Cara Membuat Picoballoon: 16 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:10

Apa itu picoballoon dan mengapa saya mahu membinanya ?! Saya dengar awak bertanya. Biar saya jelaskan. Anda semua mungkin tahu apa itu HAB (High Altitude Balloon). Ini adalah sekumpulan barang elektronik pelik yang disambungkan ke belon. Terdapat begitu banyak tutorial mengenai HAB di Instructables.

TETAPI, dan itu sangat besar TETAPI apa yang tidak mereka sampaikan paling banyak dalam tutorial adalah kos pengisian gas. Sekarang, anda boleh membina pelacak HAB yang layak di bawah 50 €, tetapi jika beratnya 200g (yang merupakan dugaan yang cukup optimis dengan bateri, kamera, dll.) Helium untuk mengisi belon boleh dikenakan biaya 200 € atau lebih, yang mana terlalu banyak untuk banyak pembuat seperti saya.

Oleh itu, seperti yang anda dapat meneka, picoballoon menyelesaikan masalah ini dengan tidak menjadi berat dan berat. Picoballoon hanyalah perkataan untuk HAB ringan. Cahaya, apa yang saya maksudkan dengan cahaya? Secara amnya, picoballoon lebih ringan daripada 20g. Sekarang, bayangkan bahawa pemproses, pemancar, PCB, GPS, antena, panel solar dan juga bateri dengan jisim sama dengan cawan kopi sekali pakai atau sudu. Bukankah itu tidak siuman?

Sebab lain (selain dari kos) mengapa anda ingin membina ini adalah jangkauan dan daya tahannya. Classic HAB boleh terbang sehingga 4 jam dan menempuh perjalanan sehingga 200km. Picoballoon sebaliknya, boleh terbang hingga beberapa bulan dan menempuh perjalanan hingga puluhan ribu kilometer. Seorang lelaki Poland mendapat picoballoonnya untuk terbang di seluruh dunia berkali-kali. Ini tentu juga bermaksud bahawa anda tidak akan dapat melihat Picoballoon anda lagi setelah melancarkannya. Itulah sebabnya anda mahu menghantar semua data yang diperlukan dan tentunya menjaga kos serendah mungkin.

Catatan: Projek ini adalah kerjasama dengan MatejHantabal. Pastikan juga melihat profilnya

AMARAN: Ini adalah projek lanjutan yang sukar dilakukan tetapi juga sangat menyeronokkan. Segala-galanya dari reka bentuk PCB hingga SMD hingga pematerian akan dijelaskan di sini. Yang mengatakan, mari kita pergi bekerja

KEMASKINI: Kami terpaksa mengeluarkan modul GPS pada saat-saat terakhir kerana penggunaan kuasa yang besar. Ia mungkin dapat diperbaiki tetapi kami tidak mempunyai masa untuk itu. Saya akan meninggalkannya dalam arahan tetapi berhati-hatilah bahawa ia tidak diuji. Anda masih boleh mendapatkan lokasi dari metadata TTN, jadi anda tidak perlu risau

Langkah 1: Prinsipnya

Jadi, semasa membina peranti seperti ini, terdapat banyak variasi dan pilihan tetapi setiap pelacak memerlukan pemancar dan bekalan kuasa. Sebilangan besar pelacak kemungkinan akan merangkumi komponen berikut:

- panel solar

- bateri (lipo atau supercapacitor)

- pemproses / mikrokontroler

- modul GPS

- sensor / suhu (suhu, kelembapan, tekanan, UV, sinaran matahari …)

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

Seperti yang anda lihat, terdapat banyak sensor dan pemancar yang boleh anda gunakan. Sensor apa yang anda gunakan bergantung kepada anda. Tidak begitu penting tetapi yang paling biasa adalah sensor suhu dan tekanan. Memilih pemancar jauh lebih sukar. Setiap teknologi mempunyai kelebihan dan kekurangan. Saya tidak akan memecahkannya di sini kerana itu akan menjadi perbincangan yang sangat panjang. Yang penting ialah saya memilih LoRaWAN dan saya fikir ia adalah yang terbaik (kerana saya belum berpeluang menguji yang lain). Saya tahu bahawa LoRaWAN mungkin mempunyai liputan terbaik. Anda boleh membetulkan saya dalam komen.

