Kako napraviti pikobalon: 16 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:07

Šta je pikobalon i zašto bih ga htio izgraditi ?! Čujem da pitate. Dopusti mi da objasnim. Svi vjerojatno znate što je HAB (balon na velikoj visini). To je hrpa čudnih elektroničkih stvari povezanih s balonom. Ovdje na Instructables postoji jako puno tutorijala u vezi s HAB -ovima.

ALI, i to je jako veliko, ali ono što vam najčešće ne govore u vodiču su troškovi punjenja plina. Sada možete izgraditi pristojan HAB tracker ispod 50 €, ali ako je težak 200 g (što je prilično optimistična pretpostavka s baterijama, kamerama itd.), Helij za punjenje balona može vas koštati 200 € ili više, što je jednostavno previše za mnoge proizvođače poput mene.

Dakle, kao što možete pretpostaviti, pikobaloni rješavaju ovaj problem tako što jednostavno nisu glomazni i teški. Pikobalon je samo riječ za lagani HAB. Svetlost, šta mislim pod svetlošću? Općenito, pikobaloni su lakši od 20 g. Zamislite sada procesor, odašiljač, PCB, GPS, antene, solarni panel, a također i bateriju čija je masa jednaka šalici za kavu za jednokratnu upotrebu ili žlici. Nije li to samo ludilo?

Drugi razlog (osim cijene) zašto biste to htjeli izgraditi je njegov domet i izdržljivost. Classic HAB može letjeti do 4 sata i putovati do 200 km. Pikobalon, s druge strane, može letjeti i do nekoliko mjeseci i putovati do desetine hiljada kilometara. Jedan Poljak je dobio svoj pikobalon da leti oko svijeta više puta. To naravno znači i da više nećete vidjeti svoj Picoballoon nakon pokretanja. Zato želite prenijeti sve potrebne podatke i naravno zadržati troškove što je moguće nižim.

Napomena: Ovaj projekt je suradnja s MatejHantabalom. Obavezno pogledajte i njegov profil

UPOZORENJE: Ovo je teško napredan nivo, ali i vrlo zabavan projekt. Ovdje će biti objašnjeno sve, od dizajna PCB -a do SMD -a do lemljenja. Rečeno je, idemo na posao

AŽURIRANJE: Morali smo u posljednji trenutak ukloniti GPS modul zbog velike potrošnje energije. Vjerojatno se to može popraviti, ali nismo imali vremena za to. Ostavit ću to u uputstvima, ali pazite da nije provjereno. I dalje možete dobiti lokaciju iz TTN metapodataka pa se ne biste trebali brinuti zbog toga

Korak 1: Princip

Dakle, pri izgradnji ovakvog uređaja postoji mnogo varijacija i izbora, ali svakom pratiocu su potrebni odašiljač i napajanje. Većina tragača će vjerojatno uključivati ove komponente:

- solarni panel

- baterija (lipo ili superkondenzator)

- procesor/mikrokontroler

- GPS modul

- senzor/i (temperatura, vlaga, pritisak, UV, sunčevo zračenje …)

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

Kao što vidite, postoji mnogo senzora i odašiljača koje možete koristiti. Na vama je da odlučite koje ćete senzore koristiti. Nije važno, ali najčešći su senzori temperature i pritiska. Odabir odašiljača ipak je mnogo teži. Svaka tehnologija ima prednosti i nedostatke. Neću to ovdje opisivati jer bi to bila jako duga rasprava. Ono što je važno je da sam odabrao LoRaWAN i mislim da je najbolji (jer još nisam imao priliku testirati ostale). Znam da LoRaWAN ima vjerovatno najbolju pokrivenost. Ispravite me u komentarima.

