Как да си направим пикобалон: 16 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:52

Какво е пикобалон и защо бих искал да го изградя ?! Чувам да питаш. Нека обясня. Вероятно всички знаете какво е HAB (балон с висока надморска височина). Това е куп странни неща за електрониката, свързани с балон. Има толкова много уроци относно HABs тук на Instructables.

НО и това е много голямо НО това, което не ви казват най -често в урока, е цената на пълнещия газ. Сега можете да изградите приличен HAB тракер под 50 €, но ако тежи 200 g (което е доста оптимистично предположение с батериите, камерите и т.н.), хелият за пълнене на балона може да ви струва 200 € или повече, което е просто твърде много за много производители като мен.

Така че, както можете да се досетите, пикабалоните решават този проблем просто като не са обемисти и тежки. Picoballoon е просто дума за лек HAB. Светлина, какво имам предвид под светлина? Като цяло пикабалоните са по -леки от 20 g. Сега си представете, че процесор, предавател, печатна платка, GPS, антени, слънчев панел, а също и батерия с маса, същата като чаша за кафе за еднократна употреба или лъжица. Това не е ли просто лудост?

Друга причина (освен цената), поради която бихте искали да изградите това, е нейният обхват и издръжливост. Класическият HAB може да лети до 4 часа и да пътува до 200 км. Пикобалон, от друга страна, може да лети до няколко месеца и да пътува до десетки хиляди километри. Един поляк накара своя пикобалон да лети около света няколко пъти. Това, разбира се, също означава, че никога повече няма да видите своя Picoballoon след стартирането му. Ето защо искате да предадете всички необходими данни и разбира се да поддържате разходите възможно най -ниски.

Забележка: Този проект е сътрудничество с MatejHantabal. Не забравяйте да разгледате и неговия профил

ВНИМАНИЕ: Това е трудно за изпълнение напреднало ниво, но и много забавен проект. Всичко от дизайна на печатни платки до SMD до запояване ще бъде обяснено тук. Това каза, нека да се захващаме за работа

АКТУАЛИЗАЦИЯ: Трябваше да премахнем GPS модула в последната минута поради голямата му консумация на енергия. Вероятно може да се поправи, но нямахме време за това. Ще го оставя в инструкциите, но внимавайте да не е тестван. Все още можете да получите местоположение от метаданните на TTN, така че не трябва да се притеснявате за това

Стъпка 1: Принципът

Така че, когато изграждате такова устройство, има много вариации и избор, но всеки тракер се нуждае от предавател и захранване. Повечето от тракерите вероятно ще включват следните компоненти:

- слънчев панел

- батерия (липо или суперкондензатор)

- процесор/микроконтролер

- GPS модул

- сензор/и (температура, влажност, налягане, UV, слънчева радиация …)

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

Както можете да видите, можете да използвате много сензори и предаватели. Какви сензори ще използвате зависи от вас. Всъщност няма значение, но най -често срещаните са сензорите за температура и налягане. Изборът на предавател обаче е много по -труден. Всяка технология има някои плюсове и минуси. Няма да го разбирам тук, защото това ще бъде много дълга дискусия. Важното е, че избрах LoRaWAN и смятам, че е най -добрият (защото все още нямах възможност да тествам другите). Знам, че LoRaWAN има може би най -доброто покритие. Можете да ме поправите в коментарите.

Стъпка 2: Необходими части

Така че за този проект ще ви трябват следните неща:

Адафрутно перо 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (Не го използвахме в края)

BME280 сензор за температура/влажност/налягане

2xСуперкондензатор 4.7F 2.7V

Слънчев панел с изход 5V

Персонализирани печатни платки

Ако стартирате сами, имате нужда и от това:

Най -малко 0,1m3 хелий (търсене: "хелиев резервоар за 15 балона"), закупен на местно ниво

Qualatex 36 самозатварящ се балон от фолио

Прогнозна цена на проекта: 80 € (само тракерът) / 100 € (включително балон и хелий)

Стъпка 3: Препоръчителни инструменти

Тези инструменти могат да ви бъдат полезни:

машина за сваляне на тел

поялник

SMD поялник

клещи

отвертки

пистолет за лепило

мултиметър

микроскоп

пистолет с горещ въздух

Ще ви трябва и паста за запояване.

