Picoballoon készítése: 16 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:42

Mi az a picoballoon és miért akarom megépíteni ?! Hallom, hogy kérdezed. Hadd magyarázzam. Valószínűleg mindenki tudja, mi az a HAB (High Altitude Balloon). Ez egy csomó furcsa elektronikai cucc egy léggömbhöz csatlakoztatva. Nagyon sok oktatóanyag található a HAB -okkal kapcsolatban az Instructables -en.

DE, és ez nagyon nagy, DE amit a legtöbb esetben nem mondanak el az oktatóanyagban, az a töltőgáz költsége. Most 50 € alatt felépíthet egy tisztességes HAB nyomkövetőt, de ha súlya 200 g (ami meglehetősen optimista feltételezés az elemekkel, kamerákkal stb.), Akkor a ballon feltöltésének héliuma 200 euróba vagy annál többe kerülhet. túl sok a hozzám hasonló készítőknek.

Tehát, mint sejthető, a picoballoon megoldja ezt a problémát azzal, hogy nem terjedelmes és nehéz. A Picoballoon csak egy szó a könnyű HAB -ra. Fény, mit értek fény alatt? Általában a picoballoonok 20 grammnál könnyebbek. Képzelje csak el, hogy egy processzor, adó, NYÁK, GPS, antennák, napelem és egy akkumulátor, amelynek tömege megegyezik az eldobható kávéscsészével vagy egy kanállal. Csak nem őrültség?

Egy másik ok (a költségektől eltekintve), hogy miért szeretné ezt építeni, a hatótávolsága és a tartóssága. A klasszikus HAB akár 4 órát is repülhet, és akár 200 km -t is megtehet. Egy Picoballoon viszont akár pár hónapig is repülhet, és akár több tízezer kilométert is utazhat. Egy lengyel fickó többször is repülni kezdett a ballonjával a világon. Ez természetesen azt is jelenti, hogy soha többé nem fogja látni a Picoballoon -t, miután elindította. Ezért szeretné továbbítani az összes szükséges adatot, és természetesen a lehető legalacsonyabb szinten tartani a költségeket.

Megjegyzés: Ez a projekt a MatejHantabal céggel való együttműködés. Feltétlenül nézze meg a profilját is

FIGYELMEZTETÉS: Ez egy nehezen elvégezhető haladó szintű, de nagyon szórakoztató projekt. A NYÁK -tervezéstől kezdve az SMD -n át a forrasztásig minden itt található. Ez azt mondta, kezdjünk dolgozni

FRISSÍTÉS: Az utolsó pillanatban el kellett távolítanunk a GPS modult a nagy energiafogyasztás miatt. Valószínűleg megoldható, de erre nem volt időnk. Az utasításban hagyom, de vigyázz, hogy nem tesztelték. A helymeghatározás továbbra is elérhető a TTN metaadataiból, így nem kell aggódnia

1. lépés: Az elv

Tehát egy ilyen eszköz építésekor számos variáció és választás létezik, de minden nyomkövetőnek szüksége van egy adóra és egy tápegységre. A legtöbb nyomkövető valószínűleg ezeket az összetevőket tartalmazza:

- napelem

- akkumulátor (lipo vagy szuperkondenzátor)

- processzor/mikrovezérlő

- GPS modul

- érzékelő (k) (hőmérséklet, páratartalom, nyomás, UV, napsugárzás …)

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

Mint látható, sok érzékelő és távadó használható. Rajtad áll, hogy milyen érzékelőket használsz. Ez nem igazán számít, de a leggyakoribbak a hőmérséklet- és nyomásérzékelők. Az adó kiválasztása azonban sokkal nehezebb. Minden technológiának van néhány előnye és hátránya. Nem fogom itt lebontani, mert ez nagyon hosszú vita lenne. Az a fontos, hogy a LoRaWAN -t választottam, és szerintem ez a legjobb (mert még nem volt alkalmam kipróbálni a többieket). Tudom, hogy a LoRaWAN valószínűleg a legjobb lefedettséggel rendelkezik. Szívesen javítasz a megjegyzésekben.

