Kako narediti Picoballoon: 16 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:05

Kaj je pikobalon in zakaj bi ga želel zgraditi ?! Slišim, da sprašujete. Naj razložim. Verjetno vsi veste, kaj je HAB (High Altitude Balloon). To je kup čudnih elektronskih stvari, povezanih z balonom. Tukaj na Instructables je ogromno vaj o HAB -jih.

Toda to je zelo veliko, vendar vam v vadnici največkrat ne povedo stroškov polnjenja plina. Zdaj lahko zgradite spodoben sledilnik HAB pod 50 €, če pa tehta 200 g (kar je precej optimistično ugibanje z baterijami, kamerami itd.), Vas lahko helij za polnjenje balona stane 200 € ali več, kar je preveč za mnoge ustvarjalce, kot sem jaz.

Torej, kot lahko uganite, pikobaloni rešujejo to težavo tako, da niso zajetni in težki. Picoballoon je samo beseda za lahek HAB. Svetloba, kaj mislim s svetlobo? Na splošno so pikobaloni lažji od 20 g. Zdaj pa si predstavljajte, da je procesor, oddajnik, tiskana vezja, GPS, antene, sončna celica in tudi baterija z maso enako kot skodelica za kavo za enkratno uporabo ali žlica. Ali ni to samo noro?

Drug razlog (razen stroškov), zakaj bi to želeli zgraditi, je njegov doseg in vzdržljivost. Classic HAB lahko leti do 4 ure in potuje do 200 km. Picoballoon pa lahko leti do nekaj mesecev in potuje do deset tisoč kilometrov. En Poljak je s pikobalonom večkrat letel po svetu. To seveda pomeni tudi, da svojega Picoballoona po zagonu ne boste nikoli več videli. Zato želite posredovati vse potrebne podatke in seveda ohraniti čim nižje stroške.

Opomba: Ta projekt je sodelovanje z MatejHantabalom. Preverite tudi njegov profil

OPOZORILO: To je težko izvedljiv napreden nivo, a tudi zelo zabaven projekt. Tu bo razloženo vse od zasnove tiskanih vezij do SMD do spajkanja. Se pravi, pojdimo na delo

UPDATE: Moment GPS smo morali odstraniti v zadnjem trenutku zaradi velike porabe energije. Verjetno se da popraviti, a za to nismo imeli časa. Pustil bom v navodilih, vendar pazite, da ni preverjen. Še vedno lahko dobite lokacijo iz metapodatkov TTN, zato naj vas to ne skrbi

1. korak: Načelo

Torej, pri izdelavi takšne naprave obstaja veliko različic in izbire, vendar vsak sledilnik potrebuje oddajnik in napajalnik. Večina sledilcev bo verjetno vsebovala te komponente:

- sončna celica

- baterija (lipo ali superkondenzator)

- procesor/mikrokrmilnik

- modul GPS

- senzor/i (temperatura, vlaga, tlak, UV, sončno sevanje …)

- oddajnik (433MHz, LoRa, WSPR, APRS, LoRaWAN, Iridium)

Kot lahko vidite, lahko uporabite veliko senzorjev in oddajnikov. Katere senzorje boste uporabili, je odvisno od vas. V resnici ni pomembno, najpogostejši pa so senzorji temperature in tlaka. Izbira oddajnika pa je veliko težja. Vsaka tehnologija ima svoje prednosti in slabosti. Tukaj ne bom razčlenil, ker bi bila to zelo dolga razprava. Pomembno je, da sem izbral LoRaWAN in mislim, da je najboljši (ker drugih še nisem imel priložnosti preizkusiti). Vem, da ima LoRaWAN verjetno najboljšo pokritost. V komentarjih me lahko popravite.

Korak: Potrebni deli

Torej, za ta projekt boste potrebovali te stvari:

Adafrutovo pero 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (tega na koncu nismo uporabili)

BME280 senzor temperature/vlažnosti/tlaka

2x superkondenzator 4.7F 2.7V

Sončna plošča z izhodom 5V

PCB po meri

Če zaženete sami, potrebujete tudi to:

Najmanj 0,1m3 helija (iskanje: "posoda za helij za 15 balonov"), kupljeno lokalno

Qualatex 36 samolepilni balon iz folije

Predvideni stroški projekta: 80 € (samo sledilnik) / 100 € (vključno z balonom in helijem)

3. korak: Priporočena orodja

Ta orodja bi vam lahko prišla prav:

odstranjevalec žice

spajkalnik

Spajkalnik SMD

klešče

izvijači

pištolo za lepilo

multimeter

mikroskop

pištola za vroč zrak

Potrebovali boste tudi spajkalno pasto.