Стъпка 4: Adafruit Feather 32U4

Изпитахме трудности при избора на подходящия микроконтролер за балона. Адафрутовото перо се оказа най -доброто за работата. Той отговаря на всички необходими критерии:

1) Той има всички необходими пинове: SDA/SCL, RX/TX, цифров, аналогов

2) Той има RFM95 LoRa предавател.

3) Той е лек. Теглото му е само 5,5 g.

4) Той има много ниска консумация на енергия, докато е в режим на заспиване (само 30uA).

Поради това смятаме, че Adafruit Feather е най -добрият микроконтролер за тази работа.

Стъпка 5: Проектиране и производство на печатни платки

Искрено съжалявам за това, което ще ви кажа. Ще трябва да направим персонализирана печатна платка. Ще бъде трудно и разочароващо, но е необходимо, така че нека започнем. Също така, за да разберете правилно следния текст, трябва да прочетете този страхотен клас по дизайн на печатни платки от Instructables.

Така че, първо ще трябва да направите схема. Направих както схемата, така и платката в софтуера за проектиране на EAGLE PCB от Autodesk. Безплатно е, затова го изтеглете!

За първи път проектирах печатна платка и мога да ви кажа, че всичко е свързано с привикването на интерфейса на Eagle. Проектирах първата си дъска за 6 часа, но втората ми дъска ми отне по -малко от час. Ето резултата. Доста хубава схема и дъска бих казал.

Когато имате готовия файл на дъската, трябва да създадете гербер файлове и да ги изпратите на производителя. Поръчах дъските си от jlcpcb.com, но можете да изберете всеки друг производител, който харесвате. Зададох дебелината на печатната платка на 0,8 мм вместо стандартната 1,6 мм, защото дъската трябва да е лека. Можете да видите моите настройки за JLC PCB на екрана.

Ако не искате да изтеглите Eagle, можете просто да изтеглите „Ferdinand 1.0.zip“и да го качите на JLC PCB.

Когато поръчвате печатни платки, просто седнете удобно на стола си и изчакайте две седмици да пристигнат. Тогава можем да продължим.

Забележка: Можете да забележите, че схемата е малко по -различна от действителната платка. Това е така, защото забелязах, че голият BME280 IC е твърде труден за запояване, така че промених схемата за пробив

Стъпка 6: SMD запояване

Друго тъжно съобщение: SMD запояването не е лесно. Сега наистина е тежко. Господ да е с вас. Но този урок трябва да помогне. Можете да запоявате или с помощта на поялник и фитил за запояване, или паста за запояване и пистолет с горещ въздух. Нито един от тези методи не беше достатъчно удобен за мен. Но трябва да го направите в рамките на един час.

Поставете компонентите или според копринената печатна платка, или съгласно схемата.

Стъпка 7: Запояване

След като SMD запояването е извършено, останалата част от задачата за запояване е основно парче торта. Почти. Вероятно сте запоявали и преди и се надявам, че ще искате да запоите отново. Просто трябва да запоите Адафрутовото перо, антените, слънчевия панел и суперкондензаторите. Доста ясно бих казал.

Поставете компонентите или според копринената печатна платка, или съгласно схемата.

Стъпка 8: Пълен тракер

Ето как трябва да изглежда пълният тракер. Странно. Приятно. Интересно. Това са думите, които ми идват веднага. Сега просто трябва да мигате кода и да проверите дали работи.

Стъпка 9: Настройка на TTN

The Things Network е глобална мрежа LoRaWAN, центрирана в града. С повече от 6887 работещи шлюзове (приемници) това е най -голямата глобална IoT мрежа в света. Той използва комуникационния протокол LoRa (Long Range), който обикновено е на честоти 868 (Европа, Русия) или на 915MHz (САЩ, Индия). Най -широко се използва от IoT устройства, изпращащи кратки съобщения в градовете. Можете да изпращате само до 51 байта, но лесно можете да получите обхват от 2 км до 15 км. Това е идеално за прости сензори или други IoT устройства. И най -хубавото е, че е безплатно.

Сега 2-15 със сигурност не е достатъчно, но ако стигнете до по-високо място, трябва да имате по-добра връзка. И нашият балон ще бъде много висок. На 10 км над морското равнище трябва да получим връзка от 100 км. Един приятел пусна HAB с LoRa на 31 км във въздуха и получи пинг на 450 км. Така че, това е доста разумно.