2. lépés: Szükséges alkatrészek

Tehát a következőkre lesz szüksége a projekthez:

Adafruit Feather 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (ezt nem használtuk a végén)

BME280 hőmérséklet/páratartalom/nyomásérzékelő

2xSuperkondenzátor 4.7F 2.7V

Napelem 5V kimenettel

Egyedi PCB -k

Ha önállóan indít, akkor erre is szüksége van:

Legalább 0,1 m3 hélium (keresés: "héliumtartály 15 ballonhoz") helyben vásárolt

Qualatex 36 önzáró fólia ballon

A projekt becsült költsége: 80 € (csak a nyomkövető) / 100 € (beleértve a ballont és a héliumot)

3. lépés: Ajánlott eszközök

Ezek az eszközök jól jöhetnek:

huzalcsupaszító

forrasztópáka

SMD forrasztópáka

fogó

csavarhúzók

ragasztópisztoly

multiméter

mikroszkóp

forró levegő pisztoly

Szüksége lesz forrasztópasztára is.

4. lépés: Adafruit toll 32U4

Nehezen választottuk ki a ballonhoz megfelelő mikrokontrollert. Az Adafruit toll bizonyult a legjobbnak erre a feladatra. Minden szükséges kritériumnak megfelel:

1) Minden szükséges tűvel rendelkezik: SDA/SCL, RX/TX, digitális, analóg

2) Az RFM95 LoRa távadóval rendelkezik.

3) Könnyű. Tömege mindössze 5,5 g.

4) Nagyon alacsony az energiafogyasztása alvó üzemmódban (csak 30uA).

Emiatt úgy gondoljuk, hogy az Adafruit Feather a legjobb mikrokontroller a feladathoz.

5. lépés: NYÁK tervezés és gyártás

Őszintén sajnálom, amit mondani fogok. Egyedi PCB -t kell készítenünk. Nehéz és frusztráló lesz, de szükséges, úgyhogy kezdjük. Továbbá a következő szöveg helyes megértéséhez olvassa el az Instructables ezt a fantasztikus NYÁK -tervezési osztályát.

Tehát először el kell készítenie egy vázlatot. A vázlatot és a táblát az Autodesk EAGLE PCB tervező szoftverében készítettem. Ingyenes, ezért töltse le!

Ez volt az első alkalom, amikor PCB -t terveztem, és elmondhatom, hogy az egész az Eagle interfész megragadásáról szól. Az első táblát 6 óra alatt terveztem meg, de a második táblám kevesebb mint egy órát vett igénybe. Íme az eredmény. Elég szép vázlat és tábla, mondhatnám.

Ha készen áll a táblafájl, létre kell hoznia a gerber fájlokat, és el kell küldenie a gyártónak. A tábláimat a jlcpcb.com -ról rendeltem, de tetszés szerint választhat más gyártót is. A NYÁK vastagságát a szabványos 1,6 mm helyett 0,8 mm -re állítottam be, mert a táblának könnyűnek kell lennie. A képernyőképen láthatja a JLC PCB beállításait.

Ha nem szeretné letölteni az Eagle -t, töltse le a "Ferdinand 1.0.zip" fájlt, és töltse fel a JLC PCB -re.

A PCB -k megrendelésekor üljön le kényelmesen a székére, és várjon két hetet, amíg megérkeznek. Akkor folytathatjuk.

Megjegyzés: Észreveheti, hogy a vázlat kissé eltér a tényleges táblától. Ez azért van, mert észrevettem, hogy a csupasz BME280 IC -t túl nehéz forrasztani

6. lépés: SMD forrasztás

Egy másik szomorú bejelentés: az SMD forrasztása nem könnyű. Most tényleg baromi nehéz. Az Úr legyen veled. De ennek az oktatóanyagnak segítenie kell. Forraszthat vagy forrasztópáka és forrasztópisztoly segítségével, vagy forrasztópaszta és forrólevegős pisztoly segítségével. E módszerek egyike sem volt elég kényelmes számomra. De egy órán belül el kell végezni.

Helyezze az alkatrészeket vagy a nyomtatott áramkörön lévő selyemszitára, vagy a vázlat szerint.

