Sådan laver du en Picoballoon: 16 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:28

Hvad er en picoballon, og hvorfor vil jeg bygge den ?! Jeg hører dig spørge. Lad mig forklare. I ved sikkert alle, hvad en HAB (High Altitude Balloon) er. Det er en masse mærkelige elektronik -ting forbundet med en ballon. Der er så mange tutorials vedrørende HAB'er her på Instructables.

MEN, og det er en meget stor MEN det, de ikke fortæller dig de fleste gange i selvstudiet, er omkostningerne ved påfyldningsgassen. Nu kan du bygge en anstændig HAB -tracker under 50 €, men hvis den vejer 200g (hvilket er et ret optimistisk gæt med batterier, kameraer osv.) Kan helium til at fylde ballonen koste dig 200 € eller mere, hvilket er bare for meget for mange producenter som mig.

Så som du kan gætte, løser picoballoons dette problem ved bare ikke at være omfangsrig og tung. Picoballoon er bare et ord for en let HAB. Lys, hvad mener jeg med lys? Generelt er picoballoner lettere end 20g. Forestil dig nu, at en processor, sender, et printkort, GPS, antenner, et solpanel og også et batteri med en masse som en engangs kaffekop eller en ske. Er det ikke bare vanvittigt?

En anden grund (bortset fra omkostningerne) til, hvorfor du vil bygge dette er dens rækkevidde og udholdenhed. Klassisk HAB kan flyve i op til 4 timer og rejse i op til 200 km. En Picoballoon på den anden side kan flyve i op til et par måneder og rejse i op til titusinder af kilometer. En polsk fyr fik sin picoballon til at flyve rundt om kloden flere gange. Dette betyder naturligvis også, at du aldrig vil se din Picoballoon igen efter at have lanceret den. Derfor vil du overføre alle de nødvendige data og selvfølgelig holde omkostningerne så lave som muligt.

Bemærk: Dette projekt er et samarbejde med MatejHantabal. Sørg også for at tjekke hans profil

ADVARSEL: Dette er et svært at gøre avanceret niveau, men også meget sjovt projekt. Alt fra PCB -design til SMD til lodning vil blive forklaret her. Når det er sagt, lad os komme i gang

OPDATERING: Vi var nødt til at fjerne GPS -modulet i sidste øjeblik på grund af dets store strømforbrug. Det kan sandsynligvis rettes, men vi havde ikke tid til det. Jeg lader det ligge i det instruerbare, men pas på, at det ikke er testet. Du kan stadig få placering fra TTN -metadata, så du skal ikke bekymre dig om det

Trin 1: Princippet

Så når du bygger en enhed som denne, er der mange variationer og valg, men hver tracker har brug for en sender og en strømforsyning. De fleste af trackerne vil sandsynligvis indeholde disse komponenter:

- et solpanel

- et batteri (lipo eller superkapacitor)

- en processor/mikrokontroller

- et GPS -modul

- en/flere sensorer (temperatur, fugtighed, tryk, UV, solstråling …)

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

Som du kan se, er der mange sensorer og sendere, du kan bruge. Hvilke sensorer du bruger, er op til dig. Det gør ikke rigtig noget, men mest almindeligt er sensorerne for temperatur og tryk. Det er dog meget vanskeligere at vælge en sender. Hver teknologi har nogle fordele og ulemper. Jeg vil ikke bryde det ned her, fordi det ville blive en meget lang diskussion. Det vigtige er, at jeg valgte LoRaWAN, og jeg synes, at det er det bedste (fordi jeg ikke havde mulighed for at teste de andre endnu). Jeg ved, at LoRaWAN dog nok har den bedste dækning. Du er velkommen til at rette mig i kommentarerne.

Trin 2: Nødvendige dele

Så du skal bruge disse ting til dette projekt:

Adafruit Feather 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (Vi brugte ikke dette i slutningen)

BME280 temperatur/fugtighed/tryksensor

2xSuperkondensator 4.7F 2.7V

Solpanel med udgang 5V

Brugerdefinerede printkort

Hvis du starter selv, har du også brug for dette:

Mindst 0,1 m3 helium (søg: "heliumtank til 15 balloner") købt lokalt

Qualatex 36 selvforseglende folieballon

Anslået projektomkostning: 80 € (kun trackeren) / 100 € (inklusive ballon og helium)

Trin 3: Anbefalede værktøjer

Disse værktøjer kan være nyttige:

wire stripper

loddekolbe

SMD loddejern

tang

skruetrækkere

limpistol

multimeter

mikroskop

varmluftspistol

Du skal også bruge loddepasta.

