Hoe om 'n Picoballoon te maak: 16 stappe (met foto's)

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:26

Wat is 'n picoballon en hoekom sou ek dit wou bou ?! Ek hoor jou vra. Laat ek verduidelik. U weet waarskynlik almal wat 'n HAB (High Altitude Balloon) is. Dit is 'n klomp vreemde elektroniese goed wat aan 'n ballon gekoppel is. Daar is soooo baie tutoriale oor HAB's hier op Instructables.

MAAR, en dit is 'n baie groot MAAR wat hulle nie die meeste keer in die tutoriaal vir jou vertel nie, is die koste van die vulgas. Nou kan u 'n ordentlike HAB -spoorsnyer onder 50 € bou, maar as dit 200g weeg (wat 'n redelike optimistiese raaiskoot is met die batterye, kameras, ens.), Kan die helium om die ballon te vul, u 200 € of meer kos, wat is net te veel vir baie makers soos ek.

Dus, soos u kan raai, los pikoballonne hierdie probleem op deur net groot en swaar te wees. Picoballoon is net 'n woord vir 'n ligte HAB. Lig, wat bedoel ek met lig? Oor die algemeen is picoballons ligter as 20g. Stel u nou voor dat 'n verwerker, sender, 'n PCB, GPS, antennas, 'n sonpaneel en ook 'n battery met 'n massa dieselfde as 'n weggooibare koffiebeker of 'n lepel. Is dit nie net kranksinnig nie?

'N Ander rede (behalwe die koste) waarom u dit wil bou, is die omvang en uithouvermoë. Klassieke HAB kan tot 4 uur vlieg en tot 200 km aflê. 'N Picoballoon, aan die ander kant, kan tot 'n paar maande vlieg en tot tienduisende kilometers reis. Een Poolse man het sy picoballoon verskeie kere oor die hele wêreld laat vlieg. Dit beteken natuurlik ook dat u u Picoballoon nooit weer sal sien nadat u dit begin het nie. Daarom wil u al die nodige data oordra en natuurlik die koste so laag as moontlik hou.

Opmerking: hierdie projek is 'n samewerking met MatejHantabal. Kyk ook na sy profiel

WAARSKUWING: Dit is 'n moeilik gevorderde vlak, maar ook 'n baie prettige projek. Alles van PCB -ontwerp tot SMD tot soldeer sal hier verduidelik word. Dit gesê, laat ons aan die werk gaan

UPDATE: Ons moes die GPS -module op die laaste oomblik verwyder as gevolg van die groot kragverbruik. Dit kan waarskynlik opgelos word, maar ons het nie tyd daarvoor nie. Ek sal dit in die instruksies laat, maar pasop dat dit nie getoets is nie. U kan steeds ligging kry van TTN -metadata, sodat u nie daaroor hoef te bekommer nie

Stap 1: Die beginsel

As u so 'n toestel bou, is daar baie variasies en keuses, maar elke spoorsnyer benodig 'n sender en 'n kragtoevoer. Die meeste spoorsnyers bevat waarskynlik hierdie komponente:

- 'n sonpaneel

- 'n battery (lipo of superkapasitor)

- 'n verwerker/mikrobeheerder

- 'n GPS -module

- 'n Sensor (s) (temperatuur, humiditeit, druk, UV, sonstraling …)

- 'n sender (433MHz, LoRa, WSPR, APRS, LoRaWAN, Iridium)

Soos u kan sien, is daar baie sensors en senders wat u kan gebruik. Watter sensors u gebruik, is aan u. Dit maak nie regtig saak nie, maar die algemeenste is die sensors van temperatuur en druk. Dit is egter baie moeiliker om 'n sender te kies. Elke tegnologie het 'n paar voor- en nadele. Ek sal dit nie hier uiteensit nie, want dit sal 'n baie lang bespreking wees. Wat belangrik is, is dat ek LoRaWAN gekies het en ek dink dit is die beste (want ek het nog nie die kans gehad om die ander te toets nie). Ek weet dat LoRaWAN waarskynlik die beste dekking het. U is welkom om my in die kommentaar reg te stel.

