Hvordan lage en Picoballoon: 16 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:23

Hva er en picoballoon og hvorfor vil jeg bygge den ?! Jeg hører deg spørre. La meg forklare. Dere vet sikkert alle hva en HAB (High Altitude Balloon) er. Det er en haug med rare elektronikk -ting koblet til en ballong. Det er så mange opplæringsprogrammer om HAB -er her på Instructables.

MEN, og det er en veldig stor MEN det de ikke forteller deg de fleste ganger i opplæringen er kostnaden for fyllgassen. Nå kan du bygge en anstendig HAB -tracker under 50 €, men hvis den veier 200g (som er et ganske optimistisk gjetning med batterier, kameraer osv.) Kan heliumet for å fylle ballongen koste deg 200 € eller mer, noe som er bare for mye for mange produsenter som meg.

Så, som du kan gjette, løser picoballonger dette problemet ved bare ikke å være klumpete og tunge. Picoballoon er bare et ord for en lett HAB. Lys, hva mener jeg med lys? Generelt er picoballonger lettere enn 20g. Tenk deg nå at en prosessor, sender, et PCB, GPS, antenner, et solcellepanel og også et batteri med en masse som en kaffekopp eller en skje. Er ikke det bare vanvittig?

En annen grunn (bortsett fra kostnaden) til at du ønsker å bygge dette er omfanget og utholdenheten. Klassisk HAB kan fly i opptil 4 timer og reise opptil 200 km. En Picoballoon derimot, kan fly i opptil et par måneder og reise i opptil titusenvis av kilometer. En polsk fyr fikk sin picoballoon til å fly rundt kloden flere ganger. Dette betyr selvfølgelig også at du aldri vil se Picoballoon igjen etter at du har lansert den. Derfor vil du overføre alle nødvendige data og selvfølgelig holde kostnadene så lave som mulig.

Merk: Dette prosjektet er et samarbeid med MatejHantabal. Husk å sjekke ut profilen hans også

ADVARSEL: Dette er et vanskelig avansert nivå, men også veldig morsomt prosjekt. Alt fra PCB -design til SMD til lodding vil bli forklart her. Når det er sagt, la oss komme i gang

OPPDATERING: Vi måtte fjerne GPS -modulen i siste liten på grunn av det store strømforbruket. Det kan sannsynligvis løses, men vi hadde ikke tid til det. Jeg lar det ligge i instruksjonene, men pass på at det ikke er testet. Du kan fortsatt få plassering fra TTN -metadata, så du bør ikke bekymre deg for det

Trinn 1: Prinsippet

Så når du bygger en enhet som denne, er det mange varianter og valg, men hver tracker trenger en sender og en strømforsyning. De fleste sporere vil trolig inneholde disse komponentene:

- et solcellepanel

- et batteri (lipo eller superkapasitor)

- en prosessor/mikrokontroller

- en GPS -modul

- en sensor (e) (temperatur, fuktighet, trykk, UV, solstråling …)

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

Som du kan se, er det mange sensorer og sendere du kan bruke. Hvilke sensorer du bruker er opp til deg. Det spiller egentlig ingen rolle, men de vanligste er sensorene for temperatur og trykk. Å velge en sender er imidlertid mye vanskeligere. Hver teknologi har noen fordeler og ulemper. Jeg vil ikke bryte det ned her fordi det ville bli en veldig lang diskusjon. Det som er viktig er at jeg valgte LoRaWAN, og jeg tror at det er det beste (fordi jeg ikke hadde sjansen til å teste de andre ennå). Jeg vet at LoRaWAN sannsynligvis har den beste dekningen. Du er velkommen til å korrigere meg i kommentarene.

Trinn 2: Nødvendige deler

Så du trenger disse tingene for dette prosjektet:

Adafruit Feather 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (Vi brukte ikke dette på slutten)

BME280 temperatur/fuktighet/trykksensor

2xSuperkondensator 4.7F 2.7V

Solcellepanel med utgang 5V

Tilpassede PCB -er

Hvis du starter selv, trenger du også dette:

Minst 0,1m3 helium (søk: "heliumtank for 15 ballonger") kjøpt lokalt

Qualatex 36 selvforseglende folieballong

Anslått prosjektkostnad: 80 € (bare trackeren) / 100 € (inkludert ballong og helium)

Trinn 3: Anbefalte verktøy

Disse verktøyene kan komme godt med:

wire stripper

loddejern

SMD loddejern

tang

skrutrekkere

limpistol

multimeter

mikroskop

varmluftspistol

Du trenger også loddepasta.