4. korak: Adafruit Feather 32U4

Težko smo izbrali pravi mikrokrmilnik za balon. Adafruit Feather se je za to delo najbolje izkazal. Ustreza vsem zahtevanim kriterijem:

1) Ima vse potrebne zatiče: SDA/SCL, RX/TX, digitalni, analogni

2) Ima oddajnik LoRa RFM95.

3) Je lahka. Njegova teža je le 5,5 g.

4) V načinu mirovanja ima zelo nizko porabo energije (le 30uA).

Zaradi tega menimo, da je Adafruit Feather najboljši mikrokrmilnik za to delo.

5. korak: Oblikovanje in izdelava PCB

Resnično mi je žal za to, kar vam bom povedal. Morali bomo narediti tiskano vezje po meri. To bo težko in frustrirajuće, vendar je potrebno, zato začnimo. Če želite pravilno razumeti naslednje besedilo, preberite ta odličen razred oblikovanja tiskanih vezij podjetja Instructables.

Torej, najprej morate narediti shemo. Tako shemo kot ploščo sem izdelal v programski opremi EAGLE PCB za oblikovanje podjetja Autodesk. Je brezplačen, zato ga prenesite!

Prvič sem oblikoval tiskano vezje in povem vam, da gre le za to, da se povežete z vmesnikom Eagle. Prvo desko sem oblikoval v 6 urah, druga plošča pa mi je vzela manj kot eno uro. Tukaj je rezultat. Zelo lepa shema in plošča bi rekel.

Ko imate datoteko plošče pripravljeno, morate ustvariti datoteke gerber in jih poslati proizvajalcu. Plošče sem naročil na jlcpcb.com, lahko pa izberete katerega koli drugega proizvajalca, ki vam je všeč. Debelino tiskanega vezja sem nastavil na 0,8 mm namesto standardnih 1,6 mm, ker mora biti plošča lahka. Na posnetku zaslona si lahko ogledate moje nastavitve za JLC PCB.

Če ne želite prenesti Eagle, lahko preprosto prenesete "Ferdinand 1.0.zip" in ga naložite na JLC PCB.

Ko naročite PCB -je, se udobno namestite na stol in počakajte dva tedna, da prispejo. Potem lahko nadaljujemo.

Opomba: Opazite lahko, da se shema nekoliko razlikuje od dejanske plošče. To je zato, ker sem opazil, da je golo BME280 IC pretežko spajkati, zato sem shemo za prelom spremenil

Korak 6: SMD spajkanje

Še ena žalostna objava: spajkanje SMD ni enostavno. Zdaj je res hudo. Naj bo gospodar z vami. Toda ta vadnica bi morala pomagati. Spajkate lahko z uporabo spajkalnika in spajkalnega stenja ali spajkalne paste in pištole za vroč zrak. Nobena od teh metod zame ni bila dovolj primerna. Toda to morate storiti v eni uri.

Komponente postavite bodisi glede na sitotisk na tiskanem vezju bodisi v skladu s shemo.

7. korak: Spajkanje

Po končanem spajkanju SMD je preostanek spajkanja v bistvu kos pogače. Skoraj. Verjetno ste že spajkali in upam, da boste želeli spajkati še enkrat. Le spajkati morate Adafruit Feather, antene, sončno ploščo in superkondenzatorje. Rekel bi precej preprosto.

Komponente postavite bodisi glede na sitotisk na tiskano vezje bodisi v skladu s shemo.

8. korak: Dokončajte sledilnik

Tako bi moral izgledati celoten sledilnik. Čudno. Lepo. Zanimivo. To so besede, ki mi takoj pridejo na misel. Zdaj morate samo utripati kodo in preizkusiti, ali deluje.

9. korak: Nastavitev TTN

The Things Network je globalno omrežje LoRaWAN, osredotočeno na mesto. Z največ 6887 prehodi (sprejemniki), ki delujejo, je to največje globalno omrežje IoT na svetu. Uporablja komunikacijski protokol LoRa (Long Range), ki je običajno na frekvencah 868 (Evropa, Rusija) ali na 915 MHz (ZDA, Indija). Najpogosteje ga uporabljajo naprave IoT, ki pošiljajo kratka sporočila v mestih. Pošljete lahko le do 51 bajtov, lahko pa zlahka dosežete domet od 2 do 15 km. To je idealno za preproste senzorje ali druge naprave IoT. In kar je najboljše, je brezplačno.

Sedaj 2-15 zagotovo ni dovolj, če pa pridete na višje tle, bi morali imeti boljšo povezavo. In naš balon bo zelo visok. Na 10 km nadmorske višine bi morali dobiti povezavo s 100 km. Prijatelj je sprožil HAB z LoRa 31 km v zraku in dobil je ping 450 km stran. Torej, to je precej razumno.