Trin 4: Adafruit Feather 32U4

Vi havde svært ved at vælge den rigtige mikrokontroller til ballonen. Adafruit Feather viste sig at være den bedste til jobbet. Det opfylder alle de krævede kriterier:

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

2) Den har RFM95 LoRa -senderen.

3) Det er let. Vægten er kun 5,5 g.

4) Det har et meget lavt strømforbrug i dvaletilstand (kun 30uA).

På grund af dette synes vi, at Adafruit Feather er den bedste mikrokontroller til jobbet.

Trin 5: PCB Design og fremstilling

Jeg er virkelig ked af det, jeg vil fortælle dig. Vi bliver nødt til at lave et brugerdefineret printkort. Det bliver hårdt og frustrerende, men det er nødvendigt, så lad os komme i gang. For at forstå den følgende tekst korrekt bør du læse denne fantastiske PCB -designklasse af Instructables.

Så først skal du lave en skematisk. Jeg lavede både skematisk og tavlen i EAGLE PCB -designsoftware fra Autodesk. Det er gratis, så download det!

Det var min første gang at designe et printkort, og jeg kan fortælle dig, at det handler om at få fat i Eagle -grænsefladen. Jeg designede mit første bord på 6 timer, men mit andet bord tog mig mindre end en time. Her er resultatet. En ret flot skematisk og en tavle vil jeg sige.

Når du har tavlefilen klar, skal du oprette gerberfilerne og sende dem til producenten. Jeg bestilte mine boards fra jlcpcb.com, men du kan vælge enhver anden producent, du kan lide. Jeg indstillede printkortets tykkelse til 0,8 mm i stedet for standard 1,6 mm, fordi brættet skal være let. Du kan se mine indstillinger for JLC PCB i skærmbilledet.

Hvis du ikke vil downloade Eagle, kan du bare downloade "Ferdinand 1.0.zip" og uploade det til JLC PCB.

Når du bestiller printkortene, skal du bare sidde behageligt ned i din stol og vente to uger på, at de ankommer. Så kan vi fortsætte.

Bemærk: Du kan bemærke, at skematikken er en smule anderledes end det egentlige bord. Det er fordi jeg har bemærket, at den nøgne BME280 IC er for svær at lodde, så jeg ændrede skematikken til et breakout

Trin 6: SMD lodning

En anden trist meddelelse: SMD -lodning er ikke let. Nu er det virkelig hårdt. Må herren være med dig. Men denne vejledning skal hjælpe. Du kan lodde enten ved hjælp af et loddejern og et loddevæske eller en loddepasta og en varmluftspistol. Ingen af disse metoder var praktisk nok for mig. Men du skal få det gjort inden for en time.

Placer komponenterne enten i henhold til silketryk på printkortet eller i henhold til skematisk.

Trin 7: Lodning

Efter SMD -lodningen er udført, er resten af loddejobbet dybest set et stykke kage. Næsten. Du har sikkert loddet før, og jeg håber, at du vil lodde igen. Du skal bare lodde Adafruit Feather, antenner, solpanelet og superkapacitorerne. Ret ligetil vil jeg sige.

Placer komponenterne enten i henhold til silketryk på printkortet eller i henhold til skematisk.

Trin 8: Komplet tracker

Sådan skal den komplette tracker se ud. Mærkelig. Pæn. Interessant. Det er de ord, der kommer til mig med det samme. Nu skal du bare blinke koden og teste, om den virker.

Trin 9: TTN -opsætning

Things Network er et globalt bycentreret community LoRaWAN -netværk. Med mere end 6887 gateways (modtagere) i gang er det det største globale IoT -netværk i verden. Den bruger LoRa (Long Range) kommunikationsprotokol, der generelt er ved frekvenser 868 (Europa, Rusland) eller ved 915MHz (USA, Indien). Det bruges mest af IoT -enheder, der sender korte beskeder i byer. Du kan kun sende op til 51 bytes, men du kan nemt få en rækkevidde fra 2 km til 15 km. Det er ideelt til enkle sensorer eller andre IoT -enheder. Og bedst af alt, det er gratis.

Nu er 2-15 bestemt ikke nok, men hvis du kommer til højere terræn, skal du have en bedre forbindelse. Og vores ballon vil være meget høj. På 10 km over havniveau skal vi få en forbindelse fra 100 km. En ven lancerede en HAB med LoRa 31 km i luften, og han fik en ping 450 km væk. Så det er ret rimeligt.

