Jak vyrobit pikoballoon: 16 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Co je to picoballoon a proč bych ho chtěl stavět ?! Slyšel jsem, že se ptáš. Nech mě to vysvětlit. Všichni pravděpodobně víte, co je HAB (High Altitude Balloon). Je to spousta podivných věcí z elektroniky připojených k balónu. Zde na Instructables je mnoho návodů týkajících se HAB.

ALE, a to je velmi velké ALE to, co vám v tutoriálu většinou neřeknou, jsou náklady na plnicí plyn. Nyní můžete postavit slušný sledovač HAB pod 50 EUR, ale pokud váží 200 g (což je docela optimistický odhad u baterií, fotoaparátů atd.), Helium k naplnění balónu vás může stát 200 EUR nebo více, což je příliš mnoho pro mnoho tvůrců, jako jsem já.

Jak můžete uhodnout, pikoballoni tento problém řeší tím, že nejsou objemní a těžcí. Picoballoon je jen slovo pro lehký HAB. Světlo, co mám na mysli pod světlem? Obecně jsou pikoballoony lehčí než 20 g. Nyní si představte, že procesor, vysílač, DPS, GPS, antény, solární panel a také baterie s hmotností stejnou jako jednorázový šálek kávy nebo lžíce. Není to jen šílené?

Dalším důvodem (kromě nákladů), proč byste to chtěli postavit, je jeho dosah a výdrž. Klasický HAB může létat až 4 hodiny a cestovat až 200 km. Picoballoon na druhou stranu může létat až několik měsíců a cestovat až desítky tisíc kilometrů. Jeden polský chlapík dostal pikoballona, aby několikrát obletěl zeměkouli. To samozřejmě také znamená, že po spuštění Picoballoon již nikdy neuvidíte. Proto chcete přenášet všechna potřebná data a samozřejmě udržet náklady co nejnižší.

Poznámka: Tento projekt je spoluprací s MatejHantabal. Určitě se podívejte i na jeho profil

UPOZORNĚNÍ: Jedná se o obtížně proveditelný pokročilý, ale také velmi zábavný projekt. Zde bude vysvětleno vše od návrhu DPS přes SMD po pájení. To znamená, pojďme do práce

AKTUALIZACE: Modul GPS jsme museli na poslední chvíli odebrat kvůli jeho velké spotřebě energie. Pravděpodobně to lze opravit, ale neměli jsme na to čas. Nechám to v pokynu, ale pozor, je to nevyzkoušené. Polohu můžete stále získat z metadat TTN, takže byste si s tím neměli dělat starosti

Krok 1: Princip

Při stavbě zařízení, jako je toto, existuje mnoho variant a možností, ale každý tracker potřebuje vysílač a napájecí zdroj. Většina sledovačů pravděpodobně bude obsahovat tyto komponenty:

- solární panel

- baterie (lipo nebo superkondenzátor)

- procesor/mikrokontrolér

- modul GPS

- senzor/s (teplota, vlhkost, tlak, UV, sluneční záření …)

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

Jak vidíte, existuje mnoho senzorů a vysílačů, které můžete použít. Jaké senzory použijete, je jen na vás. Nezáleží na tom, ale nejběžnější jsou snímače teploty a tlaku. Výběr vysílače je však mnohem obtížnější. Každá technologie má svá pro a proti. Nebudu to rozebírat, protože to by byla velmi dlouhá diskuse. Důležité je, že jsem si vybral LoRaWAN a myslím si, že je nejlepší (protože jsem ještě neměl možnost vyzkoušet ostatní). Vím, že LoRaWAN má pravděpodobně nejlepší pokrytí. Můžete mě opravit v komentářích.

Krok 2: Potřebné součásti

Pro tento projekt tedy budete potřebovat tyto věci:

Adafruit Feather 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (Toto jsme nakonec nepoužili)

Snímač teploty/vlhkosti/tlaku BME280

2x superkondenzátor 4,7F 2,7V

Solární panel s výkonem 5V

Vlastní PCB

Pokud spouštíte sami, potřebujete také toto:

Místně bylo zakoupeno nejméně 0,1 m3 hélia (hledejte: „helium pro 15 balónků“)

Samolepicí fóliový balón Qualatex 36"

Odhadované náklady na projekt: 80 € (pouze tracker) / 100 € (včetně balónu a helia)

Krok 3: Doporučené nástroje

Tyto nástroje by se mohly hodit:

odizolovač drátu

páječka

Páječka SMD

kleště

šroubováky

tavná pistole

multimetr

mikroskop

horkovzdušná pistole

Budete také potřebovat pájecí pastu.