Korak 2: Potrebni dijelovi

Dakle, za ovaj projekt trebat će vam sljedeće:

Adafruit pero 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (ovo nismo koristili na kraju)

BME280 senzor temperature/vlažnosti/pritiska

2xSuperkondenzator 4.7F 2.7V

Solarni panel sa izlazom 5V

Prilagođene PCB -ove

Ako pokrećete sami, potrebno vam je i ovo:

Najmanje 0,1m3 helija (pretraživanje: "spremnik helija za 15 balona") kupljen lokalno

Qualatex 36 samoljepljivi balon od folije

Procijenjeni trošak projekta: 80 € (samo uređaj za praćenje) / 100 € (uključujući balon i helij)

Korak 3: Preporučeni alati

Ovi alati bi vam mogli dobro doći:

skidač žice

lemilica

SMD lemilica

kliješta

odvijači

pištolj za ljepilo

multimetar

mikroskop

pištolj sa toplim vazduhom

Trebat će vam i pasta za lemljenje.

Korak 4: Adafruit pero 32U4

Bilo nam je teško odabrati pravi mikrokontroler za balon. Adafrutovo pero pokazalo se najboljim za ovaj posao. Zadovoljava sve potrebne kriterije:

1) Ima sve potrebne pinove: SDA/SCL, RX/TX, digitalni, analogni

2) Ima RFM95 LoRa predajnik.

3) Lagan je. Masa mu je samo 5,5 g.

4) Ima vrlo nisku potrošnju energije u stanju mirovanja (samo 30uA).

Zbog toga mislimo da je Adafruit Feather najbolji mikrokontroler za ovaj posao.

Korak 5: Dizajn i proizvodnja PCB -a

Zaista mi je žao zbog onoga što ću vam reći. Morat ćemo napraviti prilagođenu PCB. Bit će teško i frustrirajuće, ali je potrebno, pa počnimo. Takođe, da biste pravilno razumjeli sljedeći tekst, trebali biste pročitati ovu odličnu klasu dizajna PCB -a od strane Instructables.

Dakle, u početku ćete morati napraviti shemu. I shemu i ploču sam napravio u softveru za dizajn EAGLE PCB -a kompanije Autodesk. Besplatno je, pa preuzmite!

Bio je to moj prvi put da dizajniram PCB i mogu vam reći da se radi samo o upoznavanju Eagle interfejsa. Dizajnirao sam svoju prvu ploču za 6 sati, ali mi je za drugu ploču trebalo manje od sat vremena. Evo rezultata. Prilično lijepa shema i ploča, rekao bih.

Kad imate datoteku ploče spremnu, trebate stvoriti gerber datoteke i poslati ih proizvođaču. Naručio sam svoje ploče s jlcpcb.com, ali možete odabrati bilo kojeg drugog proizvođača koji vam se sviđa. Debljinu PCB -a postavio sam na 0,8 mm umjesto standardnih 1,6 mm jer ploča mora biti lagana. Na snimku ekrana možete vidjeti moje postavke za JLC PCB.

Ako ne želite preuzeti Eagle, možete samo preuzeti "Ferdinand 1.0.zip" i postaviti ga na JLC PCB.

Kada naručujete PCB -e, udobno se smjestite u stolicu i sačekajte dvije sedmice da stignu. Tada možemo nastaviti.

Napomena: Možete primijetiti da se shema malo razlikuje od stvarne ploče. To je zato što sam primijetio da je goli BME280 IC previše teško lemiti pa sam promijenio shemu za prekid

Korak 6: SMD lemljenje

Još jedna tužna najava: SMD lemljenje nije jednostavno. Zaista, jako je teško. Neka gospodar bude s vama. Ali ovaj bi vodič trebao pomoći. Možete lemiti pomoću lemilice i fitilja za lemljenje, ili paste za lemljenje i pištolja sa toplim zrakom. Nijedna od ovih metoda nije mi bila dovoljno prikladna. Ali trebali biste to obaviti u roku od sat vremena.

Komponente postavite prema sitotisku na PCB -u ili prema shemi.