Trinn 4: Adafruit Feather 32U4

Vi hadde vanskelig for å velge riktig mikrokontroller for ballongen. Adafruitfjæren ble den beste for jobben. Den oppfyller alle nødvendige kriterier:

1) Den har alle nødvendige pinner: SDA/SCL, RX/TX, digital, analog

2) Den har RFM95 LoRa -senderen.

3) Det er lett. Vekten er bare 5,5 g.

4) Den har veldig lavt strømforbruk i hvilemodus (bare 30uA).

På grunn av dette tror vi at Adafruit Feather er den beste mikrokontrolleren for jobben.

Trinn 5: PCB -design og produksjon

Jeg beklager virkelig det jeg skal fortelle deg. Vi må lage en tilpasset PCB. Det kommer til å bli vanskelig og frustrerende, men det er nødvendig, så la oss komme i gang. For å forstå den følgende teksten ordentlig, bør du lese denne fantastiske PCB -designklassen av Instructables.

Så først må du lage en skjematisk. Jeg laget både skjematisk og tavlen i EAGLE PCB design programvare av Autodesk. Det er gratis, så last det ned!

Det var min første gang å designe en PCB, og jeg kan fortelle deg at det handler om å få tak i Eagle -grensesnittet. Jeg designet mitt første brett på 6 timer, men det andre brettet tok meg mindre enn en time. Her er resultatet. En ganske fin skjematisk og en tavle vil jeg si.

Når du har tavlefilen klar, må du opprette gerberfilene og sende dem til produsenten. Jeg bestilte brettene mine fra jlcpcb.com, men du kan velge hvilken som helst annen produsent du liker. Jeg satte PCB -tykkelsen til 0,8 mm i stedet for standard 1,6 mm fordi brettet må være lett. Du kan se mine innstillinger for JLC PCB i skjermbildet.

Hvis du ikke vil laste ned Eagle, kan du bare laste ned "Ferdinand 1.0.zip" og laste den opp til JLC PCB.

Når du bestiller PCB -er, kan du bare sette deg ned i stolen og vente i to uker på at de kommer. Så kan vi fortsette.

Merk: Du kan legge merke til at skjematikken er litt annerledes enn det faktiske brettet. Det er fordi jeg la merke til at bare BME280 IC er for vanskelig å lodde, så jeg endret skjematisk for en breakout

Trinn 6: SMD -lodding

En annen trist kunngjøring: SMD -lodding er ikke lett. Nå er det skikkelig tøft. Måtte herren være med deg. Men denne opplæringen skal hjelpe. Du kan lodde enten med et loddejern og en loddevei, eller en loddepasta og en varmluftspistol. Ingen av disse metodene var praktisk nok for meg. Men du bør få det gjort innen en time.

Plasser komponentene enten i henhold til silketrykket på kretskortet eller i henhold til skjemaet.

Trinn 7: Lodding

Etter at SMD -lodding er ferdig, er resten av loddejobben i utgangspunktet et stykke kake. Nesten. Du har sikkert loddet før, og jeg håper du vil lodde igjen. Du trenger bare å lodde Adafruit Feather, antenner, solcellepanelet og superkondensatorene. Ganske greit vil jeg si.

Plasser komponentene enten i henhold til silketrykket på kretskortet eller i henhold til skjemaet.

Trinn 8: Fullfør sporing

Slik skal hele trackeren se ut. Merkelig. Hyggelig. Interessant. Det er ordene jeg tenker på med en gang. Nå trenger du bare å blinke koden og teste om den fungerer.

Trinn 9: TTN -oppsett

Things Network er et globalt bysentrert LoRaWAN -nettverk. Med mer enn 6887 gateways (mottakere) i gang er det det største globale IoT -nettverket i verden. Den bruker LoRa (Long Range) kommunikasjonsprotokoll som er generelt på frekvenser 868 (Europa, Russland) eller ved 915MHz (USA, India). Det er mest brukt av IoT -enheter som sender korte meldinger i byer. Du kan bare sende opptil 51 byte, men du kan enkelt få en rekkevidde fra 2 km til 15 km. Det er ideelt for enkle sensorer eller andre IoT -enheter. Og best av alt, det er gratis.

Nå er 2-15 absolutt ikke nok, men hvis du kommer til høyere terreng, bør du ha en bedre forbindelse. Og ballongen vår blir veldig høy. På 10 km over havnivå bør vi få en forbindelse fra 100 km. En venn lanserte en HAB med LoRa 31km opp i luften, og han fikk en ping 450km unna. Så det er ganske rimelig.