Stap 2: Benodigde onderdele

U benodig dus hierdie dinge vir hierdie projek:

Adafruit Feather 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (Ons het dit uiteindelik nie gebruik nie)

BME280 temperatuur/humiditeit/druksensor

2xSuperkapasitor 4.7F 2.7V

Sonpaneel met uitset 5V

Pasgemaakte PCB's

As u self begin, het u dit ook nodig:

Minstens 0,1 m3 helium (soek: "heliumtenk vir 15 ballonne") plaaslik gekoop

Qualatex 36 selfdigende foelieballon

Geskatte projekkoste: 80 € (slegs die spoorsnyer) / 100 € (ballon en helium ingesluit)

Stap 3: Aanbevole gereedskap

Hierdie gereedskap kan handig te pas kom:

draadstropper

soldeerbout

SMD soldeerbout

tang

skroewedraaiers

gomgeweer

multimeter

mikroskoop

warmluggeweer

U benodig ook soldeerpasta.

Stap 4: Adafruit Feather 32U4

Ons het dit moeilik gevind om die regte mikrobeheerder vir die ballon te kies. Die Adafruit -veer was die beste vir die werk. Dit pas by al die vereiste kriteria:

1) Dit het al die nodige penne: SDA/SCL, RX/TX, digitaal, analoog

2) Dit het die RFM95 LoRa -sender.

3) Dit is liggewig. Die massa is slegs 5,5 g.

4) Dit het 'n baie lae kragverbruik in die slaapmodus (slegs 30uA).

Daarom dink ons dat die Adafruit Feather die beste mikrobeheerder vir die werk is.

Stap 5: PCB -ontwerp en vervaardiging

Ek is regtig jammer vir wat ek jou gaan vertel. Ons sal 'n pasgemaakte PCB moet maak. Dit gaan moeilik en frustrerend wees, maar dit is nodig, so laat ons begin. Om die volgende teks reg te verstaan, moet u hierdie wonderlike PCB -ontwerpklas deur Instructables lees.

U moet dus eers 'n skema maak. Ek het beide die skematiese en die bord gemaak in EAGLE PCB ontwerp sagteware deur Autodesk. Dit is gratis, so laai dit af!

Dit was my eerste keer dat ek 'n PCB ontwerp het, en ek kan u vertel dat dit alles daaroor gaan om die Eagle -koppelvlak te onderdruk. Ek het my eerste bord in 6 uur ontwerp, maar my tweede bord het my minder as 'n uur geneem. Hier is die resultaat. 'N Redelik mooi skematiese en 'n bord sou ek sê.

As u die bordlêer gereed het, moet u die gerber -lêers skep en dit na die vervaardiger stuur. Ek het my borde by jlcpcb.com bestel, maar u kan enige ander vervaardiger kies wat u wil. Ek stel die PCB -dikte op 0.8mm in plaas van die standaard 1.6mm, want die bord moet lig wees. U kan my instellings vir JLC PCB in die skermkiekie sien.

As u nie Eagle wil aflaai nie, kan u net "Ferdinand 1.0.zip" aflaai en dit oplaai na JLC PCB.

As u die PCB's bestel, gaan sit gemaklik in u stoel en wag twee weke totdat hulle opdaag. Dan kan ons aangaan.

Opmerking: u kan sien dat die skema 'n bietjie verskil van die werklike bord. Dit is omdat ek opgemerk het dat die kaal BME280 IC te moeilik is om te soldeer, so ek het die skema verander vir 'n uitbreek

Stap 6: SMD soldeer

Nog 'n hartseer aankondiging: SMD soldeer is nie maklik nie. Nou regtig, dit is moeilik. Mag die heer met u wees. Maar hierdie handleiding behoort te help. U kan soldeer met behulp van 'n soldeerbout en 'n soldeerbout, of met 'n soldeerpasta en 'n warmluggeweer. Nie een van hierdie metodes was vir my gerieflik genoeg nie. Maar u moet dit binne 'n uur doen.