Langkah 2: Bahagian yang Diperlukan

Oleh itu, anda memerlukan perkara berikut untuk projek ini:

Adafruit Feather 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (Kami tidak menggunakan ini pada akhirnya)

Sensor suhu / kelembapan / tekanan BME280

2xSupercapacitor 4.7F 2.7V

Panel solar dengan output 5V

PCB tersuai

Sekiranya dilancarkan sendiri, anda juga memerlukan ini:

Sekurang-kurangnya 0.1m3 helium (carian: "tangki helium untuk 15 belon") yang dibeli secara tempatan

Balon foil pelekat diri Qualatex 36"

Anggaran kos projek: 80 € (hanya pelacak) / 100 € (termasuk belon dan helium)

Langkah 3: Alat yang Disyorkan

Alat ini mungkin berguna:

pelucut wayar

besi pematerian

Pateri SMD

tang

pemutar skru

pistol gam

multimeter

mikroskop

senapang udara panas

Anda juga memerlukan pes pematerian.

Langkah 4: Adafruit Feather 32U4

Kami sukar memilih mikrokontroler yang tepat untuk belon. Adafruit Feather ternyata yang terbaik untuk pekerjaan itu. Ia memenuhi semua kriteria yang diperlukan:

1) Ia mempunyai semua pin yang diperlukan: SDA / SCL, RX / TX, digital, analog

2) Ia mempunyai pemancar RFM95 LoRa.

3) Ringan. Jisimnya hanya 5.5g.

4) Ia mempunyai penggunaan kuasa yang sangat rendah semasa dalam mod tidur (hanya 30uA).

Oleh kerana itu, kami berpendapat bahawa Adafruit Feather adalah mikrokontroler terbaik untuk pekerjaan tersebut.

Langkah 5: Reka Bentuk dan Pembuatan PCB

Saya benar-benar minta maaf atas apa yang akan saya sampaikan kepada anda. Kita perlu membuat PCB khusus. Ini akan menjadi sukar dan mengecewakan, tetapi perlu, jadi mari kita mulakan. Juga, untuk memahami teks berikut dengan betul, anda harus membaca kelas reka bentuk PCB yang hebat ini oleh Instructables.

Jadi, pada mulanya anda perlu membuat skema. Saya membuat skema dan papan dalam perisian reka bentuk EAGLE PCB oleh Autodesk. Percuma, jadi muat turun!

Ini adalah kali pertama saya merancang PCB dan saya dapat memberitahu anda bahawa ini semua berkaitan dengan penggunaan antara muka Eagle. Saya merancang papan pertama saya dalam masa 6 jam, tetapi papan kedua saya mengambil masa kurang dari satu jam. Inilah hasilnya. Skema dan papan yang cukup bagus yang akan saya katakan.

Apabila anda sudah menyediakan fail papan, anda perlu membuat fail gerber dan menghantarnya ke pengeluar. Saya memesan papan saya dari jlcpcb.com tetapi anda boleh memilih pengeluar lain yang anda suka. Saya menetapkan ketebalan PCB ke 0.8mm dan bukannya 1.6mm standard kerana papan perlu ringan. Anda dapat melihat tetapan saya untuk JLC PCB dalam tangkapan skrin.

Sekiranya anda tidak mahu memuat turun Eagle, anda boleh memuat turun "Ferdinand 1.0.zip" dan memuat naiknya ke JLC PCB.

Apabila anda memesan PCB, hanya duduk dengan selesa di kerusi anda dan tunggu dua minggu untuk tiba. Maka kita boleh teruskan.

Catatan: Anda dapat melihat bahawa skema sedikit berbeza dari papan sebenarnya. Ini kerana saya perhatikan bahawa IC BME280 yang telanjang terlalu sukar untuk disolder sehingga saya mengubah skema untuk penembusan

Langkah 6: Pematerian SMD

Satu lagi pengumuman yang menyedihkan: Pematerian SMD tidaklah mudah. Sekarang betul-betul sukar. Semoga tuan ada bersamamu. Tetapi tutorial ini semestinya membantu. Anda boleh menggunakan solder menggunakan besi solder dan sumbu solder, atau solder solder dan pistol udara panas. Kaedah ini tidak mencukupi untuk saya. Tetapi anda harus menyelesaikannya dalam masa satu jam.

Letakkan komponen sama ada mengikut silkscreen pada PCB atau mengikut skema.