7. lépés: Forrasztás

Az SMD forrasztása után a forrasztási munka többi része alapvetően sütemény. Majdnem. Valószínűleg már forrasztott, és remélem, újra forrasztani szeretne. Csak forrasztania kell az Adafruit tollat, az antennákat, a napelemet és a szuperkondenzátorokat. Elég egyértelműen mondanám.

Helyezze az alkatrészeket vagy a nyomtatott áramkörön lévő selyemszitára, vagy a vázlat szerint.

8. lépés: Teljesítse a követőt

Így kell kinéznie a teljes nyomkövetőnek. Furcsa. Szép. Érdekes. Ezek a szavak jutnak rögtön az eszembe. Most csak villognia kell a kódot, és tesztelnie kell, hogy működik -e.

9. lépés: TTN beállítás

A Things Network egy globális városközpontú közösség LoRaWAN hálózata. Több mint 6887 átjáróval (vevővel) működik és ez a világ legnagyobb globális IoT hálózata a világon. A LoRa (Long Range) kommunikációs protokollt használja, amely általában 868 (Európa, Oroszország) vagy 915 MHz (USA, India) frekvencián működik. Leggyakrabban a városokban rövid üzeneteket küldő IoT -eszközök használják. Csak 51 bájtot küldhet, de könnyen elérheti a 2 és 15 km közötti tartományt. Ez ideális egyszerű érzékelőkhöz vagy más IoT eszközökhöz. És ami a legjobb: ingyenes.

Most a 2-15 biztosan nem elegendő, de ha magasabb szintre kerülsz, akkor jobb a kapcsolat. És a lufink nagyon magas lesz. 10 km -rel a tengerszint felett 100 km -ről kell kapcsolatot létesítenünk. Egy barátja elindított egy HAB -ot LoRa -val 31 km -re a levegőben, és kapott egy ping -et 450 km -re. Szóval, ez elég ésszerű.

A TTN beállításának egyszerűnek kell lennie. Csak létre kell hoznia egy fiókot az e -mail címével, majd regisztrálnia kell az eszközt. Először létre kell hoznia egy alkalmazást. Az alkalmazás a teljes projekt kezdőlapja. Innen módosíthatja a dekódoló kódját, megtekintheti a bejövő adatokat és eszközöket adhat hozzá/távolíthat el. Csak válasszon nevet és készen áll az indulásra. Ezt követően regisztrálnia kell egy eszközt az alkalmazásban. Meg kell adnia az Adafruit toll MAC -címét (a toll a csomagolásban). Ezután állítsa az aktiválási módszert ABP -re, és tiltsa le a keretszámláló ellenőrzéseket. Eszközét most regisztrálnia kell az alkalmazásban. Másolja ki az eszközcímet, a hálózati munkamenetkulcsot és az App Session kulcsot. Szükséged lesz rájuk a következő lépésben.

Egy egészségesebb magyarázatért keresse fel ezt az oktatóanyagot.

10. lépés: Kódolás

Az Adafruit Feather 32U4 ATmega32U4 AVR processzorral rendelkezik. Ez azt jelenti, hogy nincs külön chipje az USB kommunikációhoz (mint Arduino UNO), a chip a processzor része. Ez azt jelenti, hogy az Adafruit Feather -re való feltöltés egy kicsit nehezebb lehet egy tipikus Arduino táblához képest, de működik az Arduino IDE -vel, tehát ha követi ezt az oktatóanyagot, akkor rendben kell lennie.

Az Arduino IDE beállítása és a "villogó" vázlat sikeres feltöltése után léphet a tényleges kódra. Letöltés "LoRa_Test.ino". Ennek megfelelően módosítsa az eszközcímet, a hálózati munkamenetkulcsot és az App Session kulcsot. Töltse fel a vázlatot. Menj ki. Irányítsa az antennát a városközpontba vagy a legközelebbi átjáró irányába. Most látnia kell, hogy az adatok felbukkannak a TTN konzolon. Ha nem, kommenteljen alább. Nem akarok mindent ide tenni, ami történhetett, nem tudom, hogy az Instructables szerver képes -e kezelni ekkora mennyiségű szöveget.

