Kako napraviti pikobalon: 16 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:35

Što je pikobalon i zašto bih ga htio izgraditi ?! Čujem da pitaš. Dopustite mi da objasnim. Svi vjerojatno znate što je HAB (High Altitude Balloon). To je hrpa čudnih elektroničkih stvari povezanih s balonom. Ovdje na Instructables postoji jako puno tutoriala u vezi s HAB -ovima.

ALI, i to je jako veliko, ali ono što vam najčešće ne govore u vodiču su troškovi punjenja plina. Sada možete izgraditi pristojan HAB tracker ispod 50 €, ali ako je težak 200 g (što je prilično optimistično nagađanje s baterijama, kamerama itd.), Helij za punjenje balona može vas koštati 200 € ili više, što je jednostavno previše za mnoge tvorce poput mene.

Dakle, kao što možete pretpostaviti, pikobaloni rješavaju ovaj problem tako što jednostavno nisu glomazni i teški. Picoballoon je samo riječ za lagani HAB. Svjetlo, što mislim pod svjetlom? Općenito, pikobaloni su lakši od 20 g. Zamislite sada procesor, odašiljač, PCB, GPS, antene, solarnu ploču, a također i bateriju čija je masa jednaka šalici za kavu za jednokratnu upotrebu ili žlici. Nije li to samo suludo?

Drugi razlog (osim cijene) zašto biste to htjeli izgraditi je njegov raspon i izdržljivost. Classic HAB može letjeti do 4 sata i putovati do 200 km. S druge strane, Picoballoon može letjeti do nekoliko mjeseci i putovati do nekoliko desetaka tisuća kilometara. Jedan Poljak je dobio svoj picoballoon da leti oko svijeta više puta. To naravno znači i da više nećete vidjeti svoj Picoballoon nakon pokretanja. Zato želite prenijeti sve potrebne podatke i naravno zadržati troškove što je moguće nižim.

Napomena: Ovaj projekt je suradnja s MatejHantabalom. Obavezno pogledajte i njegov profil

UPOZORENJE: Ovo je teško izvediva napredna razina, ali i vrlo zabavan projekt. Ovdje će biti objašnjeno sve, od dizajna PCB -a do SMD -a do lemljenja. Rečeno je, idemo na posao

AŽURIRANJE: Morali smo u zadnji čas ukloniti GPS modul zbog velike potrošnje energije. Vjerojatno se to može popraviti, ali nismo imali vremena za to. Ostavit ću to u uputama, ali pazite da nije provjereno. Još uvijek možete dobiti lokaciju iz TTN metapodataka pa se ne biste trebali brinuti zbog toga

Korak 1: Princip

Dakle, pri izgradnji ovakvog uređaja postoji mnogo varijacija i izbora, ali svakom tragaču su potrebni odašiljač i napajanje. Većina tragača vjerojatno će uključivati ove komponente:

- solarni panel

- baterija (lipo ili superkondenzator)

- procesor/mikrokontroler

- GPS modul

- senzor/i (temperatura, vlaga, tlak, UV, sunčevo zračenje …)

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

Kao što vidite, postoji mnogo senzora i odašiljača koje možete koristiti. Na vama je da odlučite koje ćete senzore koristiti. Nije važno, ali najčešće su senzori temperature i tlaka. Odabir odašiljača ipak je mnogo teži. Svaka tehnologija ima neke prednosti i nedostatke. Ovdje neću govoriti o tome jer bi to bila jako duga rasprava. Ono što je važno je da sam odabrao LoRaWAN i mislim da je najbolji (jer ostale još nisam imao prilike testirati). Znam da LoRaWAN ima vjerojatno najbolju pokrivenost. Ispravite me u komentarima.

Korak 2: Potrebni dijelovi

Dakle, za ovaj projekt trebat će vam sljedeće:

Adafrutovo pero 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (ovo nismo koristili na kraju)

BME280 osjetnik temperature/vlažnosti/tlaka

2xSuperkondenzator 4.7F 2.7V

Solarni panel s izlazom 5V

Prilagođene PCB -ove

Ako pokrećete sami, potrebno vam je i ovo:

Najmanje 0,1m3 helija (pretraživanje: "spremnik helija za 15 balona") kupljen lokalno

Qualatex 36 samoljepljivi balon od folije

Procijenjeni trošak projekta: 80 € (samo uređaj za praćenje) / 100 € (uključujući balon i helij)

Korak 3: Preporučeni alati

Ovi alati bi mogli dobro doći:

skidač žice

lemilica

SMD lemilica

kliješta

odvijači

pištolj za ljepilo

multimetar

mikroskop

pištolj za topli zrak

Trebat će vam i pasta za lemljenje.