Det bør være enkelt å sette opp TTN. Du trenger bare å opprette en konto med e -posten din, og deretter må du registrere enheten. Først må du opprette et program. En søknad er hele prosjektets hjemmeside. Herfra kan du endre dekoderkoden, se innkommende data og legge til/fjerne enheter. Bare velg et navn, og du er klar til å gå. Etter at det er gjort, må du registrere en enhet i programmet. Du må angi MAC -adressen til Adafruit Feather (med fjæren i emballasjen). Deretter bør du sette aktiveringsmetoden til ABP, og du bør deaktivere rammetellerkontroller. Enheten din skal nå være registrert i programmet. Kopier enhetsadressen, nettverksøksnøkkelen og appøktnøkkelen. Du trenger dem i neste trinn.

For en mer sunn forklaring, besøk denne opplæringen.

Trinn 10: Koding

Adafruit Feather 32U4 har en ATmega32U4 AVR -prosessor. Det betyr at den ikke har en egen brikke for USB -kommunikasjon (som Arduino UNO), brikken er inkludert i prosessoren. Det betyr at opplasting til Adafruit Feather kan være litt vanskeligere sammenlignet med et typisk Arduino -brett, men det fungerer med Arduino IDE, så hvis du følger denne opplæringen, burde det være greit.

Etter at du har konfigurert Arduino IDE og vellykket lastet opp "blink" -skissen, kan du gå videre til den faktiske koden. Last ned "LoRa_Test.ino". Endre enhetsadressen, nettverksøksnøkkelen og appøktnøkkelen tilsvarende. Last opp skissen. Gå utenfor. Rett antennen mot sentrum eller i retning av nærmeste gateway. Du bør nå se data dukke opp på TTN -konsollen. Hvis ikke, kommenter nedenfor. Jeg vil ikke legge alt som kunne ha skjedd her, jeg vet ikke om Instructables -serveren kunne håndtere så mye tekst.

Går videre. Hvis den forrige skissen fungerer, kan du laste ned "Ferdinand_1.0.ino" og endre tingene du skulle endre i forrige skisse. Test det igjen.

Hvis du får tilfeldige HEX -data på TTN -konsollen, ikke bekymre deg, det skal gjøre det. Alle verdiene er kodet i HEX. Du trenger en annen dekoderkode. Last ned "decoder.txt". Kopier innholdet. Gå nå til TTN -konsollen. Gå til applikasjonen/nyttelastformater/dekoder. Fjern nå den originale dekoderkoden og lim den inn i din. Du bør nå se alle avlesningene der.

Trinn 11: Testing

Nå bør dette være den lengste delen av prosjektet. Testing. Testing under alle slags forhold. I ekstrem varme, stress og med et sterkt lys (eller ute på solen) for å etterligne forholdene der oppe. Dette bør ta minst en uke, så det vil ikke være noen overraskelser når det gjelder sporingens oppførsel. Men det er en ideell verden, og vi hadde ikke den tiden fordi trackeren ble bygget for en konkurranse. Vi gjorde noen endringer i siste øyeblikk (bokstavelig talt som 40 minutter før lansering), så vi visste ikke hva vi kunne forvente. Det er ikke bra. Men du vet, vi vant fremdeles konkurransen.

Du må sannsynligvis gjøre denne delen ute fordi solen ikke skinner inne og fordi LoRa ikke vil ha den beste mottakelsen på kontoret ditt.

Trinn 12: Noen funky formler

Picoballonger er veldig følsomme. Du kan ikke bare fylle dem med helium og starte dem. Det liker de virkelig ikke. La meg forklare. Hvis oppdriftskraften er for lav vil ikke ballongen stige (åpenbart). MEN, og dette er fangsten, hvis oppdriftskraften er for høy, vil ballongen fly for høyt, kreftene på ballongen blir for store og den vil dukke og falle på bakken. Det er hovedgrunnen til at du virkelig vil gjøre disse beregningene.

Hvis du kan fysikk litt, bør du ikke ha problemer med å forstå formlene ovenfor. Det er noen variabler du må legge inn i formelen. Dette inkluderer: fylling av gass konstant, termodynamisk temperatur, trykk, massen av sonden og ballongens masse. Hvis du følger denne opplæringen og bruker den samme ballongen (Qualatex microfoil 36 ) og den samme fyllingsgassen (helium) er det eneste som faktisk vil variere massen på sonden.

Disse formlene skal da gi deg: volumet av helium som trengs for å fylle ballongen, hastigheten som ballongen stiger med, høyden som ballongen flyr og også den frie løftevekten. Dette er alle veldig nyttige verdier. Stigende hastighet er viktig, slik at ballongen ikke treffer hindringer fordi den er for treg og det er veldig hyggelig å vite hvor høyt ballongen skal fly. Men den viktigste av dem er sannsynligvis gratisheisen. Gratis løft er nødvendig når du skal fylle ballongen i trinn 14.