Továbblépni. Ha az előző vázlat működik, letöltheti a "Ferdinand_1.0.ino" fájlt, és megváltoztathatja azokat a dolgokat, amelyeket az előző vázlatban módosítani kellett. Most tesztelje újra.

Ha véletlenszerű HEX -adatokat kap a TTN konzolon, ne aggódjon, állítólag ezt kell tennie. Minden érték HEX kódolású. Más dekódoló kódra lesz szüksége. Töltse le a "decoder.txt" fájlt. Másolja a tartalmát. Most lépjen a TTN konzolra. Nyissa meg az alkalmazást/hasznos terhelési formátumokat/dekódolót. Most távolítsa el az eredeti dekódoló kódot, és illessze be a sajátjába. Most látnia kell az összes ott leolvasott értéket.

11. lépés: Tesztelés

Most ez legyen a projekt leghosszabb szakasza. Tesztelés. Tesztelés minden körülmények között. Extrém melegben, stresszben és erős fényben (vagy kint a napon), hogy utánozzák az ott fennálló körülményeket. Ennek legalább egy hétig kell tartania, így nem lesz meglepetés a nyomkövető viselkedésében. De ez egy ideális világ, és erre nem volt időnk, mert a nyomkövetőt versenyre készítették. Néhány utolsó változtatást hajtottunk végre (szó szerint 40 perccel az indulás előtt), így nem tudtuk, mire számíthatunk. Ez nem jó. De tudod, mégis megnyertük a versenyt.

Valószínűleg ezt a részt kint kell elvégeznie, mert belül nem süt a nap, és mert a LoRa nem a legjobb vételt kapja az irodájában.

12. lépés: Néhány furcsa képlet

A Picoballoon nagyon érzékeny. Nem lehet csak héliummal feltölteni és elindítani. Ezt tényleg nem szeretik. Hadd magyarázzam. Ha a felhajtóerő túl alacsony, a ballon nem emelkedik fel (nyilvánvalóan). DE, és ez a fogás, ha a felhajtóerő túl nagy, a léggömb túl magasra fog repülni, a léggömbre ható erők túl nagyok lesznek, és felpattan és leesik a földre. Ez a fő oka annak, hogy valóban el akarja végezni ezeket a számításokat.

Ha egy kicsit is ismeri a fizikát, nem okozhat gondot a fenti képletek megértése. Vannak változók, amelyeket be kell írni a képletbe. Ide tartozik: töltőgáz állandó, termodinamikai hőmérséklet, nyomás, a szonda tömege és a ballon tömege. Ha követi ezt az oktatóanyagot, és ugyanazt a ballont (Qualatex microfoil 36 ) és ugyanazt a töltőgázt (héliumot) használja, akkor az egyetlen dolog, ami ténylegesen eltérni fog, a szonda tömege.

Ezek a képletek megadják: a léggömb feltöltéséhez szükséges hélium térfogatát, a léggömb emelkedési sebességét, a ballon repülési magasságát és a szabad emelési súlyt. Ezek mind nagyon hasznos értékek. Az emelkedő sebesség fontos, így a ballon nem ütközik akadályokba, mert túl lassú, és nagyon jó tudni, hogy milyen magasra fog repülni a ballon. De a legfontosabb közülük valószínűleg az ingyenes felvonó. Az ingyenes emelésre akkor van szükség, amikor a ballont a 14. lépésben tölti fel.

Köszönet a TomasTT7 -nek a képletekben nyújtott segítségért. Nézze meg a blogját itt.

13. lépés: Kockázatok

Tehát a nyomkövető működik. Az a szar, amin két hónapig dolgoztál, valóban működik! Gratulálunk.

Tekintsük tehát át, milyen kockázatokkal találkozhat a szonda gyermeke a levegőben:

1) Nem lesz elegendő napfény a napelemre. A szuperkondenzátorok lemerülnek. A szonda leáll.

2) A szonda a hatótávolságon kívülre kerül, és nem érkezik adat.

3) Az erős széllökések tönkreteszik a szondát.