Korak 4: Adafruit pero 32U4

Bilo nam je teško odabrati pravi mikrokontroler za balon. Adafrutovo pero pokazalo se najboljim za taj posao. Zadovoljava sve potrebne kriterije:

1) Ima sve potrebne pinove: SDA/SCL, RX/TX, digitalni, analogni

2) Ima RFM95 LoRa odašiljač.

3) Lagan je. Masa mu je samo 5,5 g.

4) Ima vrlo nisku potrošnju energije u stanju mirovanja (samo 30uA).

Zbog toga smatramo da je Adafruit Feather najbolji mikrokontroler za taj posao.

Korak 5: Dizajn i proizvodnja PCB -a

Zaista mi je žao zbog onoga što ću vam reći. Morat ćemo napraviti prilagođenu PCB. Bit će teško i frustrirajuće, ali potrebno je pa krenimo. Također, da biste pravilno razumjeli sljedeći tekst, trebali biste pročitati ovu odličnu klasu dizajna PCB -a od strane Instructables.

Dakle, u početku ćete morati napraviti shemu. Shemu i ploču sam napravio u EAGLE PCB dizajnerskom softveru tvrtke Autodesk. Besplatno je, pa preuzmite!

Bio je to moj prvi put da dizajniram PCB i mogu vam reći da se radi samo o upoznavanju sučelja Eagle. Svoju prvu ploču dizajnirao sam za 6 sati, no za drugu dasku trebalo mi je manje od sat vremena. Evo rezultata. Prilično lijepa shema i ploča, rekao bih.

Kada imate spremnu datoteku ploče, morate stvoriti gerber datoteke i poslati ih proizvođaču. Naručio sam svoje ploče s jlcpcb.com, ali možete odabrati bilo kojeg drugog proizvođača koji vam se sviđa. Debljinu PCB -a postavio sam na 0,8 mm umjesto standardnih 1,6 mm jer ploča mora biti lagana. Na snimci zaslona možete vidjeti moje postavke za JLC PCB.

Ako ne želite preuzeti Eagle, možete samo preuzeti "Ferdinand 1.0.zip" i postaviti ga na JLC PCB.

Kad naručujete PCB -e, udobno se smjestite u stolicu i pričekajte dva tjedna da stignu. Tada možemo nastaviti.

Napomena: Možete primijetiti da se shema malo razlikuje od stvarne ploče. To je zato što sam primijetio da je goli BME280 IC previše teško lemiti pa sam promijenio shemu za izbijanje

Korak 6: SMD lemljenje

Još jedna tužna najava: SMD lemljenje nije jednostavno. Zaista, jako je teško. Neka gospodar bude s vama. Ali ovaj bi vodič trebao pomoći. Možete lemiti pomoću lemilice i fitilja za lemljenje ili paste za lemljenje i pištolja s toplim zrakom. Nijedna od ovih metoda nije mi bila dovoljno prikladna. Ali trebali biste to učiniti u roku od sat vremena.

Komponente postavite prema sitotisku na PCB -u ili prema shemi.

Korak 7: Lemljenje

Nakon što je SMD lemljenje obavljeno, ostatak lemljenja je u osnovi komad kolača. Skoro. Vjerojatno ste već lemili i nadam se da ćete htjeti ponovno lemiti. Vi samo trebate lemiti Adafruit pero, antene, solarnu ploču i superkondenzatore. Rekao bih prilično jednostavno.

Komponente postavite prema sitotisku na PCB -u ili prema shemi.

Korak 8: Dovršite praćenje

Ovako bi trebao izgledati kompletan tracker. Čudan. Lijepo. Zanimljiv. To su riječi koje mi odmah padaju na pamet. Sada samo trebate bljeskati kôd i testirati radi li.

Korak 9: Postavljanje TTN -a

The Things Network globalna je mreža LoRaWAN zajednice usmjerena na grad. S više od 6887 pristupnika (prijemnika) koji rade i rade, to je najveća globalna IoT mreža na svijetu. Koristi LoRa (Long Range) komunikacijski protokol koji je općenito na frekvencijama 868 (Europa, Rusija) ili na 915MHz (SAD, Indija). Najviše ga koriste IoT uređaji koji šalju kratke poruke u gradovima. Možete poslati samo do 51 bajt, ali lako možete dobiti raspon od 2 km do 15 km. To je idealno za jednostavne senzore ili druge IoT uređaje. I što je najbolje, besplatno je.

2-15 sigurno nije dovoljno, ali ako se popnete na viši teren, trebali biste imati bolju vezu. I naš će balon biti vrlo visok. Na 10 km nadmorske visine trebali bismo dobiti vezu sa 100 km. Prijatelj je pokrenuo HAB s LoRom 31 km u zraku i dobio je ping na 450 km. Dakle, to je prilično razumno.

