu.

Așezați componentele fie în conformitate cu serigrafia de pe PCB, fie în conformitate cu schema.

Pasul 8: Tracker complet

Așa ar trebui să arate trackerul complet. Ciudat. Grozav. Interesant. Acestea sunt cuvintele care îmi vin imediat în minte. Acum trebuie doar să blocați codul și să testați dacă funcționează.

Pasul 9: Configurare TTN

The Network este o rețea globală LoRaWAN, centrată pe oraș. Cu mai mult de 6887 de gateway-uri (receptoare) în funcțiune, este cea mai mare rețea globală IoT din lume. Folosește protocolul de comunicație LoRa (Long Range), care este în general la frecvențele 868 (Europa, Rusia) sau la 915 MHz (SUA, India). Este cel mai utilizat de dispozitivele IoT care trimit mesaje scurte în orașe. Puteți trimite doar până la 51 de octeți, dar puteți obține cu ușurință o autonomie de la 2 km la 15 km. Acest lucru este ideal pentru senzori simpli sau alte dispozitive IoT. Și, cel mai bine, este gratuit.

Acum, 2-15 cu siguranță nu este suficient, dar dacă ajungeți pe un teren mai înalt, ar trebui să aveți o conexiune mai bună. Și balonul nostru va fi foarte înalt. La 10 km deasupra nivelului mării, ar trebui să obținem o conexiune de la 100 km. Un prieten a lansat un HAB cu LoRa la 31 km în aer și a primit un ping la 450 km distanță. Deci, este destul de rezonabil.

Configurarea TTN ar trebui să fie ușoară. Trebuie doar să creați un cont cu e-mailul dvs. și apoi trebuie să înregistrați dispozitivul. La început, trebuie să creați o aplicație. O aplicație este întreaga pagină de pornire a proiectului. De aici puteți modifica codul decodorului, puteți vizualiza datele primite și puteți adăuga / elimina dispozitive. Alegeți doar un nume și sunteți gata de plecare. După ce ați terminat, va trebui să înregistrați un dispozitiv în aplicație. Trebuie să introduceți adresa MAC a Adafruit Feather (cu Feather în ambalaj). Apoi, ar trebui să setați metoda de activare la ABP și ar trebui să dezactivați verificările contorului de cadre. Dispozitivul dvs. ar trebui să fie acum înregistrat în aplicație. Copiați adresa dispozitivului, cheia de sesiune de rețea și cheia de sesiune a aplicației. Veți avea nevoie de ele în pasul următor.

Pentru o explicație mai sănătoasă, vizitați acest tutorial.

Pasul 10: Codificare

Adafruit Feather 32U4 are un procesor AVm ATmega32U4. Asta înseamnă că nu are un cip separat pentru comunicații USB (ca Arduino UNO), cipul este inclus în procesor. Asta înseamnă că încărcarea pe Adafruit Feather poate fi un pic mai dificilă în comparație cu o placă tipică Arduino, dar funcționează cu Arduino IDE, deci dacă urmați acest tutorial ar trebui să fie bine.

După ce ați configurat Arduino IDE și ați încărcat cu succes schița „clipire”, puteți trece la codul real. Descărcați „LoRa_Test.ino”. Modificați adresa dispozitivului, cheia de sesiune de rețea și cheia de sesiune a aplicației în consecință. Încărcați schița. Du-te afara. Îndreptați antena către centrul orașului sau în direcția celui mai apropiat gateway. Acum ar trebui să vedeți datele care apar pe consola TTN. Dacă nu, comentează mai jos. Nu vreau să pun tot ce s-ar fi putut întâmpla aici, nu știu dacă serverul Instructables ar putea gestiona o astfel de cantitate de text.

Trecând peste. Dacă schița anterioară funcționează, puteți descărca „Ferdinand_1.0.ino” și puteți schimba lucrurile pe care trebuia să le schimbați în schița anterioară. Acum testează-l din nou.