Takk til TomasTT7 for hjelp med formlene. Sjekk bloggen hans her.

Trinn 13: Risiko

Så, trackeren din fungerer. Det dritten du har jobbet med i to måneder fungerer faktisk! Gratulerer.

Så la oss se på hvilke farer sondebarnet ditt kan støte på i luften:

1) Det vil ikke være nok sollys som rammer solpanelet. Superkondensatorene tømmes. Sonden slutter å fungere.

2) Sonden kommer utenfor rekkevidde og ingen data vil bli mottatt.

3) Sterke vindkast vil ødelegge sonden.

4) Sonden vil passere gjennom en storm under oppstigning og regn vil kortslutte kretsen.

5) Et isbelegg vil dannes på solcellepanelet. Superkondensatorene tømmes. Sonden slutter å fungere.

6) En del av sonden vil bryte under mekanisk belastning.

7) En del av sonden vil bryte under ekstreme varme- og trykkforhold.

8) En elektrostatisk ladning vil danne mellom ballongen og luften og danne en gnist, som vil skade sonden.

9) Sonden vil bli truffet av lyn.

10) Sonden vil bli truffet av et fly.

11) Sonden vil bli truffet av en fugl.

12) Aliens vil kapre sonden din. Kan skje spesielt hvis ballongen vil være over område 51.

Trinn 14: Start

Så det er det. Det er D-dagen, og du skal lansere din elskede picoballoon. Det er alltid godt å kjenne terrenget og alle mulige hindringer. Du må også overvåke været (hovedsakelig vindhastigheten og retningen) konstant. På den måten minimerer du sjansene for at utstyret ditt for 100 € og 2 måneder av tiden din treffer et tre eller en vegg. Det ville være trist.

Sett inn et rør i ballongen. Fest ballongen til noe tungt med nylon. Sett det tunge på en skala. Tilbakestill skalaen. Fest den andre enden av røret på heliumtanken. Start sakte å åpne ventilen. Du bør nå se negative tall på skalaen. Nå er det på tide å bruke verdien for fri løft du beregnet i trinn 12. Slå av ventilen når det negative tallet når ballongens masse + friløft. I mitt tilfelle var det 15g + 2,4g, så jeg stengte ventilen på nøyaktig -17,4g på skalaen. Fjern røret. Ballongen er selvtettende, den skal forsegles automatisk. Løsne den tunge gjenstanden og erstatt den med sonden. Du er nå klar til å starte.

Bare se videoen for alle detaljer.

Trinn 15: Motta dataene

Åh, jeg husker følelsen vi hadde etter lanseringen. Stresset, frustrasjonen, mange hormoner. Vil det fungere? Vil arbeidet vårt være verdiløst? Brukte vi bare så mye penger på noe som ikke fungerer? Det var slike spørsmål vi stilte oss selv etter lanseringen.

Heldigvis reagerte sonden omtrent 20 minutter etter lanseringen. Og så mottok vi en pakke hvert 10. minutt. Vi mistet kontakten med sonden kl. 17:51:09 GMT. Det kunne vært bedre, men det er fortsatt greit.

Trinn 16: Ytterligere planer

Dette var et av våre vanskeligste prosjekter. Ikke alt var perfekt, men det er OK, det er alltid sånn. Det var fortsatt veldig vellykket. Sporeren fungerte feilfritt. Det kunne ha gjort det mye lenger, men det spiller ingen rolle. Og vi endte på andreplass i Picoballoon -konkurransen. Nå kan du si at det å være nummer to i en konkurranse med 17 personer ikke er en suksess, men husk at dette er en voksen konstruksjon/konstruksjonskonkurranse. Vi er 14 år. De vi konkurrerte med var voksne med ingeniørfaglig og muligens til og med romfartsbakgrunn og med mye mer erfaring. Så ja, totalt sett vil jeg si at det var en stor suksess. Vi fikk 200 €, som var omtrent det dobbelte av utgiftene våre.

Jeg skal absolutt bygge en versjon 2.0. Det kommer til å bli mye bedre, med mindre komponenter (barebone -prosessor, RFM95), og det kommer til å bli mer pålitelig, så følg med på neste instrukserbare.

Vårt hovedmål nå er å vinne Epilog X -konkurransen. Medmakere, hvis du likte dette instruerbart, kan du vurdere å stemme på det. Det ville virkelig hjelpe oss. Tusen takk skal du ha!

Andreplass i Epilog X -konkurransen