Nastavitev TTN bi morala biti enostavna. Z e -pošto morate samo ustvariti račun, nato pa morate registrirati napravo. Najprej morate ustvariti aplikacijo. Aplikacija je celotna domača stran projekta. Od tu lahko spremenite kodo dekoderja, si ogledate dohodne podatke in dodate/odstranite naprave. Samo izberite ime in pripravljeni ste. Ko to storite, boste morali v aplikaciji registrirati napravo. Vnesti morate naslov MAC Adafruit Feather (s peresom v embalaži). Nato nastavite način aktiviranja na ABP in onemogočite preverjanje števca okvirjev. Vaša naprava bi morala biti zdaj registrirana v aplikaciji. Kopirajte naslov naprave, omrežni ključ seje in ključ seje aplikacije. Potrebovali jih boste v naslednjem koraku.

Za bolj zdravo razlago obiščite to vadnico.

10. korak: Kodiranje

Adafruit Feather 32U4 ima procesor ATmega32U4 AVR. To pomeni, da nima posebnega čipa za komunikacijo USB (kot Arduino UNO), čip je vključen v procesor. To pomeni, da je lahko nalaganje na Adafruit Feather nekoliko težje v primerjavi s tipično ploščo Arduino, vendar deluje z Arduino IDE, tako da če sledite tej vadnici, bi moralo biti v redu.

Ko nastavite Arduino IDE in uspešno naložite "utripajočo" skico, se lahko premaknete na dejansko kodo. Prenesite "LoRa_Test.ino". Ustrezno spremenite naslov naprave, ključ seje omrežja in ključ seje aplikacije. Naložite skico. Pojdi ven. Usmerite anteno v središče mesta ali v smeri najbližjega prehoda. Zdaj bi morali videti, da se na konzoli TTN pojavljajo podatki. Če ne, komentirajte spodaj. Ne želim tukaj postaviti vsega, kar bi se lahko zgodilo, ne vem, ali bi strežnik Instructables zmogel takšno količino besedila.

Iti naprej. Če prejšnja skica deluje, lahko prenesete "Ferdinand_1.0.ino" in spremenite stvari, ki bi jih morali spremeniti v prejšnji skici. Zdaj pa še enkrat preizkusite.

Če na konzoli TTN dobivate naključne podatke HEX, ne skrbite, to naj bi bilo tako. Vse vrednosti so kodirane v HEX. Potrebovali boste drugo kodo dekoderja. Prenesite datoteko "decoder.txt". Kopirajte njeno vsebino. Zdaj pojdite na konzolo TTN. Pojdite na svojo aplikacijo/oblike nosilnosti/dekoder. Zdaj odstranite izvirno kodo dekoderja in jo prilepite v svojo. Zdaj bi morali videti vse odčitke tam.

11. korak: Testiranje

Zdaj bi to moral biti najdaljši del projekta. Testiranje. Testiranje v vseh pogojih. V ekstremni vročini, stresu in z močno svetlobo (ali zunaj na soncu) posnemajte razmere tam zgoraj. To bi moralo trajati vsaj teden dni, da ne bo presenečenj glede vedenja sledilca. Ampak to je idealen svet in tega časa nismo imeli, ker je sledilnik narejen za tekmovanje. Naredili smo nekaj sprememb v zadnjem trenutku (dobesedno 40 minut pred izstrelitvijo), zato nismo vedeli, kaj lahko pričakujemo. To ni dobro. A veste, na tekmovanju smo še vedno zmagali.

Ta del boste verjetno morali opraviti zunaj, ker notri ne sije sonce in ker LoRa ne bo imela najboljšega sprejema v vaši pisarni.

12. korak: Nekaj smešnih formul

Pikobaloni so zelo občutljivi. Ne morete jih samo napolniti s helijem in jih sprožiti. To jim res ni všeč. Naj razložim. Če je vzgonska sila prenizka, se balon ne bo dvignil (očitno). Ampak, in to je ulov, če je vzgonska sila previsoka, bo balon preletel, sile na balonu bodo prevelike in bo skočil in padel na tla. To je glavni razlog, zakaj resnično želite narediti te izračune.

Če fiziko malo poznate, ne bi smelo biti težav pri razumevanju zgornjih formul. V formulo morate vnesti nekaj spremenljivk. To vključuje: konstanto polnilnega plina, termodinamično temperaturo, tlak, maso sonde in maso balona. Če sledite tej vadnici in uporabljate isti balon (Qualatex microfoil 36 ) in isti polnilni plin (helij), se bo edina stvar, ki se bo dejansko razlikovala, masa sonde.

Te formule bi vam morale dati: količino helija, ki je potrebna za polnjenje balona, hitrost, s katero se balon dvigne, nadmorsko višino, na kateri balon leti, in tudi težo prostega dviga. Vse to so zelo uporabne vrednote. Rastoča hitrost je pomembna, da balon ne zadene ovir, ker je prepočasen in res je lepo vedeti, kako visoko bo balon poletel. Najpomembnejši med njimi pa je verjetno brezplačen dvigalo. Brezplačno dvigalo je potrebno, ko boste v 14. koraku napolnili balon.