Krok 4: Adafruit Feather 32U4

Těžko jsme vybírali správný mikrokontrolér pro balón. Adafruit Feather dopadl pro tuto práci nejlépe. Splňuje všechna požadovaná kritéria:

1) Má všechny potřebné piny: SDA/SCL, RX/TX, digitální, analogové

2) Má vysílač RFM95 LoRa.

3) Je lehký. Jeho hmotnost je pouze 5,5 g.

4) Má velmi nízkou spotřebu energie v režimu spánku (pouze 30uA).

Z tohoto důvodu si myslíme, že Adafruit Feather je nejlepší mikrokontrolér pro danou práci.

Krok 5: Návrh a výroba DPS

Opravdu se omlouvám za to, co vám řeknu. Budeme muset vyrobit vlastní desku plošných spojů. Bude to těžké a frustrující, ale je to nutné, takže začněme. Abyste správně porozuměli následujícímu textu, měli byste si přečíst tuto úžasnou třídu návrhu DPS od Instructables.

Nejprve tedy budete muset vytvořit schéma. Schéma i desku jsem vytvořil v návrhovém softwaru EAGLE PCB od Autodesku. Je to zdarma, tak si to stáhněte!

Bylo to poprvé, co jsem navrhoval desku plošných spojů, a mohu vám říci, že je to všechno o zablokování rozhraní Eagle. První desku jsem navrhl za 6 hodin, ale druhá deska mi zabrala necelou hodinu. Zde je výsledek. Docela pěkné schéma a deska, řekl bych.

Když máte soubor desky připraven, musíte vytvořit soubory Gerber a odeslat je výrobci. Objednal jsem si své desky z jlcpcb.com, ale můžete si vybrat jiného výrobce, který se vám líbí. Nastavil jsem tloušťku DPS na 0,8 mm místo standardních 1,6 mm, protože deska musí být lehká. Moje nastavení pro JLC PCB můžete vidět na snímku obrazovky.

Pokud nechcete stahovat Eagle, stačí si stáhnout „Ferdinand 1.0.zip“a nahrát jej do JLC PCB.

Když si objednáte desky plošných spojů, pohodlně se posaďte do křesla a počkejte dva týdny, než dorazí. Pak můžeme pokračovat.

Poznámka: Můžete si všimnout, že se schéma trochu liší od skutečné desky. To proto, že jsem si všiml, že holý BME280 IC je příliš těžké k pájení, takže jsem změnil schéma na únik

Krok 6: Pájení SMD

Další smutné oznámení: Pájení SMD není snadné. Teď je to opravdu těžké. Pán ať je s vámi. Ale tento návod by měl pomoci. Pájet můžete buď pomocí páječky a pájecího knotu, nebo pájecí pasty a horkovzdušné pistole. Žádná z těchto metod mi nebyla dost pohodlná. Ale měli byste to mít hotové do hodiny.

Umístěte součásti buď podle sítotisku na desku plošných spojů, nebo podle schématu.

Krok 7: Pájení

Poté, co je pájení SMD hotové, je zbytek pájecí práce v podstatě hračka. Téměř. Pravděpodobně jste již pájili a doufám, že budete chtít znovu pájet. Stačí pájet Adafruit Feather, antény, solární panel a superkondenzátory. Docela přímočaré, řekl bych.

Umístěte součásti buď podle sítotisku na desku plošných spojů, nebo podle schématu.

Krok 8: Dokončete Tracker

Takto by měl vypadat kompletní tracker. Podivný. Pěkný. Zajímavý. To jsou slova, která mě hned napadnou. Nyní stačí bliknout kód a vyzkoušet, zda funguje.

Krok 9: Nastavení TTN

The Things Network je globální komunitní síť LoRaWAN zaměřená na město. S více než 6887 branami (přijímači) v provozu je to největší globální síť IoT na světě. Používá komunikační protokol LoRa (dlouhý dosah), který je obecně k dispozici na frekvencích 868 (Evropa, Rusko) nebo 915 MHz (USA, Indie). Nejvíce jej používají zařízení IoT odesílající krátké zprávy ve městech. Můžete odeslat pouze 51 bajtů, ale můžete snadno dosáhnout dosahu od 2 km do 15 km. To je ideální pro jednoduché senzory nebo jiná zařízení IoT. A co je nejlepší, je to zdarma.

Nyní 2-15 rozhodně nestačí, ale pokud se dostanete na vyšší úroveň, měli byste mít lepší připojení. A náš balón bude velmi vysoký. Ve výšce 10 km nad mořem bychom měli získat spojení ze 100 km. Přítel spustil HAB s LoRa 31 km do vzduchu a dostal ping 450 km daleko. To je tedy docela rozumné.

