Ako urobiť pikobalón: 16 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

Čo je to pikobalón a prečo by som ho chcel stavať ?! Počul som, že sa pýtaš. Nechaj ma vysvetliť. Všetci asi viete, čo je HAB (High Altitude Balloon). Je to kopa podivných vecí elektroniky spojených s balónom. Tu na Instructables je strašne veľa návodov na HAB.

ALE, a to je veľmi veľké ALE, čo vám v tutoriále väčšinou nepovedia, sú náklady na plniaci plyn. Teraz môžete postaviť slušný sledovač HAB do 50 EUR, ale ak váži 200 g (čo je celkom optimistický odhad pri batériách, kamerách atď.), Hélium na naplnenie balónika vás môže stáť 200 EUR alebo viac, čo je príliš veľa pre mnohých výrobcov, ako som ja.

Ako teda môžete uhádnuť, pikobalóny tento problém riešia tým, že nie sú objemné a ťažké. Picoballoon je len slovo pre ľahký HAB. Svetlo, čo mám rozumieť pod svetlom? Pikobalóny sú vo všeobecnosti ľahšie ako 20 g. Teraz si predstavte, že procesor, vysielač, PCB, GPS, antény, solárny panel a tiež batéria s hmotnosťou rovnakou ako jednorazová šálka kávy alebo lyžica. Nie je to len šialené?

Ďalším dôvodom (okrem nákladov), prečo by ste to chceli postaviť, je jeho dosah a vytrvalosť. Klasický HAB môže lietať až 4 hodiny a cestovať až 200 km. Picoballoon na druhej strane môže lietať až niekoľko mesiacov a cestovať až desaťtisíce kilometrov. Jeden poľský chlapík dostal svoj pikobalón, aby niekoľkokrát obletel zemeguľu. To samozrejme tiež znamená, že svoj Picoballoon po spustení už neuvidíte. Preto chcete prenášať všetky potrebné údaje a samozrejme udržať náklady čo najnižšie.

Poznámka: Tento projekt je spoluprácou s Matejom Hantabalom. Nezabudnite sa pozrieť aj na jeho profil

UPOZORNENIE: Jedná sa o ťažko vykonateľný pokročilý, ale zároveň veľmi zábavný projekt. Tu bude vysvetlené všetko od návrhu DPS cez SMD po spájkovanie. To znamená, že sa pustíme do práce

AKTUALIZÁCIA: Modul GPS sme museli na poslednú chvíľu odstrániť kvôli jeho veľkej spotrebe energie. Pravdepodobne sa to dá opraviť, ale nemali sme na to čas. Nechám to v pokynoch, ale dajte si pozor, aby boli nevyskúšané. Polohu môžete stále získať z metadát TTN, takže by ste si s tým nemali robiť starosti

Krok 1: Princíp

Pri stavbe takéhoto zariadenia existuje veľa variácií a možností, ale každý sledovač potrebuje vysielač a napájanie. Väčšina sledovačov bude pravdepodobne obsahovať tieto komponenty:

- solárny panel

- batéria (lipo alebo superkondenzátor)

- procesor/mikrokontrolér

- modul GPS

- senzor/s (teplota, vlhkosť, tlak, UV, slnečné žiarenie …)

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

Ako vidíte, existuje veľa senzorov a vysielačov, ktoré môžete použiť. Aké senzory použijete, je na vás. Na tom nezáleží, ale najbežnejšie sú snímače teploty a tlaku. Výber vysielača je však oveľa ťažší. Každá technológia má svoje pre a proti. Nebudem to tu rozpisovať, pretože by to bola veľmi dlhá diskusia. Dôležité je, že som si vybral LoRaWAN a myslím si, že je najlepší (pretože ostatné som ešte nemal možnosť otestovať). Viem však, že LoRaWAN má pravdepodobne najlepšie pokrytie. Môžete ma opraviť v komentároch.