Langkah 7: Pematerian

Selepas pematerian SMD selesai, selebihnya kerja pematerian pada asasnya adalah sekeping kek. Hampir. Anda mungkin pernah menyolder sebelum ini dan saya harap anda mahu menyolder lagi. Anda hanya perlu memasangkan Adafruit Feather, antena, panel solar dan superkapasitor. Cukup jelas saya akan katakan.

Letakkan komponen sama ada mengikut silkscreen pada PCB atau mengikut skema.

Langkah 8: Penjejak Lengkap

Beginilah rupa pelacak lengkap. Pelik. Bagus. Menarik. Itulah kata-kata yang segera muncul di fikiran saya. Sekarang anda hanya perlu memuat turun kod dan menguji apakah ia berfungsi.

Langkah 9: Persediaan TTN

Rangkaian Perkara adalah rangkaian LoRaWAN komuniti berpusat di bandar global. Dengan lebih daripada 6887 pintu masuk (penerima) dan beroperasi, ia merupakan rangkaian IoT global terbesar di dunia. Ia menggunakan protokol komunikasi LoRa (Long Range) yang pada umumnya pada frekuensi 868 (Eropah, Rusia) atau pada 915MHz (AS, India). Ia paling banyak digunakan oleh peranti IoT yang menghantar pesanan ringkas di bandar. Anda hanya boleh menghantar hingga 51 bait, tetapi jaraknya antara 2km hingga 15km dengan mudah. Itu sangat sesuai untuk sensor sederhana atau peranti IoT lain. Dan yang terbaik, percuma.

Sekarang, 2-15 tentu saja tidak mencukupi, tetapi jika anda sampai ke tempat yang lebih tinggi, anda seharusnya mempunyai hubungan yang lebih baik. Dan belon kami akan sangat tinggi. Pada jarak 10km di atas paras laut, kita seharusnya mendapat sambungan dari 100km. Seorang rakan melancarkan HAB dengan LoRa 31km di udara dan dia berada sejauh 450km. Jadi, itu cukup masuk akal.

Menyiapkan TTN semestinya mudah. Anda hanya perlu membuat akaun dengan e-mel anda dan kemudian anda perlu mendaftarkan peranti tersebut. Pada mulanya, anda mesti membuat aplikasi. Aplikasi adalah halaman utama projek. Dari sini anda boleh menukar kod penyahkod, melihat data masuk dan menambah / mengeluarkan peranti. Pilih sahaja nama dan anda sudah bersedia untuk pergi. Setelah selesai, anda perlu mendaftarkan peranti dalam aplikasi. Anda perlu memasukkan alamat MAC Adafruit Feather (dengan Feather di dalam bungkusan). Kemudian anda harus menetapkan kaedah pengaktifan ke ABP dan anda harus mematikan pemeriksaan kaunter bingkai. Peranti anda kini harus didaftarkan dalam aplikasi. Salin Alamat Peranti, Kunci Sesi Rangkaian dan kunci Sesi Aplikasi. Anda memerlukannya pada langkah seterusnya.

Untuk penjelasan yang lebih baik, lawati tutorial ini.

Langkah 10: Pengekodan

Adafruit Feather 32U4 mempunyai pemproses AVm ATmega32U4. Ini bermaksud bahawa ia tidak mempunyai cip yang terpisah untuk komunikasi USB (seperti Arduino UNO), cip tersebut disertakan dalam pemproses. Ini bermakna bahawa memuat naik ke Adafruit Feather sedikit lebih sukar dibandingkan dengan papan Arduino biasa, tetapi ia berfungsi dengan Arduino IDE jadi jika anda mengikuti tutorial ini semestinya baik.

Setelah anda menyiapkan Arduino IDE dan berjaya memuat naik lakaran "berkedip" anda boleh beralih ke kod sebenar. Muat turun "LoRa_Test.ino". Tukar Alamat Peranti, Kunci Sesi Rangkaian dan kunci Sesi Aplikasi dengan sewajarnya. Muat naik lakaran. Pergi ke luar. Arahkan antena ke pusat bandar atau ke arah pintu masuk terdekat. Anda kini harus melihat data muncul di konsol TTN. Sekiranya tidak, komen di bawah. Saya tidak mahu meletakkan semua yang mungkin berlaku di sini, saya tidak tahu sama ada pelayan Instructables dapat menangani sebilangan besar teks.