Nastavení TTN by mělo být snadné. Stačí si pomocí e -mailu vytvořit účet a poté zařízení zaregistrovat. Nejprve musíte vytvořit aplikaci. Domovskou stránkou projektu je aplikace. Odtud můžete změnit kód dekodéru, zobrazit příchozí data a přidat/odebrat zařízení. Stačí vybrat jméno a můžete vyrazit. Poté, co je to hotovo, budete muset zaregistrovat zařízení v aplikaci. Musíte zadat MAC adresu Adafruit Feather (s Peřím v obalu). Poté byste měli nastavit způsob aktivace na ABP a měli byste vypnout kontroly čítačů rámců. Vaše zařízení by nyní mělo být zaregistrováno v aplikaci. Zkopírujte adresu zařízení, klíč relace v síti a klíč relace aplikace. V dalším kroku je budete potřebovat.

Pro zdravější vysvětlení navštivte tento návod.

Krok 10: Kódování

Adafruit Feather 32U4 má procesor ATmega32U4 AVR. To znamená, že nemá samostatný čip pro komunikaci USB (jako Arduino UNO), čip je součástí procesoru. To znamená, že nahrávání na Adafruit Feather může být o něco těžší ve srovnání s typickou deskou Arduino, ale funguje to s Arduino IDE, takže pokud budete postupovat podle tohoto tutoriálu, mělo by to být v pořádku.

Poté, co nastavíte IDE Arduino a úspěšně nahrajete skicu „mrknutí“, můžete přejít na skutečný kód. Stáhněte si „LoRa_Test.ino“. Podle toho změňte adresu zařízení, klíč relace v síti a klíč relace aplikace. Nahrajte skicu. Jít ven. Namiřte anténu do centra města nebo ve směru nejbližší brány. Nyní byste měli vidět vyskakování dat na konzole TTN. Pokud ne, komentujte níže. Nechci sem dávat vše, co se mohlo stát, nevím, jestli server Instructables zvládne takové množství textu.

Posouvat se. Pokud předchozí skica funguje, můžete si stáhnout „Ferdinand_1.0.ino“a změnit věci, které jste měli změnit v předchozím náčrtu. Nyní to zkuste znovu.

Pokud na konzole TTN získáváte nějaká náhodná data HEX, nebojte se, má to udělat. Všechny hodnoty jsou zakódovány v HEX. Budete potřebovat jiný kód dekodéru. Stáhněte si soubor „decoder.txt“. Zkopírujte jeho obsah. Nyní přejděte na konzolu TTN. Přejděte do aplikace/formáty užitečného zatížení/dekodér. Nyní odeberte původní kód dekodéru a vložte jej do svého. Nyní byste tam měli vidět všechna měření.

Krok 11: Testování

Nyní by to měla být nejdelší část projektu. Testování. Testování za všech druhů podmínek. V extrémních vedrech, stresu a se silným světlem (nebo venku na slunci) napodobujte podmínky tam nahoře. To by mělo trvat nejméně týden, aby nedošlo k žádnému překvapení, pokud jde o chování trackeru. Ale to je ideální svět a ten čas jsme neměli, protože tracker byl postaven pro soutěž. Provedli jsme nějaké změny na poslední chvíli (doslova jako 40 minut před spuštěním), takže jsme nevěděli, co očekávat. To není dobré. Ale víte, pořád jsme soutěž vyhráli.

Tuto část budete pravděpodobně muset udělat venku, protože uvnitř nesvítí slunce a protože LoRa nebude mít ve vaší kanceláři nejlepší příjem.

Krok 12: Některé funky vzorce

Pikoballooni jsou velmi citliví. Nemůžete je jen naplnit heliem a spustit. To se jim opravdu nelíbí. Nech mě to vysvětlit. Pokud je vztlaková síla příliš nízká, balón se (zjevně) nezvedne. ALE, a to je ten háček, pokud je vztlaková síla příliš vysoká, balón bude létat příliš vysoko, síly na balónu budou příliš velké a vyskočí a spadne na zem. To je hlavní důvod, proč tyto výpočty opravdu chcete provést.

Pokud trochu znáte fyziku, neměli byste mít problém porozumět výše uvedeným vzorcům. Existuje několik proměnných, které musíte zadat do vzorce. To zahrnuje: konstanta plnícího plynu, termodynamická teplota, tlak, hmotnost sondy a hmotnost balónu. Pokud budete postupovat podle tohoto tutoriálu a použijete stejný balón (Qualatex microfoil 36 ) a stejný plnící plyn (helium), jediná věc, která se ve skutečnosti bude lišit, je hmotnost sondy.

Tyto vzorce by vám pak měly poskytnout: objem helia potřebný k naplnění balónu, rychlost, jakou balón stoupá, nadmořská výška, ve které balón letí, a také hmotnost volného zdvihu. To všechno jsou velmi užitečné hodnoty. Rostoucí rychlost je důležitá, aby balón nenarazil na překážky, protože je příliš pomalý a je opravdu příjemné vědět, jak vysoko balón letí. Ale nejdůležitější z nich je pravděpodobně volný výtah. Při plnění balónu v kroku 14 je vyžadován volný zdvih.