Krok 2: Potrebné diely

Na tento projekt teda budete potrebovať tieto veci:

Adafruit Feather 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (Toto sme nakoniec nepoužili)

Snímač teploty/vlhkosti/tlaku BME280

2x superkondenzátor 4,7F 2,7V

Solárny panel s výkonom 5V

Vlastné DPS

Ak spúšťate sami, potrebujete tiež toto:

Miestne bolo kúpených najmenej 0,1 m3 hélia (hľadajte: „héliová nádrž na 15 balónov“)

36-palcový samolepiaci balónik Qualatex

Odhadované náklady na projekt: 80 EUR (iba sledovač) / 100 EUR (vrátane balónika a hélia)

Krok 3: Odporúčané nástroje

Tieto nástroje môžu byť užitočné:

odizolovač drôtov

spájkovačka

Spájkovačka SMD

kliešte

skrutkovače

lepiaca pištoľ

multimeter

mikroskop

teplovzdušná pištoľ

Budete tiež potrebovať spájkovaciu pastu.

Krok 4: Adafruit Feather 32U4

Ťažko sme vyberali správny mikrokontrolér pre balón. Perie Adafruit dopadlo pre túto prácu najlepšie. Spĺňa všetky požadované kritériá:

1) Má všetky potrebné piny: SDA/SCL, RX/TX, digitálne, analógové

2) Má vysielač RFM95 LoRa.

3) Je ľahký. Jeho hmotnosť je iba 5,5 g.

4) V režime spánku (iba 30uA) má veľmi nízku spotrebu energie.

Z tohto dôvodu si myslíme, že Adafruit Feather je najlepší mikrokontrolér pre túto prácu.

Krok 5: Návrh a výroba DPS

Je mi ľúto, čo vám poviem. Budeme potrebovať vyrobiť vlastnú DPS. Bude to ťažké a frustrujúce, ale je to nevyhnutné, tak začnime. Aby ste správne pochopili nasledujúci text, mali by ste si prečítať túto úžasnú triedu dizajnu DPS podľa pokynov.

Najprv teda budete musieť urobiť schému. Schému aj dosku som vyrobil v dizajnovom softvéri EAGLE PCB od spoločnosti Autodesk. Je to zadarmo, tak si to stiahnite!

Bol to môj prvý návrh PCB a môžem vám povedať, že je to všetko o zavesení rozhrania Eagle. Prvú dosku som navrhol za 6 hodín, ale druhá doska mi trvala menej ako hodinu. Tu je výsledok. Celkom pekná schéma a doska, povedal by som.

Keď máte súbor dosky pripravený, musíte vytvoriť súbory Gerber a odoslať ich výrobcovi. Objednal som si svoje dosky z jlcpcb.com, ale môžete si vybrať akéhokoľvek iného výrobcu, ktorý sa vám páči. Hrúbku DPS som nastavil na 0,8 mm namiesto štandardných 1,6 mm, pretože doska musí byť ľahká. Moje nastavenia pre JLC PCB môžete vidieť na obrázku.

Ak si nechcete stiahnuť Eagle, stačí stiahnuť „Ferdinand 1.0.zip“a nahrať ho do JLC PCB.

Keď si objednáte dosky plošných spojov, pohodlne sa posaďte do kresla a počkajte dva týždne, kým dorazia. Potom môžeme pokračovať.

Poznámka: Môžete si všimnúť, že schéma je trochu odlišná od skutočnej dosky. Pretože som si všimol, že holý BME280 IC je príliš ťažko spájkovateľný, a tak som zmenil schému na prestávku

Krok 6: spájkovanie SMD

Ďalší smutný oznam: spájkovanie SMD nie je jednoduché. Teraz je to naozaj ťažké. Nech je pán s vami. Ale tento návod by mal pomôcť. Môžete spájkovať buď pomocou spájkovačky a spájkovacieho knôtu, alebo spájkovacej pasty a teplovzdušnej pištole. Žiadna z týchto metód nebola pre mňa dostatočne pohodlná. Mali by ste to však urobiť do hodiny.

Umiestnite komponenty buď podľa sieťotlače na dosku plošných spojov, alebo podľa schémy.

