Jak zrobić Picoballoon: 16 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:30

Co to jest picoballoon i dlaczego miałbym go budować?! słyszę, jak pytasz. Pozwól mi wyjaśnić. Wszyscy prawdopodobnie wiecie, czym jest HAB (balon na dużej wysokości). To garść dziwnej elektroniki połączonej z balonem. W Instructables jest tak wiele samouczków dotyczących HAB.

ALE, i to jest bardzo duże, ALE to, czego najczęściej nie mówią w samouczku, to koszt gazu do napełniania. Teraz możesz zbudować przyzwoity tracker HAB poniżej 50 €, ale jeśli waży 200 g (co jest dość optymistycznym przypuszczeniem z bateriami, aparatami itp.), hel do napełnienia balonu może kosztować 200 € lub więcej, co jest po prostu za dużo dla wielu twórców takich jak ja.

Tak więc, jak można się domyślić, pikobalony rozwiązują ten problem, po prostu nie będąc nieporęcznymi i ciężkimi. Picoballoon to tylko słowo na lekki HAB. Światło, co rozumiem przez światło? Ogólnie rzecz biorąc, pikobalony są lżejsze niż 20g. Teraz wyobraź sobie, że procesor, nadajnik, płytka PCB, GPS, anteny, panel słoneczny, a także bateria o masie jednorazowej filiżanki do kawy lub łyżeczki. Czy to nie szaleństwo?

Innym powodem (poza kosztem), dla którego chciałbyś go zbudować, jest jego zasięg i wytrzymałość. Klasyczny HAB może latać do 4 godzin i podróżować do 200 km. Z drugiej strony Picoballoon może latać nawet przez kilka miesięcy i przebyć nawet dziesiątki tysięcy kilometrów. Pewien Polak dostał swój pikobalon, żeby latać po całym świecie kilka razy. To oczywiście oznacza również, że już nigdy nie zobaczysz swojego Picoballoon po jego uruchomieniu. Dlatego chcesz przesyłać wszystkie potrzebne dane i oczywiście utrzymywać koszty na jak najniższym poziomie.

Uwaga: Ten projekt powstał we współpracy z MatejHantabal. Koniecznie sprawdź też jego profil

UWAGA: Jest to trudny do zrobienia poziom zaawansowany, ale także bardzo zabawny projekt. Tutaj zostanie wyjaśnione wszystko, od projektowania PCB przez SMD po lutowanie. To powiedziawszy, bierzmy się do pracy

AKTUALIZACJA: W ostatniej chwili musieliśmy usunąć moduł GPS ze względu na jego duże zużycie energii. Pewnie da się to naprawić, ale nie mieliśmy na to czasu. Zostawię to w instrukcji, ale uważaj, że nie jest przetestowane. Nadal możesz uzyskać lokalizację z metadanych TTN, więc nie powinieneś się tym martwić

Krok 1: Zasada

Tak więc, budując takie urządzenie, istnieje wiele odmian i wyborów, ale każdy tracker potrzebuje nadajnika i zasilacza. Większość trackerów prawdopodobnie będzie zawierać następujące elementy:

- panel słoneczny

- bateria (lipo lub superkondensator)

- procesor/mikrokontroler

- moduł GPS

- czujnik/czujniki (temperatury, wilgotności, ciśnienia, UV, promieniowania słonecznego…)

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

Jak widać, istnieje wiele czujników i nadajników, z których można korzystać. To, jakich czujników użyjesz, zależy od Ciebie. Nie ma to większego znaczenia, ale najczęściej spotykane są czujniki temperatury i ciśnienia. Wybór nadajnika jest jednak znacznie trudniejszy. Każda technologia ma swoje wady i zalety. Nie będę tego tutaj rozkładał, bo to byłaby bardzo długa dyskusja. Co ważne, wybrałem LoRaWAN i uważam, że jest najlepszy (bo innych jeszcze nie miałem okazji przetestować). Wiem jednak, że LoRaWAN ma chyba najlepszy zasięg. Zapraszam do poprawiania mnie w komentarzach.