Melangkah terus. Sekiranya lakaran sebelumnya berfungsi, anda boleh memuat turun "Ferdinand_1.0.ino" dan mengubah perkara yang sepatutnya anda ubah dalam lakaran sebelumnya. Sekarang uji lagi.

Sekiranya anda mendapat beberapa data HEX rawak pada konsol TTN, jangan risau, ia sepatutnya dilakukan. Semua nilai dikodkan dalam HEX. Anda memerlukan kod penyahkod yang berbeza. Muat turun "decoder.txt". Salin kandungannya. Sekarang pergi ke konsol TTN. Pergi ke aplikasi / format muatan / penyahkod anda. Sekarang keluarkan kod penyahkod yang asal dan tampal di kod anda. Anda sekarang mesti melihat semua bacaan di sana.

Langkah 11: Menguji

Sekarang ini adalah bahagian terpanjang dalam projek ini. Ujian. Menguji dalam semua jenis keadaan. Dalam keadaan panas terik, tekanan dan dengan cahaya yang kuat (atau di luar cahaya matahari) untuk meniru keadaan di sana. Ini perlu sekurang-kurangnya seminggu sehingga tidak ada kejutan dari segi tingkah laku pelacak. Tetapi itu adalah dunia yang ideal dan kami tidak mempunyai masa kerana pelacak itu dibina untuk pertandingan. Kami melakukan beberapa perubahan saat terakhir (secara harfiah seperti 40 minit sebelum pelancaran) jadi kami tidak tahu apa yang diharapkan. Itu tidak bagus. Tetapi anda tahu, kami masih memenangi pertandingan.

Anda mungkin perlu melakukan bahagian ini di luar kerana matahari tidak bersinar di dalam dan kerana LoRa tidak akan mendapat sambutan terbaik di pejabat anda.

Langkah 12: Beberapa Rumusan Funky

Picoballoon sangat sensitif. Anda tidak boleh mengisi dengan helium dan melancarkannya. Mereka memang tidak suka. Biar saya jelaskan. Sekiranya daya apung terlalu rendah, belon tidak akan naik (jelas). TETAPI, dan ini adalah tangkapan, jika daya apung terlalu tinggi, belon akan terbang terlalu tinggi, daya pada belon akan terlalu besar dan akan muncul dan jatuh di tanah. Itulah sebab utama mengapa anda benar-benar mahu melakukan pengiraan ini.

Sekiranya anda mengetahui fizik sedikit, anda tidak seharusnya menghadapi masalah memahami formula di atas. Terdapat beberapa pemboleh ubah yang perlu anda masukkan ke dalam formula. Ini termasuk: mengisi pemalar gas, suhu termodinamik, tekanan, jisim probe dan jisim belon. Sekiranya anda mengikuti tutorial ini dan menggunakan belon yang sama (Qualatex microfoil 36 ) dan gas pengisian yang sama (helium) satu-satunya perkara yang sebenarnya akan berbeza adalah jisim probe.

Rumusan ini kemudian memberi anda: jumlah helium yang diperlukan untuk mengisi balon, kelajuan saat balon naik, ketinggian di mana belon terbang dan juga berat angkat bebas. Ini semua adalah nilai yang sangat berguna. Kelajuan meningkat adalah penting agar belon tidak melanda halangan kerana terlalu perlahan dan sangat senang mengetahui seberapa tinggi belon akan terbang. Tetapi yang paling penting dari mereka mungkin adalah lif percuma. Lif percuma diperlukan semasa anda akan mengisi belon pada langkah 14.

Terima kasih kepada TomasTT7 atas pertolongan dengan formula. Lihat blognya di sini.

Langkah 13: Risiko

Jadi, penjejak anda berfungsi. Kotoran yang anda kerjakan selama dua bulan sebenarnya berkesan! Selamat bertunang.

Oleh itu, mari kita kaji risiko yang boleh dihadapi oleh anak siasatan anda:

1) Tidak akan cukup cahaya matahari yang memukul panel suria. Kapasitor super akan habis. Siasatan akan berhenti berfungsi.

2) Penyelidikan akan berada di luar jangkauan dan data tidak akan diterima.

3) Hembusan angin yang kuat akan menghancurkan probe.

4) Probe akan melalui ribut semasa pendakian dan hujan akan memendekkan litar.

5) Lapisan ais akan terbentuk di panel solar. Kapasitor super akan habis. Siasatan akan berhenti berfungsi.