Opsætning af TTN skal være let. Du skal bare oprette en konto med din e -mail, og derefter skal du registrere enheden. Først skal du oprette en applikation. En ansøgning er hele projektets hjemmeside. Herfra kan du ændre dekoder -koden, se de indgående data og tilføje/fjerne enheder. Bare vælg et navn, og du er klar til at gå. Når det er gjort, skal du registrere en enhed i applikationen. Du skal indtaste MAC -adressen på Adafruit Feather (med fjeren i emballagen). Derefter skal du indstille aktiveringsmetoden til ABP, og du bør deaktivere rammetæller -kontroller. Din enhed skal nu være registreret i applikationen. Kopier enhedsadressen, netværkssessionnøglen og appsessionnøglen. Du får brug for dem i det næste trin.

For en mere sund forklaring, besøg denne vejledning.

Trin 10: Kodning

Adafruit Feather 32U4 har en ATmega32U4 AVR -processor. Det betyder, at den ikke har en separat chip til USB -kommunikation (som Arduino UNO), chippen er inkluderet i processoren. Det betyder, at upload til Adafruit Feather kan være lidt sværere i forhold til et typisk Arduino -bord, men det fungerer med Arduino IDE, så hvis du følger denne vejledning, burde det være fint.

Når du har konfigureret Arduino IDE og med succes uploadet "blink" -skitsen, kan du gå videre til den faktiske kode. Download "LoRa_Test.ino". Skift enhedsadressen, netværkssessionnøglen og appsessionnøglen i overensstemmelse hermed. Upload skitsen. Gå udenfor. Ret antennen mod byens centrum eller i retning af den nærmeste gateway. Du skulle nu se data dukke op på TTN -konsollen. Hvis ikke, kommenter herunder. Jeg vil ikke lægge alt det, der kunne være sket her, jeg ved ikke, om Instructables -serveren kunne håndtere en sådan mængde tekst.

Komme videre. Hvis den forrige skitse fungerer, kan du downloade "Ferdinand_1.0.ino" og ændre de ting, du skulle ændre i den forrige skitse. Prøv det nu igen.

Hvis du får nogle tilfældige HEX -data på TTN -konsollen, skal du ikke bekymre dig, det skal gøre det. Alle værdier er kodet i HEX. Du skal bruge en anden dekoderkode. Download "decoder.txt". Kopier dens indhold. Gå nu til TTN -konsollen. Gå til din applikation/nyttelastformater/dekoder. Fjern nu den originale dekoderkode og indsæt din. Du skulle nu se alle aflæsninger der.

Trin 11: Test

Nu skulle dette være den længste del af projektet. Test. Test under alle slags forhold. I ekstrem varme, stress og med et stærkt lys (eller udenfor på solen) for at efterligne forholdene deroppe. Dette bør tage mindst en uge, så der ikke vil være nogen overraskelser med hensyn til trackeradfærden. Men det er en ideel verden, og vi havde ikke den tid, fordi trackeren var bygget til en konkurrence. Vi lavede nogle ændringer i sidste øjeblik (bogstaveligt talt som 40 minutter før lancering), så vi vidste ikke, hvad vi kunne forvente. Det er ikke godt. Men du ved, vi vandt stadig konkurrencen.

Du skal sandsynligvis gøre denne del udenfor, fordi solen ikke skinner indeni, og fordi LoRa ikke vil have den bedste modtagelse på dit kontor.

Trin 12: Nogle funky formler

Picoballoner er meget følsomme. Du kan ikke bare fylde dem med helium og starte dem. Det kan de virkelig ikke lide. Lad mig forklare. Hvis opdriftskraften er for lav, stiger ballonen ikke (åbenbart). MEN, og dette er fangsten, hvis den flydende kraft er for høj, vil ballonen flyve for højt, kræfterne på ballonen vil være for store, og den vil poppe og falde på jorden. Det er hovedårsagen til, at du virkelig vil lave disse beregninger.

Hvis du kender fysikken lidt, burde du ikke have problemer med at forstå formlerne ovenfor. Der er nogle variabler, du skal indtaste i formlen. Dette omfatter: påfyldning af gas konstant, termodynamisk temperatur, tryk, sondens masse og ballonens masse. Hvis du følger denne vejledning og bruger den samme ballon (Qualatex microfoil 36 ) og den samme påfyldningsgas (helium), er det eneste, der faktisk vil afvige, massens masse.

Disse formler skal derefter give dig: mængden af helium, der er nødvendig for at fylde ballonen, den hastighed hvormed ballonen stiger, den højde hvormed ballonen flyver og også den frie løftevægt. Disse er alle meget nyttige værdier. Den stigende hastighed er vigtig, så ballonen ikke rammer forhindringer, fordi den er for langsom, og det er virkelig rart at vide, hvor højt ballonen flyver. Men den vigtigste af dem er nok den gratis lift. Den frie løft er påkrævet, når du fylder ballonen i trin 14.