Krok 2: Potrzebne części

Więc będziesz potrzebować tych rzeczy do tego projektu:

Pióro Adafruit 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (nie używaliśmy tego na końcu)

Czujnik temperatury/wilgotności/ciśnienia BME280

2xSuperkondensator 4.7F 2.7V

Panel słoneczny z wyjściem 5V

Niestandardowe płytki drukowane

Jeśli uruchamiasz sam, potrzebujesz również tego:

Co najmniej 0,1m3 helu (szukaj: "zbiornik z helem na 15 balonów") kupione lokalnie

Samouszczelniający balon foliowy Qualatex 36"

Szacunkowy koszt projektu: 80€ (tylko tracker) / 100€ (w tym balon i hel)

Krok 3: Zalecane narzędzia

Te narzędzia mogą się przydać:

ściągacz izolacji

lutownica

Lutownica SMD

szczypce

śrubokręty

pistolet na klej

multimetr

mikroskop

pistolet na gorące powietrze

Potrzebna będzie również pasta lutownicza.

Krok 4: Pióro Adafruit 32U4

Trudno nam było wybrać odpowiedni mikrokontroler do balonu. Pióro Adafruita okazało się najlepsze do tego zadania. Spełnia wszystkie wymagane kryteria:

1) posiada wszystkie niezbędne piny: SDA/SCL, RX/TX, cyfrowe, analogowe;

2) Posiada nadajnik RFM95 LoRa.

3) Jest lekki. Jego masa to tylko 5,5g.

4) Ma bardzo niski pobór mocy w trybie uśpienia (tylko 30uA).

Z tego powodu uważamy, że Adafruit Feather jest najlepszym mikrokontrolerem do tego zadania.

Krok 5: Projektowanie i produkcja PCB

Naprawdę przepraszam za to, co ci powiem. Będziemy musieli wykonać niestandardową płytkę drukowaną. To będzie trudne i frustrujące, ale jest to konieczne, więc zacznijmy. Ponadto, aby poprawnie zrozumieć poniższy tekst, powinieneś przeczytać tę niesamowitą klasę projektowania PCB autorstwa Instructables.

Tak więc na początku będziesz musiał zrobić schemat. Zarówno schemat, jak i płytkę wykonałem w programie do projektowania PCB EAGLE firmy Autodesk. To nic nie kosztuje, więc pobierz go!

To był mój pierwszy raz, kiedy projektowałem płytkę drukowaną i mogę powiedzieć, że chodzi o opanowanie interfejsu Eagle. Pierwszą deskę zaprojektowałem w 6 godzin, ale druga zajęła mi mniej niż godzinę. Oto wynik. Całkiem fajny schemat i tablica powiedziałbym.

Gdy masz już gotowy plik płytki, musisz utworzyć pliki gerber i wysłać je do producenta. Moje płyty zamówiłem na stronie jlcpcb.com, ale możesz wybrać dowolnego innego producenta. Ustawiłem grubość PCB na 0,8 mm zamiast standardowego 1,6 mm, ponieważ płytka musi być lekka. Na zrzucie ekranu możesz zobaczyć moje ustawienia dla JLC PCB.

Jeśli nie chcesz pobierać Eagle, możesz po prostu pobrać "Ferdinand 1.0.zip" i przesłać go do JLC PCB.

Kiedy zamawiasz płytki, po prostu usiądź wygodnie w swoim krześle i poczekaj dwa tygodnie na ich przybycie. Wtedy możemy kontynuować.

Uwaga: Możesz zauważyć, że schemat różni się nieco od rzeczywistej planszy. To dlatego, że zauważyłem, że goły układ scalony BME280 jest zbyt trudny do lutowania, więc zmieniłem schemat na wybicie

Krok 6: Lutowanie SMD

Kolejna smutna zapowiedź: lutowanie SMD nie jest łatwe. Teraz naprawdę jest to cholernie trudne. Niech Pan będzie z tobą. Ale ten samouczek powinien pomóc. Lutować można albo za pomocą lutownicy i knota lutowniczego, albo pasty lutowniczej i pistoletu na gorące powietrze. Żadna z tych metod nie była dla mnie wystarczająco wygodna. Ale powinieneś to zrobić w ciągu godziny.

Umieść elementy zgodnie z sitodrukiem na płytce drukowanej lub zgodnie ze schematem.