Krok 7: Spájkovanie

Potom, čo je spájkovanie SMD hotové, je zvyšok spájkovacej práce v podstate hračka. Skoro. Pravdepodobne ste už spájkovali a dúfam, že budete chcieť spájkovať znova. Stačí spájkovať perie Adafruit, antény, solárny panel a superkondenzátory. Celkom jednoduché, povedal by som.

Umiestnite komponenty buď podľa sieťotlače na dosku plošných spojov, alebo podľa schémy.

Krok 8: Dokončite Tracker

Takto by mal vyzerať kompletný tracker. Čudné. Pekný. Zaujímavé. To sú slová, ktoré mi hneď napadnú. Teraz stačí blikať kód a vyskúšať, či funguje.

Krok 9: Nastavenie TTN

The Things Network je globálna komunitná sieť LoRaWAN zameraná na mesto. S viac ako 6887 bránami (prijímačmi) v prevádzke je to najväčšia globálna sieť IoT na svete. Používa komunikačný protokol LoRa (dlhý dosah), ktorý je spravidla dostupný na frekvenciách 868 (Európa, Rusko) alebo 915 MHz (USA, India). Najrozšírenejšie ho používajú zariadenia IoT na odosielanie krátkych správ v mestách. Môžete odoslať iba 51 bajtov, ale môžete ľahko dosiahnuť rozsah od 2 km do 15 km. To je ideálne pre jednoduché senzory alebo iné zariadenia IoT. A čo je najlepšie, je zadarmo.

Teraz 2-15 určite nestačí, ale ak sa dostanete na vyššie poschodie, mali by ste mať lepšie spojenie. A náš balón bude veľmi vysoký. V 10 km nad morskou hladinou by sme mali dostať spojenie zo 100 km. Priateľ spustil HAB s LoRa 31 km do vzduchu a dostal ping vzdialený 450 km. To je teda celkom rozumné.

Nastavenie TTN by malo byť jednoduché. Stačí si vytvoriť účet pomocou e -mailu a potom zariadenie zaregistrovať. Najprv musíte vytvoriť aplikáciu. Domovskou stránkou celého projektu je aplikácia. Tu môžete meniť kód dekodéra, zobrazovať prichádzajúce údaje a pridávať/odoberať zariadenia. Stačí si vybrať meno a môžete vyraziť. Keď to urobíte, budete musieť zariadenie zaregistrovať v aplikácii. Musíte zadať adresu MAC pera Adafruit (s perím v balení). Potom by ste mali nastaviť spôsob aktivácie na ABP a vypnúť kontroly počítadla rámcov. Vaše zariadenie by teraz malo byť zaregistrované v aplikácii. Skopírujte adresu zariadenia, kľúč sieťovej relácie a kľúč relácie aplikácie. Budete ich potrebovať v nasledujúcom kroku.

Ak chcete zdravšie vysvetlenie, navštívte tento návod.

Krok 10: Kódovanie

Adafruit Feather 32U4 má procesor ATmega32U4 AVR. To znamená, že nemá samostatný čip na komunikáciu USB (ako Arduino UNO), čip je súčasťou procesora. To znamená, že nahrávanie na Adafruit Feather môže byť o niečo ťažšie v porovnaní s typickou doskou Arduino, ale funguje to s Arduino IDE, takže ak budete postupovať podľa tohto tutoriálu, malo by to byť v poriadku.

Potom, čo ste nastavili Arduino IDE a úspešne nahrali náčrt „blikania“, môžete prejsť na skutočný kód. Stiahnite si „LoRa_Test.ino“. Zmeňte zodpovedajúcim spôsobom adresu zariadenia, kľúč sieťovej relácie a kľúč relácie aplikácie. Nahrajte náčrt. Ísť von. Namierte anténu do centra mesta alebo v smere najbližšej brány. Teraz by ste mali vidieť vyskakujúce údaje na konzole TTN. Ak nie, komentujte nižšie. Nechcem tu dávať všetko, čo sa mohlo stať, neviem, či server Instructables zvládol také množstvo textu.

Pohybujúce sa na. Ak predchádzajúci náčrt funguje, môžete si stiahnuť „Ferdinand_1.0.ino“a zmeniť veci, ktoré ste v predchádzajúcom náčrte mali zmeniť. Teraz to vyskúšajte znova.