Настройването на TTN трябва да е лесно. Трябва само да създадете акаунт с имейла си и след това трябва да регистрирате устройството. Първо трябва да създадете приложение. Приложението е цялата начална страница на проекта. От тук можете да промените кода на декодера, да видите входящите данни и да добавите/премахнете устройства. Просто изберете име и сте готови да тръгнете. След като това стане, ще трябва да регистрирате устройство в приложението. Трябва да въведете MAC адреса на перата Adafruit (с перото в опаковката). След това трябва да зададете метода за активиране на ABP и да деактивирате проверките на брояча на рамки. Сега вашето устройство трябва да бъде регистрирано в приложението. Копирайте адреса на устройството, мрежовия ключ на сесията и ключа на сесията на приложението. Ще ви трябват в следващата стъпка.

За по -пълно обяснение посетете този урок.

Стъпка 10: Кодиране

Adafruit Feather 32U4 има процесор ATmega32U4 AVR. Това означава, че няма отделен чип за USB комуникация (като Arduino UNO), чипът е включен в процесора. Това означава, че качването в Adafruit Feather може да бъде малко по -трудно в сравнение с типичната платка Arduino, но работи с Arduino IDE, така че ако следвате този урок, трябва да е добре.

След като настроите Arduino IDE и успешно качите „мигащата“скица, можете да преминете към действителния код. Изтеглете „LoRa_Test.ino“. Променете съответно адреса на устройството, мрежовия ключ и ключа на сесията на приложението. Качете скицата. Излез навън. Насочете антената към центъра на града или по посока на най -близкия портал. Сега трябва да видите изскачащи данни на TTN конзолата. Ако не, коментирайте по -долу. Не искам да поставям всичко, което би могло да се случи тук, не знам дали сървърът на Instructables може да се справи с такова количество текст.

Преместване на. Ако предишната скица работи, можете да изтеглите „Ferdinand_1.0.ino“и да промените нещата, които трябваше да промените в предишната скица. Сега тествайте отново.

Ако получавате произволни HEX данни на TTN конзолата, не се притеснявайте, това трябва да стане. Всички стойности са кодирани в HEX. Ще ви е необходим различен декодиращ код. Изтеглете "decoder.txt". Копирайте съдържанието му. Сега отидете на TTN конзолата. Отидете на вашите приложения/формати на полезен товар/декодер. Сега премахнете оригиналния код на декодера и поставете във вашия. Сега трябва да видите всички показания там.

Стъпка 11: Тестване

Сега това трябва да е най -дългата част от проекта. Тестване. Тестване при всякакви условия. При силна топлина, стрес и със силна светлина (или навън на слънце), за да имитирате условията там. Това трябва да отнеме поне седмица, за да няма изненади по отношение на поведението на тракера. Но това е идеален свят и нямахме това време, защото тракерът е създаден за състезание. Направихме някои промени в последната минута (буквално като 40 минути преди старта), така че не знаехме какво да очакваме. Това не е добре. Но знаете, все пак спечелихме състезанието.

Вероятно ще трябва да направите тази част навън, защото слънцето не грее вътре и защото LoRa няма да има най -доброто приемане във вашия офис.

Стъпка 12: Някои фънки формули

Пикобалоните са много чувствителни. Не можете просто да ги напълните с хелий и да ги пуснете. Те наистина не харесват това. Нека обясня. Ако плаващата сила е твърде ниска, балонът няма да се издигне нагоре (очевидно). НО и това е уловката, ако плаващата сила е твърде висока, балонът ще лети твърде високо, силите върху балона ще бъдат твърде големи и той ще изскочи и ще падне на земята. Това е основната причина, поради която наистина искате да направите тези изчисления.

Ако познавате малко физиката, не би трябвало да имате проблем с разбирането на горните формули. Има някои променливи, които трябва да въведете във формулата. Това включва: константа за пълнене на газ, термодинамична температура, налягане, маса на сондата и маса на балона. Ако следвате този урок и използвате същия балон (Qualatex microfoil 36 ) и същия газ за пълнене (хелий), единственото нещо, което всъщност ще се различава, е масата на сондата.

След това тези формули трябва да ви дадат: обема на хелия, необходим за пълнене на балона, скоростта, с която балонът се издига, височината, на която балонът лети, а също и свободното тегло на повдигане. Всичко това са много полезни стойности. Нарастващата скорост е важна, така че балонът да не удря препятствия, защото е твърде бавен и е наистина приятно да се знае колко високо ще лети балонът. Но най -важният от тях вероятно е безплатният лифт. Безплатният асансьор е необходим, когато ще пълните балона в стъпка 14.