Krok 7: Lutowanie

Po zakończeniu lutowania SMD reszta pracy lutowniczej to w zasadzie bułka z masłem. Prawie. Prawdopodobnie lutowałeś wcześniej i mam nadzieję, że będziesz chciał ponownie lutować. Wystarczy przylutować pióro Adafruit, anteny, panel słoneczny i superkondensatory. Powiedziałbym, że całkiem proste.

Umieść elementy zgodnie z sitodrukiem na płytce drukowanej lub zgodnie ze schematem.

Krok 8: Kompletny Tracker

Tak powinien wyglądać kompletny tracker. Dziwne. Miły. Interesujący. To słowa, które od razu przychodzą mi do głowy. Teraz wystarczy sflashować kod i sprawdzić, czy działa.

Krok 9: Konfiguracja TTN

The Things Network to globalna sieć społecznościowa LoRaWAN skupiona wokół miasta. Dzięki ponad 6887 bramom (odbiornikom) jest to największa globalna sieć IoT na świecie. Wykorzystuje protokół komunikacyjny LoRa (Long Range), który generalnie działa na częstotliwościach 868 (Europa, Rosja) lub 915 MHz (USA, Indie). Jest najczęściej używany przez urządzenia IoT wysyłające krótkie wiadomości w miastach. Możesz wysłać tylko do 51 bajtów, ale możesz łatwo uzyskać zasięg od 2km do 15km. Jest to idealne rozwiązanie dla prostych czujników lub innych urządzeń IoT. A co najważniejsze, to nic nie kosztuje.

Teraz 2-15 z pewnością nie wystarczy, ale jeśli wejdziesz na wyższy poziom, powinieneś mieć lepsze połączenie. A nasz balon będzie bardzo wysoki. Na 10km n.p.m. powinniśmy mieć połączenie ze 100km. Przyjaciel wystrzelił HAB z LoRa 31 km w powietrzu i otrzymał ping 450 km. Więc to całkiem rozsądne.

Konfiguracja TTN powinna być łatwa. Wystarczy założyć konto za pomocą adresu e-mail, a następnie zarejestrować urządzenie. Najpierw musisz stworzyć aplikację. Aplikacja to cała strona główna projektu. Tutaj możesz zmienić kod dekodera, przeglądać przychodzące dane i dodawać/usuwać urządzenia. Wystarczy wybrać nazwę i gotowe. Po wykonaniu tej czynności będziesz musiał zarejestrować urządzenie w aplikacji. Musisz wprowadzić adres MAC pióra Adafruit (z piórem w opakowaniu). Następnie należy ustawić metodę aktywacji na ABP i wyłączyć sprawdzanie licznika ramek. Twoje urządzenie powinno być teraz zarejestrowane w aplikacji. Skopiuj adres urządzenia, klucz sesji sieciowej i klucz sesji aplikacji. Będziesz ich potrzebować w następnym kroku.

Aby uzyskać pełniejsze wyjaśnienie, odwiedź ten samouczek.

Krok 10: Kodowanie

Adafruit Feather 32U4 ma procesor ATmega32U4 AVR. Oznacza to, że nie posiada osobnego układu do komunikacji USB (jak Arduino UNO), układ jest dołączony do procesora. Oznacza to, że wgrywanie do Adafruit Feather może być nieco trudniejsze w porównaniu z typową płytką Arduino, ale działa z Arduino IDE, więc jeśli będziesz postępować zgodnie z tym samouczkiem, powinno być w porządku.

Po skonfigurowaniu Arduino IDE i pomyślnym przesłaniu szkicu „mrugnięcia” możesz przejść do rzeczywistego kodu. Pobierz "LoRa_Test.ino". Zmień odpowiednio adres urządzenia, klucz sesji sieciowej i klucz sesji aplikacji. Prześlij szkic. Wyjść na zewnątrz. Skieruj antenę na centrum miasta lub w kierunku najbliższej bramy. Powinieneś teraz zobaczyć dane wyskakujące na konsoli TTN. Jeśli nie, skomentuj poniżej. Nie chcę tutaj umieszczać wszystkiego, co mogło się wydarzyć, nie wiem, czy serwer Instructables poradziłby sobie z taką ilością tekstu.