Tak til TomasTT7 for hjælp til formlerne. Tjek hans blog her.

Trin 13: Risici

Så din tracker fungerer. Det lort, du har arbejdet med i to måneder, virker faktisk! Tillykke.

Så lad os gennemgå, hvilke risici dit sondebarn kan støde på i luften:

1) Der vil ikke være nok sollys, der rammer solpanelet. Superkondensatorerne vil dræne. Sonden holder op med at fungere.

2) Sonden kommer uden for rækkevidde, og der modtages ingen data.

3) Kraftige vindstød vil ødelægge sonden.

4) Sonden vil passere gennem en storm under opstigning, og regn vil kortslutte kredsløbet.

5) Der dannes en isbelægning på solpanelet. Superkondensatorerne tømmes. Sonden holder op med at fungere.

6) En del af sonden vil bryde under mekanisk belastning.

7) En del af sonden vil bryde under ekstreme varme- og trykforhold.

8) En elektrostatisk ladning dannes mellem ballonen og luften og danner en gnist, som vil beskadige sonden.

9) Sonden vil blive ramt af lyn.

10) Sonden bliver ramt af et fly.

11) Sonden bliver ramt af en fugl.

12) Aliens kaprer din sonde. Kan ske især hvis ballonen vil være over område 51.

Trin 14: Start

Så det er det. Det er D-dagen, og du lancerer din elskede picoballon. Det er altid godt at kende terrænet og alle mulige forhindringer. Du skal også konstant overvåge vejret (hovedsageligt vindhastighed og retning). På den måde minimerer du chancerne for, at dit udstyr til en værdi af 100 € og 2 måneder af din tid rammer et træ eller i en væg. Det ville være trist.

Indsæt et rør i ballonen. Bind ballonen til noget tungt med nylon. Sæt det tunge på en skala. Nulstil skalaen. Fastgør den anden ende af røret på din heliumtank. Start langsomt med at åbne ventilen. Du skal nu se negative tal på skalaen. Nu er det tid til at bruge den frie løftværdi, du har beregnet i trin 12. Luk ventilen, når det negative tal når ballonens masse + fri løft. I mit tilfælde var det 15g + 2,4g, så jeg lukkede ventilen for præcis -17,4g på skalaen. Fjern røret. Ballonen er selvforseglende, den skal forsegles automatisk. Frigør den tunge genstand, og udskift den med sonden. Du er nu klar til at starte.

Se bare videoen for alle detaljer.

Trin 15: Modtagelse af data

Åhh, jeg husker den følelse, vi havde efter lanceringen. Stressen, frustrationen, en masse hormoner. Vil det fungere? Vil vores arbejde være værdiløst? Brugte vi bare så mange penge på noget, der ikke virker? Det er den slags spørgsmål, vi stillede os selv efter lanceringen.

Heldigvis reagerede sonden cirka 20 minutter efter opsendelsen. Og så modtog vi en pakke hvert 10. minut. Vi mistede kontakten med sonden kl. 17:51:09 GMT. Det kunne have været bedre, men det er stadig fint.

Trin 16: Yderligere planer

Dette var et af vores sværeste projekter op til dato. Ikke alt var perfekt, men det er OK, det er altid sådan. Det var stadig meget vellykket. Trackeren fungerede upåklageligt. Det kunne have gjort det meget længere, men det gør ikke noget. Og vi endte på andenpladsen i Picoballoon -konkurrencen. Nu kan du sige, at det ikke er sådan en succes at være nummer to i en konkurrence med 17 personer, men husk på, at dette er en voksen ingeniør-/konstruktionskonkurrence. Vi er 14 år. Dem, vi konkurrerede med, var voksne med teknik og muligvis endda rumfartsbaggrund og med meget mere erfaring. Så ja, generelt vil jeg sige, at det var en stor succes. Vi fik 200 €, hvilket var cirka det dobbelte af vores udgifter.

Jeg vil helt sikkert bygge en version 2.0. Det bliver meget bedre med mindre komponenter (barebone processor, RFM95), og det bliver mere pålideligt, så følg med til den næste instruerbare.

Vores hovedmål nu er at vinde Epilog X -konkurrencen. Medfabrikanter, hvis du kunne lide dette instruerbare, kan du overveje at stemme for det. Det ville virkelig hjælpe os. Tusind tak skal du have!

Nummer to i Epilog X -konkurrencen