Благодаря на TomasTT7 за помощ с формулите. Вижте блога му тук.

Стъпка 13: Рискове

И така, вашият тракер работи. Това лайно, върху което си работил два месеца, наистина работи! Честито.

Така че нека прегледаме какви рискове може да срещне вашето дете -сонда във въздуха:

1) Няма да достигне достатъчно слънчева светлина върху слънчевия панел. Суперкондензаторите ще се източат. Сондата ще спре да работи.

2) Сондата ще излезе извън обхвата и няма да бъдат получени данни.

3) Силните пориви на вятъра ще разрушат сондата.

4) Сондата ще премине през буря по време на изкачване и дъждът ще скъси веригата.

5) На слънчевия панел ще се образува ледено покритие. Суперкондензаторите ще се източат. Сондата ще спре да работи.

6) Част от сондата ще се счупи при механично натоварване.

7) Част от сондата ще се счупи при екстремни условия на топлина и налягане.

8) Електростатичен заряд ще се образува между балона и въздуха, образувайки искра, която ще повреди сондата.

9) Сондата ще бъде ударена от мълния.

10) Сондата ще бъде ударена от самолет.

11) Сондата ще бъде ударена от птица.

12) Извънземните ще отвлекат вашата сонда. Това може да се случи, особено ако балонът е над зона 51.

Стъпка 14: Стартирайте

Значи това е. Това е денят D и ще пуснете любимия си пикабалон. Винаги е добре да познавате терена и всички възможни препятствия. Също така трябва постоянно да следите времето (главно скоростта и посоката на вятъра). По този начин минимизирате шансовете на оборудването си на стойност 100 евро и 2 месеца от времето си да се ударите в дърво или в стена. Това би било тъжно.

Поставете тръба в балона. Завържете балона за нещо тежко с найлон. Поставете тежкото нещо на кантар. Нулирайте скалата. Закрепете другия край на тръбата към резервоара си с хелий. Започнете бавно да отваряте клапана. Сега трябва да видите отрицателни числа по скалата. Сега е моментът да използвате стойността на свободно повдигане, която сте изчислили в стъпка 12. Затворете клапана, когато отрицателното число достигне масата на балона + свободно повдигане. В моя случай това беше 15g + 2.4g, така че изключих клапана точно на -17.4g по скалата. Извадете тръбата. Балонът се самозатваря, трябва да се запечата автоматично. Развържете тежкия предмет и го заменете със сондата. Вече сте готови за стартиране.

Просто вижте видеото за всички подробности.

Стъпка 15: Получаване на данните

Ох, спомням си усещането, което изпитахме след старта. Стресът, разочарованието, много хормони. Ще работи ли? Ще бъде ли безполезна нашата работа? Току -що сме похарчили толкова пари за нещо, което не работи? Това са въпросите, които си задавахме след старта.

За щастие, сондата отговори около 20 минути след изстрелването. И тогава получавахме пакет на всеки 10 минути. Загубихме връзка със сондата в 17:51:09 GMT. Можеше да е по -добре, но пак е добре.

Стъпка 16: Допълнителни планове

Това беше един от най -трудните ни проекти до момента. Не всичко беше перфектно, но това е ОК, винаги е така. Все още беше много успешно. Тракерът работи безупречно. Можеше да го направи много по -дълго, но това няма значение. И завършихме втори в състезанието Picoballoon. Сега бихте могли да кажете, че да бъдеш втори в състезание със 17 души не е такъв успех, НО имай предвид, че това е инженерно -строително състезание за възрастни. На 14 години сме. Тези, с които се състезавахме, бяха възрастни с инженерно и вероятно дори космическо образование и с много повече опит. Така че да, като цяло бих казал, че беше голям успех. Получихме 200 €, което беше приблизително двойно от нашите разходи.

Със сигурност ще създам версия 2.0. Ще бъде много по -добре, с по -малки компоненти (процесор barebone, RFM95) и ще бъде по -надежден, така че очаквайте следващите инструкции.

Нашата основна цел сега е да спечелим състезанието Epilog X. Колеги производители, ако ви хареса тази инструкция, моля, помислете за гласуване за нея. Това наистина би ни помогнало. Много ви благодаря!

Вицешампион в конкурса Epilog X