Plaas die komponente volgens die syskerm op die PCB of volgens die skema.

Stap 7: Soldeer

Nadat die SMD -soldeerwerk klaar is, is die res van die soldeerstuk basies 'n stukkie koek. Byna. U het waarskynlik al voorheen gesoldeer en ek hoop dat u weer wil soldeer. U hoef net die Adafruit Feather, antenas, die sonpaneel en die superkapasitors te soldeer. Redelik eenvoudig sou ek sê.

Plaas die komponente volgens die syskerm op die PCB of volgens die skema.

Stap 8: Voltooi Tracker

Dit is hoe die volledige spoorsnyer moet lyk. Vreemd. Lekker. Interessant. Dit is die woorde wat dadelik by my opkom. Nou hoef u net die kode te flits en te toets of dit werk.

Stap 9: TTN -opstelling

The Things Network is 'n wêreldwye stadsgesentreerde LoRaWAN -netwerk. Met meer as 6887 gateways (ontvangers) wat aan die gang is, is dit die grootste wêreldwye IoT -netwerk ter wêreld. Dit gebruik die LoRa (Long Range) kommunikasieprotokol, wat algemeen is op frekwensies 868 (Europa, Rusland) of by 915MHz (VSA, Indië). Dit word die meeste gebruik deur IoT -toestelle wat kort boodskappe in stede stuur. U kan slegs 51 grepe stuur, maar u kan maklik 'n reikafstand van 2 tot 15 km bereik. Dit is ideaal vir eenvoudige sensors of ander IoT -toestelle. En die beste van alles, dit is gratis.

Nou, 2-15 is beslis nie genoeg nie, maar as u hoër grond bereik, moet u 'n beter verbinding hê. En ons ballon sal baie hoog wees. Op 10 km bo seespieël behoort ons 'n verbinding van 100 km af te kry. 'N Vriend het 'n HAB met LoRa 31 km in die lug gelanseer, en hy het 'n ping 450 km ver gekry. So, dit is redelik redelik.

Die opstel van die TTN moet maklik wees. U hoef net 'n rekening met u e -pos te skep, en dan moet u die toestel registreer. Eerstens moet u 'n toepassing skep. 'N Aansoek is die hele tuisblad van die projek. Van hier af kan u die dekodeerderkode verander, die inkomende data bekyk en toestelle byvoeg/verwyder. Kies net 'n naam en jy is gereed. Nadat dit gedoen is, moet u 'n toestel in die toepassing registreer. U moet die MAC -adres van die Adafruit Feather (met die veer in die verpakking) invoer. Dan moet u die aktiveringsmetode op ABP stel en moet u raamtellerkontroles deaktiveer. U toestel behoort nou in die toepassing geregistreer te wees. Kopieer die toesteladres, die netwerksessiesleutel en die appsessiesleutel. U benodig hulle in die volgende stap.

Vir 'n meer heilsame verduideliking, besoek hierdie tutoriaal.

Stap 10: Kodering

Die Adafruit Feather 32U4 het 'n ATmega32U4 AVR -verwerker. Dit beteken dat dit nie 'n aparte chip vir USB -kommunikasie het nie (soos Arduino UNO), die chip is by die verwerker ingesluit. Dit beteken dat die oplaai na Adafruit Feather 'n bietjie moeiliker kan wees in vergelyking met 'n tipiese Arduino -bord, maar dit werk met Arduino IDE, so as u hierdie tutoriaal volg, moet dit goed wees.

Nadat u die Arduino IDE opgestel het en die 'blink' skets suksesvol opgelaai het, kan u na die werklike kode gaan. Laai "LoRa_Test.ino" af. Verander die toesteladres, die netwerksessiesleutel en die appsessiesleutel dienooreenkomstig. Laai die skets op. Gaan buitentoe. Wys die antenna na die middestad of in die rigting van die naaste poort. U behoort nou data op die TTN -konsole te sien verskyn. Indien nie, lewer kommentaar hieronder. Ek wil nie alles hier plaas nie, ek weet nie of die Instructables -bediener so 'n groot hoeveelheid teks kan hanteer nie.