Postavljanje TTN -a trebalo bi biti jednostavno. Samo trebate stvoriti račun sa svojom e -poštom, a zatim morate registrirati uređaj. U početku morate stvoriti aplikaciju. Aplikacija je cijela početna stranica projekta. Odavde možete promijeniti kod dekodera, pregledati dolazne podatke i dodati/ukloniti uređaje. Samo odaberite ime i spremni ste za polazak. Nakon što to učinite, morat ćete registrirati uređaj u aplikaciji. Morate unijeti MAC adresu perja Adafruit (s perom u pakiranju). Zatim biste trebali postaviti način aktivacije na ABP i onemogućiti provjeru brojača okvira. Vaš uređaj sada bi trebao biti registriran u aplikaciji. Kopirajte adresu uređaja, mrežni ključ sesije i ključ sesije aplikacije. Trebat će vam u sljedećem koraku.

Za bolje objašnjenje posjetite ovaj vodič.

Korak 10: Kodiranje

Adafruit Feather 32U4 ima ATmega32U4 AVR procesor. To znači da nema zaseban čip za USB komunikaciju (kao Arduino UNO), čip je uključen u procesor. To znači da prijenos na Adafruit Feather može biti malo teži u usporedbi s tipičnom Arduino pločom, ali radi s Arduino IDE -om pa ako slijedite ovaj vodič, to bi trebalo biti u redu.

Nakon što ste postavili Arduino IDE i uspješno učitali "trepćuću" skicu, možete prijeći na stvarni kod. Preuzmite "LoRa_Test.ino". U skladu s tim promijenite adresu uređaja, mrežni ključ i ključ sesije aplikacije. Prenesite skicu. Ići van. Usmjerite antenu prema centru grada ili u smjeru najbližeg ulaza. Sada biste trebali vidjeti podatke koji se pojavljuju na TTN konzoli. Ako ne, komentirajte ispod. Ne želim ovdje stavljati sve što se moglo dogoditi, ne znam bi li poslužitelj Instructables mogao podnijeti toliku količinu teksta.

Idemo dalje. Ako prethodna skica uspije, možete preuzeti "Ferdinand_1.0.ino" i promijeniti stvari koje ste trebali promijeniti u prethodnoj skici. Sada ga ponovno testirajte.

Ako na TTN konzolu dobivate nasumične HEX podatke, ne brinite, to bi trebalo učiniti. Sve su vrijednosti kodirane u HEX. Trebat će vam drugačiji kod dekodera. Preuzmite "decoder.txt". Kopirajte sadržaj. Sada idite na TTN konzolu. Idite na svoju aplikaciju/formate korisnog opterećenja/dekoder. Sada uklonite izvorni kod dekodera i zalijepite ga u svoj. Sada biste trebali vidjeti sva čitanja tamo.

Korak 11: Testiranje

Ovo bi trebao biti najduži dio projekta. Testiranje. Testiranje u svim vrstama uvjeta. U ekstremnim vrućinama, stresu i s jakim svjetlom (ili vani na suncu) oponašaju tamošnje uvjete. To bi trebalo potrajati najmanje tjedan dana kako ne bi bilo iznenađenja u pogledu ponašanja tragača. Ali to je idealan svijet i nismo imali to vrijeme jer je tracker napravljen za natjecanje. Napravili smo neke last minute izmjene (doslovno 40 minuta prije lansiranja) pa nismo znali što možemo očekivati. To nije dobro. Ali znate, ipak smo pobijedili na natjecanju.

Ovaj ćete dio vjerojatno morati obaviti vani jer sunce ne sja i jer LoRa neće imati najbolji prijem u vašem uredu.

Korak 12: Neke smiješne formule

Pikobaloni su vrlo osjetljivi. Ne možete ih samo napuniti helijem i lansirati. To im se stvarno ne sviđa. Dopustite mi da objasnim. Ako je sila uzgona preniska, balon se neće podići (očito). ALI, i ovo je kvaka, ako je sila uzgona previsoka, balon će letjeti previsoko, sile na balonu će biti prevelike te će iskočiti i pasti na tlo. To je glavni razlog zašto zaista želite napraviti ove izračune.

Ako malo poznajete fiziku, ne biste trebali imati problema s razumijevanjem gornjih formula. Postoje neke varijable koje morate unijeti u formulu. To uključuje: konstantu punjenja plina, termodinamičku temperaturu, tlak, masu sonde i masu balona. Ako slijedite ovaj vodič i koristite isti balon (Qualatex microfoil 36 ) i isti plin za punjenje (helij), jedina stvar koja će se zapravo razlikovati je masa sonde.

Ove formule bi vam trebale dati: volumen helija potreban za punjenje balona, brzinu kojom se balon diže, nadmorsku visinu na kojoj balon leti i težinu slobodnog dizanja. Sve su to vrlo korisne vrijednosti. Brzina podizanja važna je kako balon ne bi udario u prepreke jer je prespor i zaista je lijepo znati koliko će visoko balon letjeti. No najvažniji od njih je vjerojatno besplatni lift. Besplatni lift potreban je kada ćete puniti balon u koraku 14.