Iść dalej. Jeśli poprzedni szkic działa, możesz pobrać "Ferdinand_1.0.ino" i zmienić rzeczy, które miałeś zmienić w poprzednim szkicu. Teraz przetestuj to ponownie.

Jeśli otrzymujesz losowe dane HEX na konsoli TTN, nie martw się, to powinno to zrobić. Wszystkie wartości są zakodowane w HEX. Będziesz potrzebować innego kodu dekodera. Pobierz "dekoder.txt". Skopiuj jego zawartość. Teraz przejdź do konsoli TTN. Przejdź do aplikacji/formatów ładunku/dekodera. Teraz usuń oryginalny kod dekodera i wklej swój. Powinieneś teraz zobaczyć tam wszystkie odczyty.

Krok 11: Testowanie

Teraz to powinna być najdłuższa część projektu. Testowanie. Testowanie w każdych warunkach. W ekstremalnym upale, stresie i przy silnym świetle (lub na słońcu), aby naśladować panujące tam warunki. Powinno to zająć co najmniej tydzień, aby nie było niespodzianek w zakresie zachowania trackera. Ale to jest idealny świat, a nie mieliśmy tego czasu, ponieważ tracker został zbudowany na zawody. Wprowadziliśmy kilka zmian w ostatniej chwili (dosłownie na 40 minut przed premierą), więc nie wiedzieliśmy, czego się spodziewać. To nie jest dobre. Ale wiesz, wciąż wygraliśmy konkurs.

Prawdopodobnie będziesz musiał wykonać tę część na zewnątrz, ponieważ słońce nie świeci w środku i ponieważ LoRa nie będzie najlepiej odbierana w twoim biurze.

Krok 12: Niektóre Funky Formuły

Pikobalony są bardzo wrażliwe. Nie możesz ich po prostu napełnić helem i wystrzelić. Oni naprawdę tego nie lubią. Pozwól mi wyjaśnić. Jeśli siła wyporu jest zbyt niska, balon nie uniesie się (oczywiście). ALE, i to jest haczyk, jeśli siła wyporu jest zbyt duża, balon będzie leciał zbyt wysoko, siły działające na balon będą zbyt duże, a balon pęknie i spadnie na ziemię. To jest główny powód, dla którego naprawdę chcesz wykonać te obliczenia.

Jeśli znasz trochę fizykę, nie powinieneś mieć problemu ze zrozumieniem powyższych wzorów. Istnieje kilka zmiennych, które należy wprowadzić do formuły. Obejmuje to: stałą gazu napełniającego, temperaturę termodynamiczną, ciśnienie, masę sondy i masę balonu. Jeśli zastosujesz się do tego samouczka i użyjesz tego samego balonu (mikrofolia Qualatex 36 ) i tego samego gazu wypełniającego (hel), jedyną rzeczą, która będzie się różnić, jest masa sondy.

Te wzory powinny następnie dać ci: objętość helu potrzebną do napełnienia balonu, prędkość, z jaką balon się wznosi, wysokość, na której balon leci, a także ciężar swobodnego unoszenia. To wszystko są bardzo przydatne wartości. Szybkość wznoszenia się jest ważna, aby balon nie uderzał w przeszkody, ponieważ jest zbyt wolny i naprawdę miło jest wiedzieć, jak wysoko poleci balon. Ale najważniejszą z nich jest prawdopodobnie darmowy podnośnik. Swobodne podnoszenie jest wymagane podczas napełniania balonu w kroku 14.

Podziękowania dla TomasTT7 za pomoc przy formułach. Sprawdź jego blog tutaj.

Krok 13: Ryzyko

Więc twój tracker działa. To gówno, nad którym pracowałeś przez dwa miesiące, faktycznie działa! Gratulacje.

Przyjrzyjmy się więc, jakie zagrożenia może napotkać Twoje dziecko z sondą w powietrzu:

1) Nie będzie wystarczającej ilości światła słonecznego padającego na panel słoneczny. Superkondensatory spłyną. Sonda przestanie działać.

2) Sonda znajdzie się poza zasięgiem i żadne dane nie będą odbierane.

3) Silne podmuchy wiatru zniszczą sondę.

4) Sonda przejdzie przez burzę podczas wynurzania, a deszcz spowoduje zwarcie obwodu.