Korak 7: Lemljenje

Nakon što je SMD lemljenje obavljeno, ostatak lemljenja je u osnovi komad kolača. Skoro. Vjerovatno ste već lemili i nadam se da ćete htjeti ponovo lemiti. Potrebno je samo lemiti Adafruit pero, antene, solarnu ploču i superkondenzatore. Rekao bih prilično jednostavno.

Komponente postavite prema sitotisku na PCB -u ili prema shemi.

Korak 8: Dovršite praćenje

Ovako bi trebao izgledati kompletan tracker. Cudno. Lijepo. Zanimljivo. To su riječi koje mi odmah padaju na pamet. Sada samo trebate prebaciti kôd i testirati radi li.

Korak 9: Podešavanje TTN -a

The Things Network je globalna LoRaWAN mreža koja je usmjerena na gradove. S više od 6887 gatewaya (prijemnika) koji rade i rade, to je najveća globalna IoT mreža na svijetu. Koristi LoRa (Long Range) komunikacijski protokol koji je općenito na frekvencijama 868 (Evropa, Rusija) ili na 915MHz (SAD, Indija). Najviše ga koriste IoT uređaji koji šalju kratke poruke u gradovima. Možete poslati samo do 51 bajt, ali lako možete dobiti raspon od 2 km do 15 km. To je idealno za jednostavne senzore ili druge IoT uređaje. I što je najbolje od svega, besplatno je.

2-15 sigurno nije dovoljno, ali ako se popnete na viši teren, trebali biste imati bolju vezu. I naš balon će biti vrlo visok. Na 10 km nadmorske visine trebali bismo dobiti vezu sa 100 km. Prijatelj je lansirao HAB sa LoRom na 31 km u zraku i dobio je ping na 450 km. Dakle, to je prilično razumno.

Postavljanje TTN -a trebalo bi biti jednostavno. Samo trebate stvoriti račun sa svojom e -poštom, a zatim morate registrirati uređaj. U početku morate stvoriti aplikaciju. Aplikacija je početna stranica cijelog projekta. Odavde možete promijeniti kod dekodera, pregledati dolazne podatke i dodati/ukloniti uređaje. Samo odaberite ime i spremni ste za polazak. Nakon što to učinite, morat ćete registrirati uređaj u aplikaciji. Morate unijeti MAC adresu perja Adafruit (s perom u pakiranju). Zatim biste trebali postaviti način aktivacije na ABP i onemogućiti provjeru brojača okvira. Vaš uređaj bi sada trebao biti registriran u aplikaciji. Kopirajte adresu uređaja, mrežni ključ sesije i ključ sesije aplikacije. Trebat će vam u sljedećem koraku.

Za bolje objašnjenje posjetite ovaj vodič.

Korak 10: Kodiranje

Adafruit Feather 32U4 ima ATmega32U4 AVR procesor. To znači da nema zaseban čip za USB komunikaciju (kao Arduino UNO), već je čip uključen u procesor. To znači da učitavanje na Adafruit Feather može biti malo teže u odnosu na tipičnu Arduino ploču, ali radi s Arduino IDE -om pa ako slijedite ovaj vodič, to bi trebalo biti u redu.

Nakon što ste postavili Arduino IDE i uspješno učitali "trepćuću" skicu, možete prijeći na stvarni kod. Preuzmite "LoRa_Test.ino". U skladu s tim promijenite adresu uređaja, mrežni ključ i ključ sesije aplikacije. Otpremite skicu. Napolje. Usmjerite antenu prema centru grada ili u smjeru najbližeg prolaza. Sada biste trebali vidjeti podatke koji iskaču na TTN konzoli. Ako ne, komentirajte ispod. Ne želim ovdje stavljati sve što se moglo dogoditi, ne znam da li bi server Instructables mogao podnijeti toliku količinu teksta.