Aanbeweeg. As die vorige skets werk, kan u 'Ferdinand_1.0.ino' aflaai en die dinge verander wat u in die vorige skets moes verander. Toets dit nou weer.

Moenie bekommerd wees as u willekeurige HEX -data op die TTN -konsole kry nie, dit moet dit doen. Al die waardes is in HEX gekodeer. U benodig 'n ander dekodeerderkode. Laai "decoder.txt" af. Kopieer die inhoud daarvan. Gaan nou na die TTN -konsole. Gaan na u toepassing/laaiformate/dekodeerder. Verwyder nou die oorspronklike dekodeerderkode en plak die uwe in. U behoort nou al die lesings daar te sien.

Stap 11: Toets

Dit behoort nou die langste deel van die projek te wees. Toets. Toets onder allerhande toestande. In uiterste hitte, spanning en met 'n sterk lig (of buite op die son) om die toestande daarbo na te boots. Dit behoort minstens 'n week te neem, sodat daar geen verrassings met betrekking tot die spoorgedrag sal wees nie. Maar dit is 'n ideale wêreld en ons het nie tyd gehad nie, want die spoorsnyer is gebou vir 'n kompetisie. Ons het 'n paar minute verander (letterlik 40 minute voor die bekendstelling), sodat ons nie weet wat om te verwag nie. Dit is nie goed nie. Maar jy weet, ons het steeds die kompetisie gewen.

U sal waarskynlik hierdie deel buite moet doen omdat die son nie binne skyn nie en omdat die LoRa nie die beste ontvangs in u kantoor sal hê nie.

Stap 12: 'n Paar fun formules

Picoballons is baie sensitief. U kan hulle nie net met helium vul nie en dit begin. Hulle hou regtig nie daarvan nie. Laat ek verduidelik. As die dryfkrag te laag is, sal die ballon (natuurlik) nie opstaan nie. MAAR, en dit is die vangs, as die dryfkrag te hoog is, sal die ballon te hoog vlieg, die kragte op die ballon te groot wees en dit sal val en op die grond val. Dit is die belangrikste rede waarom u hierdie berekeninge regtig wil doen.

As u 'n bietjie fisika ken, behoort u nie 'n probleem te hê om die formules hierbo te verstaan nie. Daar is 'n paar veranderlikes wat u in die formule moet invoer. Dit sluit in: vulgas konstante, termodinamiese temperatuur, druk, massa van die sonde en massa van die ballon. As u hierdie tutoriaal volg en dieselfde ballon (Qualatex microfoil 36 ) en dieselfde vulgas (helium) gebruik, is die massa van die sonde eintlik die enigste ding wat sal verskil.

Hierdie formules moet u dan gee: die volume helium wat nodig is om die ballon vol te maak, die snelheid waarmee die ballon styg, die hoogte waarop die ballon vlieg en ook die gewig van die vrye hef. Dit is alles baie nuttige waardes. Die stygende spoed is belangrik, sodat die ballon nie hindernisse raak nie, want dit is te stadig en dit is baie lekker om te weet hoe hoog die ballon sal vlieg. Maar die belangrikste daarvan is waarskynlik die gratis hysbak. Die gratis hysbak is nodig wanneer u die ballon in stap 14 vul.

Dankie aan TomasTT7 vir hulp met die formules. Kyk hier na sy blog.

Stap 13: Risiko's

Dus, u spoorsnyer werk. Die kak waaraan jy twee maande lank gewerk het, werk eintlik! Baie geluk.

Laat ons dus kyk watter risiko's u sonde -kind in die lug kan ondervind:

1) Daar is nie genoeg sonlig teen die sonpaneel nie. Die superkapasitors sal dreineer. Die sonde sal ophou werk.

2) Die sonde sal buite bereik kom en geen data sal ontvang word nie.

3) Sterk windstoot sal die sonde vernietig.

4) Die sonde sal tydens die styging deur 'n storm gaan en reën sal die stroombaan kortmaak.

5) 'n Yslaag sal op die sonpaneel vorm. Die superkapasitors sal dreineer. Die sonde sal ophou werk.

