Kā izveidot pikabalonu: 16 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:56

Kas ir pikobalons un kāpēc es to gribētu uzbūvēt ?! Es dzirdu, kā jūs jautājat. Ļauj man paskaidrot. Jūs droši vien zināt, kas ir HAB (gaisa balons augstā augstumā). Tas ir virkne dīvainu elektronikas lietu, kas savienotas ar balonu. Šeit ir ļoti daudz pamācību par HAB, vietnē Instructables.

BET, un tas ir ļoti liels BET tas, ko viņi jums visbiežāk nestāsta apmācībā, ir uzpildes gāzes izmaksas. Tagad jūs varat izveidot pienācīgu HAB izsekotāju zem 50 eiro, bet, ja tas sver 200 g (kas ir diezgan optimistisks minējums ar baterijām, kamerām utt.), Hēlijs balona piepildīšanai var maksāt 200 eiro vai vairāk, kas ir pārāk daudz daudziem tādiem veidotājiem kā es.

Tātad, kā jūs varat uzminēt, pikobaloni atrisina šo problēmu, vienkārši neesot apjomīgi un smagi. Picoballoon ir tikai vārds vieglam HAB. Gaisma, ko es domāju ar gaismu? Parasti pikabaloni ir vieglāki par 20 g. Tagad iedomājieties, ka procesors, raidītājs, PCB, GPS, antenas, saules panelis un arī akumulators ar tādu pašu masu kā vienreizējās lietošanas kafijas krūze vai karote. Vai tas nav vienkārši neprāts?

Vēl viens iemesls (izņemot izmaksas), kāpēc jūs vēlaties to veidot, ir tā klāsts un izturība. Klasiskais HAB var lidot līdz 4 stundām un nobraukt līdz 200 km. Savukārt pikobalons var lidot līdz pāris mēnešiem un ceļot līdz desmitiem tūkstošu kilometru. Viens poļu puisis lika savam pikabalonam vairākkārt lidot pa pasauli. Tas, protams, nozīmē arī to, ka jūs nekad vairs neredzēsit savu Picoballoon pēc tā palaišanas. Tāpēc jūs vēlaties pārsūtīt visus nepieciešamos datus un, protams, saglabāt izmaksas pēc iespējas zemākas.

Piezīme: Šis projekts ir sadarbība ar MatejHantabal. Noteikti apskatiet arī viņa profilu

BRĪDINĀJUMS: Šis ir grūti paveicams augstākā līmeņa, bet arī ļoti jautrs projekts. Šeit tiks izskaidrots viss, sākot no PCB dizaina līdz SMD līdz lodēšanai. Tas nozīmē, ka sāksim strādāt

ATJAUNINĀT: Pēdējā brīdī mums bija jānoņem GPS modulis tā lielā enerģijas patēriņa dēļ. To droši vien var labot, bet mums nebija laika tam. Es atstāšu to pamācībā, bet uzmanieties, ka tas nav pārbaudīts. Jūs joprojām varat iegūt atrašanās vietu no TTN metadatiem, tāpēc jums par to nav jāuztraucas

1. solis: princips

Tātad, veidojot šādu ierīci, ir daudz variāciju un iespēju, taču katram izsekotājam ir nepieciešams raidītājs un barošanas avots. Lielākajā daļā izsekotāju, iespējams, būs šādas sastāvdaļas:

- saules panelis

- akumulators (lipo vai superkondensators)

- procesors/mikrokontrolleris

- GPS modulis

- sensors (-i) (temperatūra, mitrums, spiediens, UV, saules starojums …)

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

Kā redzat, ir daudz sensoru un raidītāju, kurus varat izmantot. Tas, kādus sensorus izmantot, ir atkarīgs no jums. Tam nav īsti nozīmes, bet visizplatītākie ir temperatūras un spiediena sensori. Tomēr raidītāja izvēle ir daudz grūtāka. Katrai tehnoloģijai ir daži plusi un mīnusi. Es to šeit nesadalīšu, jo tā būtu ļoti gara diskusija. Svarīgi ir tas, ka es izvēlējos LoRaWAN un domāju, ka tas ir labākais (jo man vēl nebija iespējas pārbaudīt pārējos). Es zinu, ka LoRaWAN, iespējams, ir vislabākais pārklājums. Esiet laipni aicināti mani labot komentāros.

2. solis: nepieciešamās detaļas

Tātad, šim projektam jums būs nepieciešamas šādas lietas:

Adafruit Feather 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (mēs to neizmantojām beigās)

BME280 temperatūras/mitruma/spiediena sensors

2xSuperkondensators 4.7F 2.7V

Saules panelis ar izeju 5V

Pielāgotas PCB

Ja palaižat pats, jums ir nepieciešams arī šis:

Vismaz 0,1m3 hēlija (meklēt: "hēlija tvertne 15 baloniem") iegādāts uz vietas

Qualatex 36 pašblīvējošs folijas balons

Paredzamās projekta izmaksas: 80 € (tikai izsekotājs) / 100 € (ieskaitot balonu un hēliju)

3. darbība. Ieteicamie rīki

Šie rīki var būt noderīgi:

stiepļu noņēmējs

lodāmurs

SMD lodāmurs

knaibles

skrūvgrieži

līmes pistole

multimetrs

mikroskops

karstā gaisa lielgabals

Jums būs nepieciešama arī lodēšanas pasta.