Hvala TomasTT7 na pomoći oko formula. Ovdje pogledajte njegov blog.

Korak 13: Rizici

Dakle, vaš tracker radi. To sranje na kojem si radio dva mjeseca zapravo funkcionira! Čestitamo.

Pa pogledajmo s kojim se rizicima vaše dijete sa sondom može susresti u zraku:

1) Neće dovoljno sunčeve svjetlosti udariti u solarnu ploču. Superkondenzatori će se isprazniti. Sonda će prestati raditi.

2) Sonda će izaći iz dometa i neće se primati podaci.

3) Jaki udari vjetra uništit će sondu.

4) Sonda će tijekom uspona proći kroz oluju, a kiša će kratki spoj.

5) Na solarnoj ploči će se stvoriti ledena prevlaka. Superkondenzatori će se isprazniti. Sonda će prestati raditi.

6) Dio sonde će se slomiti pod mehaničkim naprezanjem.

7) Dio sonde će se slomiti pod ekstremnim uvjetima topline i tlaka.

8) Između balona i zraka formirat će se elektrostatički naboj koji tvori iskru koja će oštetiti sondu.

9) Sondu će pogoditi grom.

10) Sondom će pogoditi zrakoplov.

11) Sonda će biti pogođena pticom.

12) Vanzemaljci će vam oteti sondu. Može se dogoditi osobito ako se balon nalazi iznad područja 51.

Korak 14: Pokrenite

Znaci to je to. Dan je D i lansirat ćete svoj voljeni pikobalon. Uvijek je dobro poznavati teren i sve moguće prepreke. Također morate stalno pratiti vrijeme (uglavnom brzinu i smjer vjetra). Na taj način minimizirate šanse da vaša oprema vrijedna 100 € i 2 mjeseca vašeg vremena udari u drvo ili u zid. To bi bilo žalosno.

Umetnite cijev u balon. Privežite balon za nešto teško najlonom. Tešku stvar stavite na vagu. Ponovno postavite skalu. Pričvrstite drugi kraj cijevi na spremnik s helijem. Počnite polako otvarati ventil. Sada biste na ljestvici trebali vidjeti negativne brojeve. Sada je vrijeme da upotrijebite vrijednost slobodnog dizanja koju ste izračunali u koraku 12. Zatvorite ventil kada negativni broj dosegne masu balona + slobodno dizanje. U mom slučaju bilo je 15 g + 2,4 g pa sam zatvorio ventil na točno -17,4 g na vagi. Uklonite cijev. Balon se samozaptiva, trebao bi se automatski zabrtviti. Odvežite teški predmet i zamijenite ga sondom. Sada ste spremni za pokretanje.

Za detalje pogledajte samo video.

Korak 15: Primanje podataka

Ohh, sjećam se osjećaja koji smo imali nakon lansiranja. Stres, frustracije, puno hormona. Hoće li uspjeti? Hoće li naš rad biti bezvrijedan? Jesmo li upravo potrošili toliko novca na nešto što ne funkcionira? Ovo su pitanja koja smo si postavljali nakon lansiranja.

Srećom, sonda je odgovorila 20 -ak minuta nakon lansiranja. I onda smo dobivali paket svakih 10 minuta. Izgubili smo kontakt sa sondom u 17:51:09 GMT. Moglo je biti i bolje, ali i dalje je u redu.

Korak 16: Daljnji planovi

Ovo je bio jedan od naših najtežih projekata do sada. Nije sve bilo savršeno, ali to je u redu, uvijek je tako. I dalje je bio vrlo uspješan. Tragač je radio besprijekorno. Moglo je to biti puno duže, ali to nije važno. I, završili smo drugi na natjecanju Picoballoon. Sada biste mogli reći da biti drugi na natjecanju sa 17 ljudi nije tako uspješan, ALI imajte na umu da je ovo natjecanje za inženjering/izgradnju odraslih. Imamo 14 godina. S kojima smo se natjecali bili su odrasli s inženjerskim, a možda čak i svemirskim znanjem i s mnogo više iskustva. Pa da, sve u svemu, rekao bih da je to bio veliki uspjeh. Dobili smo 200 €, što je otprilike dvostruko više od naših troškova.

Sigurno ću izgraditi verziju 2.0. Bit će puno bolje, s manjim komponentama (barebone procesor, RFM95), a bit će i pouzdaniji pa ostanite s nama za sljedeće upute.

Naš glavni cilj sada je pobijediti na natjecanju Epilog X. Kolege tvorci, ako vam se svidjela ova uputa, razmislite o glasovanju za nju. To bi nam stvarno pomoglo. Hvala vam punoooooo!

Drugoplasirani na natjecanju Epilog X