Dacă primiți niște date HEX aleatorii pe consola TTN, nu vă faceți griji, ar trebui să facă asta. Toate valorile sunt codificate în HEX. Veți avea nevoie de un cod de decodor diferit. Descărcați „decoder.txt”. Copiați conținutul. Acum mergeți la consola TTN. Accesați aplicația / formatele de încărcare utilă / decodor. Acum eliminați codul original al decodorului și lipiți-l în al dvs. Acum ar trebui să vedeți toate lecturile acolo.

Pasul 11: Testarea

Acum aceasta ar trebui să fie cea mai lungă parte a proiectului. Testarea. Testarea în toate tipurile de condiții. La căldură extremă, stres și cu o lumină puternică (sau în afara soarelui) pentru a imita condițiile de acolo. Acest lucru ar trebui să dureze cel puțin o săptămână, astfel încât să nu existe surprize în ceea ce privește comportamentul trackerului. Dar aceasta este o lume ideală și nu am avut acel moment, deoarece tracker-ul a fost construit pentru o competiție. Am făcut câteva modificări de ultim moment (literalmente ca 40 de minute înainte de lansare), așa că nu am știut la ce să ne așteptăm. Nu este bine. Dar știi, am câștigat încă competiția.

Probabil va trebui să faceți această parte afară, deoarece soarele nu strălucește în interior și pentru că LoRa nu va avea cea mai bună recepție în biroul dvs.

Pasul 12: Câteva formule Funky

Picobaloanele sunt foarte sensibile. Nu le poți umple doar cu heliu și le poți lansa. Chiar nu le place asta. Lasă-mă să explic. Dacă forța flotantă este prea mică balonul nu se va ridica (evident). DAR, și aceasta este captura, dacă forța flotantă este prea mare, balonul va zbura prea sus, forțele de pe balon vor fi prea mari și va apărea și va cădea pe pământ. Acesta este principalul motiv pentru care doriți cu adevărat să faceți aceste calcule.

Dacă cunoașteți puțin fizica, nu ar trebui să aveți probleme în înțelegerea formulelor de mai sus. Există câteva variabile pe care trebuie să le introduceți în formulă. Aceasta include: constanta gazului de umplere, temperatura termodinamica, presiunea, masa sondei si masa balonului. Dacă urmați acest tutorial și utilizați același balon (microfoil Qualatex 36 ) și același gaz de umplere (heliu), singurul lucru care va diferi de fapt este masa sondei.

Aceste formule ar trebui să vă ofere apoi: volumul de heliu necesar pentru a umple balonul, viteza cu care se ridică balonul, altitudinea la care zboară balonul și, de asemenea, greutatea de ridicare liberă. Toate acestea sunt valori foarte utile. Viteza de creștere este importantă, astfel încât balonul nu lovește obstacolele, deoarece este prea lent și este foarte frumos să știi cât de mare va zbura balonul. Dar cel mai important dintre ele este probabil ascensorul liber. Ridicarea gratuită este necesară atunci când veți umple balonul la pasul 14.

Mulțumim lui TomasTT7 pentru ajutor cu formulele. Consultați blogul său aici.

Pasul 13: Riscuri

Deci, trackerul dvs. funcționează. Bucata aia la care ai lucrat timp de două luni funcționează de fapt! Felicitări.

Așadar, să analizăm ce riscuri poate întâlni copilul dvs. sondat în aer:

1) Nu va fi suficientă lumină solară care să lovească panoul solar. Supercondensatoarele se vor scurge. Sonda nu va mai funcționa.

2) Sonda va ieși din raza de acțiune și nu vor fi primite date.

3) Rafale puternice de vânt vor distruge sonda.

4) Sonda va trece printr-o furtună în timpul ascensiunii și ploaia va scurtcircuita circuitul.

5) Se va forma o acoperire cu gheață pe panoul solar. Supercondensatoarele se vor scurge. Sonda nu va mai funcționa.