6) Sebahagian daripada probe akan pecah di bawah tekanan mekanikal.

7) Sebahagian daripada probe akan pecah dalam keadaan panas dan tekanan yang melampau.

8) Muatan elektrostatik akan terbentuk antara belon dan udara yang membentuk percikan api, yang akan merosakkan probe.

9) Probe akan terkena kilat.

10) Probe akan terkena kapal terbang.

11) Penyelidik akan terkena burung.

12) Alien akan merampas siasatan anda. Boleh berlaku terutama jika belon berada di atas kawasan 51.

Langkah 14: Lancarkan

Jadi, itu sahaja. Ini adalah hari-hari dan anda akan melancarkan picoballoon kesayangan anda. Selalu baik mengetahui kawasan dan semua rintangan yang mungkin berlaku. Anda juga mesti mengawasi cuaca (terutamanya kelajuan dan arah angin) sentiasa. Dengan cara itu, anda meminimumkan kemungkinan peralatan bernilai 100 € dan 2 bulan masa anda memukul pokok atau ke dinding. Itu akan menyedihkan.

Masukkan paip ke dalam belon. Ikat belon ke sesuatu yang berat dengan nilon. Letakkan benda berat pada skala. Tetapkan semula skala. Pasang hujung paip yang lain di tangki helium anda. Mulakan perlahan-lahan membuka injap. Anda sekarang mesti melihat nombor negatif pada skala. Sekarang adalah masa untuk menggunakan nilai angkat bebas yang anda hitung pada langkah 12. Matikan injap apabila nombor negatif mencapai jisim belon + angkat bebas. Dalam kes saya ialah 15g + 2.4g jadi saya mematikan injap tepat -17.4g pada skala. Tanggalkan paip. Belon itu dilekatkan sendiri, ia mesti ditutup secara automatik. Lepaskan benda berat dan gantikan dengan probe. Anda kini bersedia untuk dilancarkan.

Lihat sahaja video untuk semua butirannya.

Langkah 15: Menerima Data

Ohh, saya teringat perasaan yang kami lalui selepas pelancaran. Tekanan, kekecewaan, banyak hormon. Adakah ia akan berfungsi? Adakah kerja kita tidak akan sia-sia? Adakah kita hanya menghabiskan banyak wang untuk sesuatu yang tidak berfungsi? Ini adalah jenis soalan yang kami ajukan kepada kami sendiri selepas pelancaran.

Nasib baik, siasatan itu bertindak balas kira-kira 20 minit selepas pelancaran. Dan kemudian kami menerima sebungkus setiap 10 minit. Kami terputus hubungan dengan siasatan pada 17:51:09 GMT. Ia mungkin lebih baik, tetapi masih baik-baik saja.

Langkah 16: Rancangan Lanjut

Ini adalah salah satu projek kami yang paling sukar dikemas kini. Tidak semuanya sempurna tetapi tidak mengapa, selalu seperti itu. Ia masih sangat berjaya. Penjejak itu berfungsi dengan sempurna. Ia boleh melakukannya lebih lama tetapi itu tidak menjadi masalah. Dan, kami menduduki tempat kedua dalam pertandingan Picoballoon. Sekarang anda mungkin mengatakan bahawa menjadi yang kedua dalam pertandingan dengan 17 orang tidak begitu berjaya TETAPI perlu diingat bahawa ini adalah pertandingan kejuruteraan / pembinaan dewasa. Kami berumur 14 tahun. Yang kami sertai adalah orang dewasa dengan kejuruteraan dan mungkin juga latar belakang aeroangkasa dan dengan lebih banyak pengalaman. Jadi, secara keseluruhan, saya akan mengatakan bahawa ia adalah kejayaan besar. Kami mendapat 200 €, yang lebih kurang dua kali ganda daripada perbelanjaan kami.

Saya pasti akan membina versi 2.0. Ia akan menjadi jauh lebih baik, dengan komponen yang lebih kecil (pemproses barebone, RFM95) dan akan lebih dipercayai sehingga nantikan petunjuk selanjutnya.

Matlamat utama kami sekarang adalah memenangi peraduan Epilog X. Fellow pembuat, jika anda menyukai arahan ini, pertimbangkan untuk memilihnya. Ini sangat membantu kita. Terima kasih banyak!

Naib Johan dalam Peraduan Epilog X