5) Na panelu słonecznym utworzy się warstwa lodu. Superkondensatory spłyną. Sonda przestanie działać.

6) Część sondy pęknie pod wpływem naprężenia mechanicznego.

7) Część sondy pęknie w ekstremalnych warunkach temperatury i ciśnienia.

8) Pomiędzy balonem a powietrzem powstanie ładunek elektrostatyczny, tworząc iskrę, która uszkodzi sondę.

9) Sonda zostanie uderzona przez piorun.

10) Sonda zostanie uderzona przez samolot.

11) Sonda zostanie uderzona przez ptaka.

12) Obcy porwą twoją sondę. Może się to zdarzyć zwłaszcza, jeśli balon znajdzie się nad obszarem 51.

Krok 14: Uruchom

Więc to jest to. To D-day i zamierzasz wystrzelić swój ukochany pikobalon. Zawsze dobrze jest znać teren i wszelkie możliwe przeszkody. Musisz także stale monitorować pogodę (głównie prędkość i kierunek wiatru). W ten sposób minimalizujesz szanse, że twój sprzęt wart 100 euro i 2 miesiące twojego czasu uderzy w drzewo lub ścianę. To byłoby smutne.

Włóż rurkę do balonu. Przywiąż balon do czegoś ciężkiego nylonem. Połóż ciężką rzecz na wadze. Zresetuj wagę. Zamocuj drugi koniec rury na zbiorniku z helem. Zacznij powoli otwierać zawór. Powinieneś teraz zobaczyć liczby ujemne na skali. Teraz nadszedł czas, aby użyć wartości swobodnego skoku obliczonej w kroku 12. Zamknij zawór, gdy liczba ujemna osiągnie masę balonu + skok swobodny. W moim przypadku było to 15g + 2,4g więc zakręciłem zawór przy dokładnie -17,4g na skali. Usuń rurę. Balon jest samouszczelniający się, powinien uszczelnić się automatycznie. Odwiąż ciężki przedmiot i zastąp go sondą. Jesteś teraz gotowy do uruchomienia.

Po prostu obejrzyj film, aby poznać wszystkie szczegóły.

Krok 15: Odbieranie danych

Och, pamiętam uczucie, jakie mieliśmy po premierze. Stres, frustracja, dużo hormonów. Czy to zadziała? Czy nasza praca będzie bezwartościowa? Czy właśnie wydaliśmy tyle pieniędzy na coś, co nie działa? Takie pytania zadawaliśmy sobie po premierze.

Na szczęście sonda zareagowała około 20 minut po wystrzeleniu. A potem otrzymywaliśmy paczkę co 10 minut. Straciliśmy kontakt z sondą o 17:51:09 GMT. Mogło być lepiej, ale nadal jest w porządku.

Krok 16: Dalsze plany

Był to jeden z naszych najtrudniejszych dotychczas projektów. Nie wszystko było idealne, ale jest OK, zawsze tak jest. Nadal był bardzo udany. Tracker działał bez zarzutu. Mogłoby to robić dużo dłużej, ale to nie ma znaczenia. Zajęliśmy drugie miejsce w konkursie Picoballoon. Teraz możesz powiedzieć, że bycie drugim w konkursie z 17 osobami nie jest takim sukcesem, ALE pamiętaj, że jest to konkurs inżynieryjno-budowlany dla dorosłych. Mamy 14 lat. Ci, z którymi rywalizowaliśmy, byli dorosłymi osobami z inżynierią, a może nawet lotnictwem i znacznie większym doświadczeniem. Więc ogólnie rzecz biorąc, powiedziałbym, że był to duży sukces. Otrzymaliśmy 200 euro, co stanowiło około dwukrotność naszych wydatków.

Z pewnością zamierzam zbudować wersję 2.0. Będzie znacznie lepiej, z mniejszymi komponentami (procesor barebone, RFM95) i będzie bardziej niezawodny, więc bądź na bieżąco z kolejnymi instrukcjami.

Naszym głównym celem jest teraz wygranie konkursu Epilog X. Koledzy twórcy, jeśli podobał wam się ten poradnik, rozważcie głosowanie na niego. To by nam naprawdę pomogło. Dziękuję bardzo!

Drugie miejsce w konkursie Epilog X