6) O parte a sondei se va rupe la solicitări mecanice.

7) O parte a sondei se va sparge în condiții extreme de căldură și presiune.

8) O încărcare electrostatică se va forma între balon și aer formând o scânteie, care va deteriora sonda.

9) Sonda va fi lovită de fulgere.

10) Sonda va fi lovită de un avion.

11) Sonda va fi lovită de o pasăre.

12) Extratereștrii îți vor deturna sondajul. Se poate întâmpla mai ales dacă balonul va fi deasupra zonei 51.

Pasul 14: Lansați

Deci asta este. Este ziua D și vei lansa iubitul tău picoballoon. Este întotdeauna bine să cunoașteți terenul și toate obstacolele posibile. De asemenea, trebuie să monitorizați în mod constant vremea (în principal viteza și direcția vântului). În acest fel, minimizați șansele ca echipamentul dvs. în valoare de 100 € și 2 luni din timpul dvs. să vă lovească într-un copac sau într-un perete. Ar fi trist.

Introduceți o țeavă în balon. Legați balonul de ceva greu cu nailon. Puneți chestia grea pe o cântare. Resetați scala. Asigurați celălalt capăt al conductei pe rezervorul de heliu. Începeți să deschideți încet supapa. Acum ar trebui să vedeți numere negative pe scară. Acum este momentul să utilizați valoarea de ridicare liberă calculată la pasul 12. Opriți supapa când numărul negativ atinge masa balonului + ridicare liberă. În cazul meu au fost 15g + 2.4g, așa că am oprit supapa exact la -17.4g pe scară. Scoateți conducta. Balonul se autosigilează, ar trebui să se etanșeze automat. Desfaceți obiectul greu și înlocuiți-l cu sonda. Acum sunteți gata de lansare.

Doar vizionați videoclipul pentru toate detaliile.

Pasul 15: Primirea datelor

Ohh, îmi amintesc sentimentul pe care l-am avut după lansare. Stresul, frustrarea, o mulțime de hormoni. Va funcționa? Munca noastră va fi lipsită de valoare? Am cheltuit atât de mulți bani pe ceva care nu funcționează? Acestea sunt genul de întrebări pe care ni le puneam după lansare.

Din fericire, sonda a răspuns la aproximativ 20 de minute după lansare. Și apoi am primit un pachet la fiecare 10 minute. Am pierdut contactul cu sonda la 17:51:09 GMT. Ar fi putut fi mai bine, dar este totuși bine.

Pasul 16: Planuri suplimentare

Acesta a fost unul dintre cele mai dificile proiecte noastre actualizate. Nu totul a fost perfect, dar este OK, este întotdeauna așa. Încă a avut un mare succes. Trackerul a funcționat impecabil. Ar fi putut face asta mult mai mult, dar asta nu contează. Și am ajuns pe locul doi în competiția Picoballoon. Acum ați putea spune că a fi al doilea într-un concurs cu 17 persoane nu este un succes atât de mare, dar rețineți că acesta este un concurs pentru inginerie / construcții pentru adulți. Avem 14 ani. Cei cu care concuram erau adulți cu inginerie și, eventual, chiar și din domeniul aerospațial și cu mult mai multă experiență. Deci, da, în general, aș spune că a fost un mare succes. Am obținut 200 €, ceea ce a fost aproximativ dublu din cheltuielile noastre.

Cu siguranță voi construi o versiune 2.0. Va fi mult mai bun, cu componente mai mici (procesor barebone, RFM95) și va fi mai fiabil, așa că rămâneți la curent cu următorul instructabil.

Scopul nostru principal acum este să câștigăm concursul Epilog X. Colegi producători, dacă v-a plăcut acest lucru instructiv, vă rugăm să luați în considerare votul pentru acesta. Ne-ar ajuta cu adevărat. Mulțumesc mult!

Locul doi în concursul Epilog X