Idemo dalje. Ako prethodna skica funkcionira, možete preuzeti "Ferdinand_1.0.ino" i promijeniti stvari koje ste trebali promijeniti u prethodnoj skici. Sada ga ponovo testirajte.

Ako primate nasumične HEX podatke na TTN konzoli, ne brinite, to bi trebalo učiniti. Sve vrijednosti su kodirane u HEX. Trebat će vam drugačiji kod dekodera. Preuzmite "decoder.txt". Kopirajte sadržaj. Sada idite na TTN konzolu. Idite na svoju aplikaciju/formate korisnog opterećenja/dekoder. Sada uklonite izvorni kod dekodera i zalijepite ga u svoj. Sada biste trebali vidjeti sva čitanja tamo.

Korak 11: Testiranje

Ovo bi trebao biti najduži dio projekta. Testiranje. Testiranje u svim vrstama uslova. U ekstremnim vrućinama, stresu i uz jako svjetlo (ili vani na suncu) oponašaju tamošnje uslove. Ovo bi trebalo potrajati najmanje tjedan dana kako ne bi bilo iznenađenja u pogledu ponašanja tragača. Ali to je idealan svijet i nismo imali to vrijeme jer je tracker napravljen za natjecanje. Napravili smo neke promjene u zadnji čas (doslovno 40 minuta prije lansiranja) pa nismo znali što možemo očekivati. To nije dobro. Ali znate, ipak smo pobijedili na takmičenju.

Ovaj dio ćete vjerojatno morati obaviti vani jer sunce ne sja i zato što LoRa neće imati najbolji prijem u vašoj kancelariji.

Korak 12: Neke funky formule

Pikobaloni su vrlo osjetljivi. Ne možete ih samo napuniti helijem i lansirati. To im se zaista ne sviđa. Dopusti mi da objasnim. Ako je sila uzgona preniska, balon se neće podići (očito). ALI, i ovo je kvaka, ako je sila uzgona previsoka, balon će letjeti previsoko, sile na balonu će biti prevelike i on će iskočiti i pasti na tlo. To je glavni razlog zašto zaista želite napraviti ove proračune.

Ako malo poznajete fiziku, ne biste trebali imati problema s razumijevanjem gornjih formula. Postoje neke varijable koje morate unijeti u formulu. To uključuje: konstantu punjenja plina, termodinamičku temperaturu, pritisak, masu sonde i masu balona. Ako slijedite ovaj vodič i koristite isti balon (Qualatex microfoil 36 ) i isti plin za punjenje (helij), jedina stvar koja će se zapravo razlikovati je masa sonde.

Ove formule bi vam trebale dati: zapreminu helijuma potrebnu za punjenje balona, brzinu kojom se balon diže, visinu na kojoj balon leti i težinu slobodnog dizanja. Sve su to vrlo korisne vrijednosti. Brzina podizanja važna je kako balon ne bi udario u prepreke jer je prespor i zaista je lijepo znati koliko visoko će balon letjeti. Ali najvažniji od njih je vjerovatno besplatni lift. Besplatni lift je potreban kada punite balon u koraku 14.

Hvala TomasTT7 na pomoći oko formula. Njegov blog pogledajte ovdje.

Korak 13: Rizici

Dakle, vaš tracker radi. To sranje na kojem si radio dva mjeseca zaista funkcionira! Čestitam.

Pa hajde da preispitamo sa kakvim rizicima vaše dijete sa sondom može naići u zraku:

1) Neće dovoljno sunčeve svjetlosti udariti u solarni panel. Superkondenzatori će se isprazniti. Sonda će prestati da radi.

2) Sonda će izaći iz dometa i neće se primati podaci.

3) Jaki udari vjetra uništit će sondu.

4) Sonda će proći kroz oluju tokom uspona i kiša će kratki spoj.

5) Na solarnoj ploči će se stvoriti ledena obloga. Superkondenzatori će se isprazniti. Sonda će prestati da radi.