Ak dostávate na konzolu TTN nejaké náhodné údaje HEX, nebojte sa, má to urobiť. Všetky hodnoty sú zakódované v HEX. Budete potrebovať iný kód dekodéra. Stiahnite si súbor „decoder.txt“. Skopírujte jeho obsah. Teraz prejdite na konzolu TTN. Prejdite na svoju aplikáciu/formáty užitočného zaťaženia/dekodér. Teraz odstráňte pôvodný kód dekodéra a vložte ho do svojho. Teraz by ste tam mali vidieť všetky hodnoty.

Krok 11: Testovanie

Teraz by to mala byť najdlhšia časť projektu. Testovanie. Testovanie vo všetkých druhoch podmienok. V extrémnych horúčavách, strese a so silným svetlom (alebo vonku na slnku) napodobňujte tamojšie podmienky. Malo by to trvať najmenej týždeň, aby nedošlo k žiadnym prekvapeniam, pokiaľ ide o správanie sledovača. Ale to je ideálny svet a nemali sme na to čas, pretože tracker bol postavený na súťaž. Vykonali sme niekoľko zmien na poslednú chvíľu (doslova ako 40 minút pred spustením), takže sme nevedeli, čo očakávať. To nie je dobré. Ale viete, súťaž sme stále vyhrali.

Túto časť budete pravdepodobne musieť urobiť vonku, pretože vnútri nesvieti slnko a pretože LoRa nebude mať vo vašej kancelárii najlepší príjem.

Krok 12: Niektoré zábavné vzorce

Pikobalóny sú veľmi citlivé. Nemôžete ich len naplniť héliom a spustiť. To sa im naozaj nepáči. Nechaj ma vysvetliť. Ak je vztlaková sila príliš nízka, balón sa nezdvihne (samozrejme). ALE, a to je háčik, ak je vztlaková sila príliš vysoká, balón bude lietať príliš vysoko, sily na balóne budú príliš veľké a vyskočí a spadne na zem. To je hlavný dôvod, prečo chcete tieto výpočty skutočne vykonať.

Ak trochu ovládate fyziku, nemal by vám robiť problém porozumieť vyššie uvedeným vzorcom. Existuje niekoľko premenných, ktoré musíte zadať do vzorca. To zahŕňa: konštantu plniaceho plynu, termodynamickú teplotu, tlak, hmotnosť sondy a hmotnosť balóna. Ak sa budete riadiť týmto návodom a použijete ten istý balón (Qualatex microfoil 36 ) a rovnaký plniaci plyn (hélium), jediná vec, ktorá sa bude v skutočnosti líšiť, je hmotnosť sondy.

Tieto vzorce by vám potom mali poskytnúť: objem hélia potrebný na naplnenie balóna, rýchlosť, ktorou balón stúpa, nadmorskú výšku, v ktorej balón letí, a tiež hmotnosť voľného zdvihu. To všetko sú veľmi užitočné hodnoty. Rastúca rýchlosť je dôležitá, aby balón nenarážal na prekážky, pretože je príliš pomalý a je naozaj pekné vedieť, ako vysoko balón vyletí. Najdôležitejším z nich je však zrejme voľný výťah. Voľný zdvih je potrebný, keď budete plniť balónik v kroku 14.

Ďakujem TomasTT7 za pomoc so vzorcami. Pozrite sa na jeho blog tu.

Krok 13: Riziká

Takže váš sledovač funguje. Tie sračky, na ktorých ste pracovali dva mesiace, skutočne fungujú! Gratulujem

Poďme sa teda pozrieť na to, s akými rizikami sa môže vaše dieťa zo sondy stretnúť vo vzduchu:

1) Na solárny panel nebude zasahovať dostatok slnečného svetla. Superkondenzátory sa vybijú. Sonda prestane fungovať.

2) Sonda sa dostane mimo rozsah a nebudú prijaté žiadne údaje.

3) Silné nárazy vetra sondu zničia.

4) Sonda prejde počas výstupu búrkou a dážď skratuje okruh.