Hvala TomasTT7 za pomoč pri formulah. Oglejte si njegov blog tukaj.

13. korak: Tveganja

Torej, vaš sledilnik deluje. Sranje, na katerem ste delali dva meseca, dejansko deluje! Čestitam.

Pa poglejmo, s kakšnimi tveganji lahko vaš otrok v sondi naleti v zraku:

1) Na sončno ploščo ne bo prišlo dovolj sončne svetlobe. Superkondenzatorji se bodo izpraznili. Sonda bo prenehala delovati.

2) Sonda bo izven dosega in podatki ne bodo prejeti.

3) Močni sunki vetra bodo uničili sondo.

4) Sonda bo med vzponom prešla skozi nevihto in dež bo povzročil kratek stik.

5) Na sončni plošči bo nastala ledena obloga. Superkondenzatorji se bodo izpraznili. Sonda bo prenehala delovati.

6) Del sonde se zlomi pod mehanskimi obremenitvami.

7) Del sonde se v ekstremnih pogojih vročine in tlaka zlomi.

8) Med balonom in zrakom nastane elektrostatični naboj, ki tvori iskro, ki poškoduje sondo.

9) Sondo bo udarila strela.

10) Letalo bo zadelo sondo.

11) Sondo bo zadela ptica.

12) Tujci bodo ugrabili vašo sondo. To se lahko zgodi zlasti, če bo balon nad območjem 51.

14. korak: Zagon

Torej, to je to. Dan D je in začeli boste svojega ljubljenega pikobalona. Vedno je dobro poznati teren in vse možne ovire. Prav tako morate stalno spremljati vreme (predvsem hitrost in smer vetra). Tako zmanjšate možnosti, da vaša oprema v vrednosti 100 € in 2 meseca vašega časa zadenete v drevo ali v steno. To bi bilo žalostno.

V balon vstavite cev. Balon privežite na nekaj težkega z najlonom. Težko postavimo na tehtnico. Ponastavite lestvico. Drugi konec cevi pritrdite na posodo s helijem. Začnite počasi odpirati ventil. Na lestvici bi morali videti negativna števila. Zdaj je čas, da uporabite vrednost prostega dviga, ki ste jo izračunali v 12. koraku. Ko negativno število doseže maso balona + prosto dvigalo, zaprite ventil. V mojem primeru je bilo 15 g + 2,4 g, zato sem ventil zaprl pri natančno -17,4 g na tehtnici. Odstranite cev. Balon se samotesni, samodejno bi se moral zapečatiti. Odvežite težek predmet in ga zamenjajte s sondo. Zdaj ste pripravljeni na zagon.

Za vse podrobnosti si oglejte video.

Korak 15: Prejemanje podatkov

Oh, spomnim se občutka, ki smo ga imeli po lansiranju. Stres, frustracije, veliko hormonov. Bo delovalo? Bo naše delo ničvredno? Ali smo porabili toliko denarja za nekaj, kar ne deluje? To so vprašanja, ki smo si jih zastavili po predstavitvi.

Na srečo se je sonda odzvala približno 20 minut po izstrelitvi. In potem smo vsakih 10 minut prejemali paket. Stik s sondo smo izgubili ob 17:51:09 GMT. Lahko bi bilo bolje, vendar je še vedno v redu.

Korak 16: Nadaljnji načrti

To je bil eden naših najtežjih dosedanjih projektov. Ni bilo vse popolno, ampak to je v redu, vedno je tako. Še vedno je bilo zelo uspešno. Sledilnik je deloval brezhibno. To bi lahko trajalo veliko dlje, vendar to ni pomembno. Na tekmovanju Picoballoon smo bili drugi. Zdaj bi lahko rekli, da drugo mesto na tekmovanju s 17 ljudmi ni tako uspešen, vendar ne pozabite, da je to tekmovanje za inženiring/gradnjo odraslih. Stara sva 14 let. S katerimi smo tekmovali so bili odrasli z inženirskim in morda celo vesoljskim ozadjem ter z veliko več izkušnjami. Tako da, na splošno bi rekel, da je bil to velik uspeh. Dobili smo 200 €, kar je bilo približno dvakrat več od naših stroškov.

Vsekakor bom izdelal različico 2.0. To bo veliko bolje, z manjšimi komponentami (barebone procesor, RFM95) in bo bolj zanesljivo, zato spremljajte naslednja navodila.

Naš glavni cilj je zdaj zmagati na natečaju Epilog X. Kolegi ustvarjalci, če vam je bil ta pouk všeč, razmislite o glasovanju zanj. Res bi nam pomagalo. Najlepša hvala!

Drugo mesto na tekmovanju Epilog X