6) Dio sonde će se slomiti pod mehaničkim naprezanjem.

7) Dio sonde će se slomiti pod ekstremnim temperaturama i pritiskom.

8) Između balona i zraka formirat će se elektrostatički naboj koji stvara iskru koja će oštetiti sondu.

9) Sondu će pogoditi grom.

10) Sondom će pogoditi avion.

11) Sonda će biti pogođena pticom.

12) Vanzemaljci će vam oteti sondu. Može se dogoditi posebno ako se balon nalazi iznad područja 51.

Korak 14: Pokrenite

Dakle, to je to. Dan je D i lansirat ćete svoj voljeni pikobalon. Uvijek je dobro poznavati teren i sve moguće prepreke. Takođe morate stalno pratiti vrijeme (uglavnom brzinu i smjer vjetra). Na taj način minimizirate šanse da vaša oprema u vrijednosti od 100 € i 2 mjeseca vašeg vremena udari u drvo ili u zid. To bi bilo tužno.

Umetnite cijev u balon. Privežite balon za nešto teško najlonom. Stavite tešku stvar na vagu. Ponovno postavite skalu. Pričvrstite drugi kraj cijevi na spremnik s helijem. Počnite polako otvarati ventil. Sada biste trebali vidjeti negativne brojeve na ljestvici. Sada je vrijeme da upotrijebite vrijednost slobodnog podizanja koju ste izračunali u koraku 12. Zatvorite ventil kada negativni broj dosegne masu balona + slobodno podizanje. U mom slučaju to je bilo 15 g + 2,4 g pa sam zatvorio ventil na točno -17,4 g na vagi. Uklonite cijev. Balon se sam zatvara, trebao bi se automatski zatvoriti. Odvežite teški predmet i zamijenite ga sondom. Sada ste spremni za lansiranje.

Za detalje pogledajte samo video.

Korak 15: Primanje podataka

Ohh, sjećam se osjećaja koji smo imali nakon lansiranja. Stres, frustracije, puno hormona. Hoće li uspjeti? Hoće li naš rad biti bezvrijedan? Jesmo li upravo potrošili toliko novca na nešto što ne funkcionira? Ovo su pitanja koja smo si postavljali nakon lansiranja.

Srećom, sonda je odgovorila 20 minuta nakon lansiranja. I onda smo primali pakete svakih 10 minuta. Izgubili smo kontakt sa sondom u 17:51:09 GMT. Moglo je biti bolje, ali i dalje je u redu.

Korak 16: Dalji planovi

Ovo je bio jedan od naših najtežih projekata do sada. Nije sve bilo savršeno, ali to je u redu, uvijek je tako. I dalje je bio vrlo uspješan. Tragač je radio besprijekorno. Moglo je to još dugo, ali to nije važno. I, završili smo drugi na takmičenju Picoballoon. Sada biste mogli reći da biti drugi na takmičenju sa 17 ljudi nije tako uspješan, ALI imajte na umu da je ovo takmičenje za inženjering/izgradnju odraslih. Imamo 14 godina. Sa kojima smo se takmičili bili su odrasli sa inženjerskim, a možda čak i svemirskim obrazovanjem i sa mnogo više iskustva. Pa da, sve u svemu, rekao bih da je to bio veliki uspjeh. Dobili smo 200 €, što je otprilike dvostruko više od naših troškova.

Svakako ću napraviti verziju 2.0. Bit će mnogo bolje, s manjim komponentama (barebone procesor, RFM95) i bit će pouzdaniji, pa budite u toku sa sljedećim instrukcijama.

Naš glavni cilj je sada pobijediti na takmičenju Epilog X. Kolege proizvođači, ako vam se dopala ova instrukcija, razmislite o tome da glasate za nju. Zaista bi nam pomoglo. Hvala vam punoooooo!

Drugoplasirani na takmičenju Epilog X