5) Na solárnom paneli sa vytvorí ľadový povlak. Superkondenzátory sa vybijú. Sonda prestane fungovať.

6) Časť sondy sa pri mechanickom namáhaní zlomí.

7) Časť sondy sa zlomí v extrémnych podmienkach tepla a tlaku.

8) Medzi balónom a vzduchom sa vytvorí elektrostatický náboj, ktorý tvorí iskru, ktorá poškodí sondu.

9) Sonda bude zasiahnutá bleskom.

10) Sondu zasiahne lietadlo.

11) Sondu zasiahne vták.

12) Mimozemšťania unesú vašu sondu. Môže sa to stať najmä vtedy, ak bude balón nad oblasťou 51.

Krok 14: Spustite

Takže to je všetko. Je deň D a vy spustíte svoj milovaný pikobalón. Vždy je dobré poznať terén a všetky možné prekážky. Tiež musíte neustále monitorovať počasie (hlavne rýchlosť a smer vetra). Tak minimalizujete šance, že vaše zariadenie v hodnote 100 € a 2 mesiace vášho času narazia do stromu alebo do steny. To by bolo smutné.

Vložte rúrku do balónika. Pripevnite balónik k niečomu ťažkému pomocou nylonu. Dajte ťažkú vec na váhu. Resetujte váhu. Zaistite druhý koniec potrubia na héliovej nádrži. Začnite pomaly otvárať ventil. Teraz by ste na stupnici mali vidieť záporné čísla. Teraz je čas použiť hodnotu voľného zdvihu, ktorú ste vypočítali v kroku 12. Vypnite ventil, keď záporné číslo dosiahne hmotnosť balónika + voľný zdvih. V mojom prípade to bolo 15 g + 2,4 g, takže som zatvoril ventil presne na -17,4 g na váhe. Odstráňte potrubie. Balón je samotesniaci, mal by sa automaticky zataviť. Odviažte ťažký predmet a nahraďte ho sondou. Teraz ste pripravení začať.

Všetky podrobnosti nájdete vo videu.

Krok 15: Príjem údajov

Ach, pamätám si ten pocit, ktorý sme mali po štarte. Stres, frustrácia, veľa hormónov. Bude to fungovať? Bude naša práca bezcenná? Minuli sme práve toľko peňazí na niečo, čo nefunguje? Toto sú otázky, ktoré sme si po uvedení kládli.

Našťastie sonda reagovala asi 20 minút po štarte. A potom sme dostali balíček každých 10 minút. O 17:51:09 GMT sme stratili kontakt so sondou. Mohlo to byť lepšie, ale stále je to v poriadku.

Krok 16: Ďalšie plány

Bol to jeden z našich doteraz najťažších projektov. Nie všetko bolo dokonalé, ale to je v poriadku, vždy je to tak. Stále to bolo veľmi úspešné. Tracker fungoval bezchybne. Mohlo to fungovať oveľa dlhšie, ale to nevadí. A skončili sme druhí v súťaži Picoballoon. Teraz by ste mohli povedať, že byť druhým v súťaži so 17 ľuďmi nie je taký úspech, ALE nezabúdajte, že toto je súťaž inžinierstva/staviteľstva pre dospelých. Máme 14 rokov. Tí, s ktorými sme súťažili, boli dospelí s inžinierskym a možno dokonca leteckým pozadím a s oveľa viac skúsenosťami. Takže áno, celkovo by som povedal, že to bol veľký úspech. Dostali sme 200 €, čo bolo približne dvojnásobok našich výdavkov.

Určite sa chystám postaviť verziu 2.0. Bude to oveľa lepšie, s menšími komponentmi (barebone procesor, RFM95) a bude to spoľahlivejšie, takže zostaňte naladení na ďalšie pokyny.

Našim hlavným cieľom je teraz vyhrať súťaž Epilog X. Kolegovia tvorcovia, ak sa vám tento pokyn páčil, zvážte jeho hlasovanie. Naozaj by nám to pomohlo. Dakujem velmi pekne!

Druhé miesto v súťaži Epilog X