6) 'n Gedeelte van die sonde breek onder meganiese spanning.

7) 'n Gedeelte van die sonde breek onder uiterste hitte- en drukomstandighede.

8) 'n Elektrostatiese lading vorm tussen die ballon en die lug en vorm 'n vonk wat die sonde kan beskadig.

9) Die sonde sal deur weerlig getref word.

10) Die sonde word deur 'n vliegtuig getref.

11) Die sonde word deur 'n voël getref.

12) Vreemdelinge sal u sonde kaap. Dit kan veral gebeur as die ballon bo gebied 51 sal wees.

Stap 14: Begin

So, dit is dit. Dit is die D-dag en jy gaan jou geliefde picoballoon bekendstel. Dit is altyd goed om die terrein en alle moontlike hindernisse te ken. U moet ook die weer (veral die windsnelheid en rigting) konstant monitor. Op hierdie manier verminder u die kans dat u toerusting ter waarde van 100 € en 2 maande van u tyd in 'n boom of teen 'n muur kan slaan. Dit sou hartseer wees.

Steek 'n pyp in die ballon. Bind die ballon vas aan iets swaar met nylon. Sit die swaar ding op 'n skaal. Stel die skaal terug. Bevestig die ander kant van die pyp op u heliumtenk. Begin die klep stadig oopmaak. U behoort nou negatiewe getalle op die skaal te sien. Dit is nou die tyd om die waarde van die gratis hysbak wat u in stap 12. bereken het, te gebruik. Skakel die klep af wanneer die negatiewe getal die massa van die ballon + die hysbak bereik. In my geval was dit 15g + 2,4g, so ek sluit die klep op presies -17,4g op die weegskaal. Verwyder die pyp. Die ballon is self verseëlend, dit moet outomaties verseël word. Maak die swaar voorwerp los en vervang dit met die sonde. U is nou gereed om te begin.

Kyk net na die video vir al die besonderhede.

Stap 15: Ontvang die data

O, ek onthou die gevoel wat ons gehad het ná die bekendstelling. Die spanning, die frustrasie, baie hormone. Sal dit werk? Sal ons werk waardeloos wees? Het ons net soveel geld bestee aan iets wat nie werk nie? Dit is die soort vrae wat ons ons na die bekendstelling gevra het.

Gelukkig het die ondersoek ongeveer 20 minute na die bekendstelling gereageer. En toe kry ons elke 10 minute 'n pakkie. Ons het om 17:51:09 GMT kontak met die sonde verloor. Dit kon beter gewees het, maar dit is nog steeds goed.

Stap 16: Verdere planne

Dit was een van ons moeilikste projekte tot dusver. Nie alles was perfek nie, maar dit is goed, dit is altyd so. Dit was nog steeds baie suksesvol. Die spoorsnyer werk foutloos. Dit kon dit baie langer gedoen het, maar dit maak nie saak nie. En ons eindig tweede in die Picoballoon -kompetisie. Nou kan u sê dat die tweede plek in 'n wedstryd met 17 mense nie so 'n sukses is nie, maar hou in gedagte dat dit 'n volwasse ingenieurs-/konstruksiekompetisie is. Ons is 14 jaar oud. Diegene waarmee ons meegeding het, was volwassenes met ingenieurswese en moontlik selfs lugvaartagtergrond en met baie meer ervaring. So ja, oor die algemeen sou ek sê dat dit 'n groot sukses was. Ons het 200 € gekry, wat ongeveer dubbel van ons uitgawes was.

Ek gaan beslis 'n weergawe 2.0 bou. Dit gaan baie beter wees, met kleiner komponente (barebone -verwerker, RFM95) en dit sal meer betroubaar wees, dus bly ingeskakel vir die volgende instruksies.

Ons hoofdoel is nou om die Epilog X -wedstryd te wen. Mede -makers, as u van hierdie instruksies hou, kan u dit oorweeg om daarvoor te stem. Dit sal ons regtig help. Baie dankie!

Naaswenner in die Epilog X -kompetisie