4) A szonda viharon megy keresztül emelkedés közben, és az eső rövidre zárja az áramkört.

5) Jégbevonat képződik a napelemen. A szuperkondenzátorok lemerülnek. A szonda leáll.

6) A szonda egy része mechanikai igénybevétel hatására eltörik.

7) A szonda egy része szélsőséges hő- és nyomásviszonyok között eltörik.

8) A ballon és a levegő között elektrosztatikus töltés keletkezik, amely szikrát képez, ami károsítja a szondát.

9) A szondát villámcsapás éri.

10) A szondát elüti egy repülőgép.

11) A szondát egy madár eltalálja.

12) Az idegenek eltérítik a szondát. Különösen akkor fordulhat elő, ha a ballon az 51 -es terület felett lesz.

14. lépés: Indítsa el

Szóval ennyi. Ma van a D-nap, és elindítod szeretett picoballoonodat. Mindig jó tudni a terepet és minden lehetséges akadályt. Továbbá folyamatosan figyelemmel kell kísérnie az időjárást (főleg a szél sebességét és irányát). Így minimálisra csökkentheti annak az esélyét, hogy 100 euró értékű felszerelése és 2 hónapja fából vagy falba ütközik. Ez szomorú lenne.

Helyezzen be egy csövet a ballonba. Kösse a ballont valami nejlonhoz. Tedd a nehéz dolgot mérlegre. Állítsa vissza a skálát. Rögzítse a cső másik végét a héliumtartályra. Kezdje lassan nyitni a szelepet. Most negatív számokat kell látnia a skálán. Itt az ideje, hogy használja a 12. lépésben kiszámított szabad emelési értéket. Zárja el a szelepet, amikor a negatív szám eléri a ballon + szabad emelés tömegét. Az én esetemben 15 g + 2,4 g volt, így a skálán pontosan -17,4 g -nál elzártam a szelepet. Távolítsa el a csövet. A ballon önzáró, automatikusan le kell zárnia. Oldja ki a nehéz tárgyat, és cserélje ki a szondával. Most már készen áll az indításra.

Csak nézze meg a videót minden részletért.

15. lépés: Az adatok fogadása

Ohh, emlékszem arra az érzésre, amit az indítás után éreztünk. A stressz, a frusztráció, a sok hormon. Működni fog? Értéktelen lesz a munkánk? Csak annyi pénzt költöttünk valamire, ami nem működik? Ezeket a kérdéseket tettük fel magunknak a bevezetés után.

Szerencsére a szonda körülbelül 20 perccel az indítás után reagált. Aztán 10 percenként kaptunk egy csomagot. 17:51:09 GMT -kor elvesztettük a kapcsolatot a szondával. Lehetett volna jobb is, de akkor is jó.

16. lépés: További tervek

Ez volt az egyik legnehezebb projektünk. Nem volt minden tökéletes, de ez rendben van, mindig így van. Még mindig nagyon sikeres volt. A nyomkövető hibátlanul működött. Ezt sokáig megtehette volna, de ez nem számít. És a második helyen végeztünk a Picoballoon versenyen. Most azt mondhatná, hogy a 17 fős verseny második helyezettje nem olyan sikeres, DE ne feledje, hogy ez egy felnőtt mérnöki/építőipari verseny. 14 évesek vagyunk. Akikkel versenyeztünk, azok a felnőttek voltak, akik mérnöki, esetleg repülőgépes háttérrel rendelkeztek, és sokkal több tapasztalattal rendelkeznek. Szóval igen, összességében azt mondanám, hogy nagy siker volt. 200 eurót kaptunk, ami közel kétszerese a kiadásainknak.

Természetesen 2.0 -s verziót fogok készíteni. Sokkal jobb lesz, kisebb komponensekkel (barebone processzor, RFM95), és megbízhatóbb lesz, így maradjon velünk a következő tanulsággal.

Fő célunk most az Epilog X verseny megnyerése. Készítő kollégák, ha tetszett ez az oktatható, kérjük, fontolja meg szavazását. Valóban segítene nekünk. Nagyon szépen köszönöm!

Második hely az Epilog X versenyen