Díky TomasTT7 za pomoc se vzorci. Podívejte se na jeho blog zde.

Krok 13: Rizika

Takže váš tracker funguje. Ta sračka, na které jsi pracoval dva měsíce, skutečně funguje! Gratulujeme.

Pojďme se tedy podívat, s jakými riziky se vaše dítě sondy může setkat ve vzduchu:

1) Na sluneční panel nebude dopadat dostatek slunečního světla. Superkondenzátory se vyčerpají. Sonda přestane fungovat.

2) Sonda se dostane mimo rozsah a nebudou přijímána žádná data.

3) Silné poryvy větru sondu zničí.

4) Sonda projde během výstupu bouří a déšť zkratuje okruh.

5) Na solárním panelu se vytvoří ledový povlak. Superkondenzátory se vyčerpají. Sonda přestane fungovat.

6) Část sondy se při mechanickém namáhání zlomí.

7) Část sondy se zlomí za extrémních teplotních a tlakových podmínek.

8) Mezi balónem a vzduchem se vytvoří elektrostatický náboj a vytvoří jiskru, která poškodí sondu.

9) Sonda bude zasažena bleskem.

10) Sonda bude zasažena letadlem.

11) Sonda bude zasažena ptákem.

12) Mimozemšťané unesou vaši sondu. Může se to stát, zejména pokud bude balón nad oblastí 51.

Krok 14: Spusťte

Takže to je vše. Je den D a vy spustíte svůj milovaný pikobalón. Vždy je dobré znát terén a všechny možné překážky. Také musíte neustále sledovat počasí (hlavně rychlost a směr větru). Tímto způsobem minimalizujete šance, že vaše vybavení v hodnotě 100 EUR a 2 měsíce vašeho času narazí do stromu nebo do zdi. To by bylo smutné.

Vložte trubku do balónu. Připevněte balón k něčemu těžkému pomocí nylonu. Těžkou věc dejte na váhu. Resetujte váhu. Zajistěte druhý konec potrubí na heliové nádrži. Začněte pomalu otevírat ventil. Nyní byste na stupnici měli vidět záporná čísla. Nyní je čas použít hodnotu volného zdvihu, kterou jste vypočítali v kroku 12. Uzavřete ventil, když záporné číslo dosáhne hmotnosti balónu + volný zdvih. V mém případě to bylo 15 g + 2,4 g, takže jsem zavřel ventil přesně na -17,4 g na stupnici. Vyjměte potrubí. Balónek je samotěsnící, měl by automaticky těsnit. Odvažte těžký předmět a nahraďte jej sondou. Nyní jste připraveni ke spuštění.

Podívejte se na video, kde najdete všechny podrobnosti.

Krok 15: Příjem dat

Ach, pamatuji si ten pocit, který jsme měli po startu. Stres, frustrace, spousta hormonů. Bude to fungovat? Bude naše práce bezcenná? Utratili jsme tolik peněz za něco, co nefunguje? To jsou otázky, které jsme si kladli po spuštění.

Naštěstí sonda reagovala asi 20 minut po startu. A pak jsme dostali balíček každých 10 minut. V 17:51:09 GMT jsme ztratili kontakt se sondou. Mohlo to být lepší, ale stále je to v pořádku.

Krok 16: Další plány

Byl to jeden z našich dosud nejtěžších projektů. Ne všechno bylo dokonalé, ale to je v pořádku, vždy to tak je. Stále to bylo velmi úspěšné. Tracker fungoval bezchybně. Mohlo to fungovat mnohem déle, ale to nevadí. A skončili jsme druzí v soutěži Picoballoon. Nyní můžete říci, že být druhým v soutěži se 17 lidmi není takový úspěch, ALE mějte na paměti, že se jedná o dospělou inženýrskou/stavební soutěž. Je nám 14 let. Soutěžili jsme s dospělými, kteří měli inženýrské a možná i letecké zázemí a mnohem více zkušeností. Celkově bych tedy řekl, že to byl velký úspěch. Dostali jsme 200 €, což bylo přibližně dvojnásobek našich výdajů.

Určitě se chystám postavit verzi 2.0. Bude to mnohem lepší, s menšími součástmi (barebone procesor, RFM95) a bude to spolehlivější, takže zůstaňte naladěni na další instruktáž.

Naším hlavním cílem je nyní vyhrát soutěž Epilog X. Kolegové tvůrci, pokud se vám tento návod líbil, zvažte prosím jeho hlasování. Opravdu by nám to pomohlo. Moooc děkuji!

Druhé místo v soutěži Epilog X