4. solis: Adafruit Feather 32U4

Mums bija grūti izvēlēties balonam pareizo mikrokontrolleri. Adafruit spalva izrādījās vislabākā šim darbam. Tas atbilst visiem nepieciešamajiem kritērijiem:

1) Tam ir visas nepieciešamās tapas: SDA/SCL, RX/TX, digitāls, analogs

2) Tam ir RFM95 LoRa raidītājs.

3) Tas ir viegls. Tās masa ir tikai 5,5 g.

4) Tam ir ļoti zems enerģijas patēriņš miega režīmā (tikai 30uA).

Šī iemesla dēļ mēs domājam, ka Adafruit Feather ir labākais mikrokontrolleris šim darbam.

5. solis: PCB projektēšana un ražošana

Man tiešām žēl, ko es jums teikšu. Mums būs jāizveido pielāgota PCB. Tas būs grūti un nomākti, bet tas ir nepieciešams, tāpēc sāksim darbu. Turklāt, lai pareizi saprastu šo tekstu, jums vajadzētu izlasīt šo lielisko PCB dizaina klasi Instructables.

Tātad, vispirms jums būs jāizveido shēma. Es gan shēmu, gan tāfeli izveidoju EAGLE PCB projektēšanas programmatūrā, ko izstrādājis Autodesk. Tas ir bez maksas, tāpēc lejupielādējiet to!

Tā bija mana pirmā reize, kad izstrādāju PCB, un es varu jums pateikt, ka tas viss ir saistīts ar Eagle saskarnes pakārtību. Es izveidoju savu pirmo dēli 6 stundu laikā, bet otrais dēlis man aizņēma mazāk nekā stundu. Šeit ir rezultāts. Diezgan jauka shēma un tāfele, es teiktu.

Kad esat sagatavojis tāfeles failu, jums ir jāizveido gerber faili un jānosūta tie ražotājam. Es pasūtīju savus dēļus vietnē jlcpcb.com, bet jūs varat izvēlēties jebkuru citu ražotāju, kas jums patīk. Es iestatīju PCB biezumu uz 0,8 mm standarta 1,6 mm vietā, jo plāksnei jābūt vieglai. Ekrānuzņēmumā varat redzēt manus JLC PCB iestatījumus.

Ja nevēlaties lejupielādēt Eagle, varat vienkārši lejupielādēt "Ferdinand 1.0.zip" un augšupielādēt to JLC PCB.

Pasūtot PCB, vienkārši ērti apsēdieties krēslā un pagaidiet divas nedēļas, līdz tās ieradīsies. Tad mēs varam turpināt.

Piezīme. Jūs varat pamanīt, ka shēma nedaudz atšķiras no faktiskās plates. Tas ir tāpēc, ka es pamanīju, ka tukšo BME280 IC ir pārāk grūti pielodēt, tāpēc es nomainīju shematisku izlaušanos

6. solis: SMD lodēšana

Vēl viens skumjš paziņojums: SMD lodēšana nav vienkārša. Tagad tiešām, tas ir friting grūti. Lai kungs ir ar jums. Bet šai apmācībai vajadzētu palīdzēt. Jūs varat lodēt, izmantojot lodāmuru un lodēšanas dakti, vai lodēšanas pastu un karstā gaisa pistoli. Neviena no šīm metodēm man nebija pietiekami ērta. Bet jums tas jādara stundas laikā.

Novietojiet komponentus saskaņā ar sietspiedi uz PCB vai saskaņā ar shēmu.

7. solis: lodēšana

Pēc SMD lodēšanas pabeigšanas pārējais lodēšanas darbs būtībā ir kūkas gabals. Gandrīz. Jūs, iespējams, jau esat lodējis, un es ceru, ka vēlaties vēlreiz lodēt. Jums vienkārši nepieciešams lodēt Adafruit spalvu, antenas, saules paneli un superkondensatorus. Diezgan vienkārši es teiktu.

Novietojiet komponentus saskaņā ar sietspiedi uz PCB vai saskaņā ar shēmu.

8. darbība. Pabeidziet izsekotāju

Šādam vajadzētu izskatīties pilnam izsekotājam. Dīvaini. Jauki. Interesanti. Tie ir vārdi, kas man uzreiz ienāk prātā. Tagad jums vienkārši jāzibina kods un jāpārbauda, vai tas darbojas.

9. solis: TTN iestatīšana

The Things Network ir globāls, uz pilsētu orientēts kopienas LoRaWAN tīkls. Ar vairāk nekā 6887 vārtejām (uztvērējiem) darbojas un tas ir lielākais globālais IoT tīkls pasaulē. Tas izmanto LoRa (Long Range) sakaru protokolu, kas parasti ir frekvencēs 868 (Eiropa, Krievija) vai 915 MHz (ASV, Indija). To visplašāk izmanto IoT ierīces, kas sūta īsziņas pilsētās. Jūs varat nosūtīt tikai līdz 51 baitiem, bet jūs varat viegli iegūt diapazonu no 2 km līdz 15 km. Tas ir ideāli piemērots vienkāršiem sensoriem vai citām IoT ierīcēm. Un pats labākais - tas ir bez maksas.

Tagad ar 2-15 noteikti nepietiek, bet, ja nokļūstat augstākā līmenī, jums vajadzētu būt labākam savienojumam. Un mūsu balons būs ļoti augsts. 10 km virs jūras līmeņa mums vajadzētu iegūt savienojumu no 100 km. Draugs palaida HAB ar LoRa 31 km gaisā, un viņš saņēma ping 450 km attālumā. Tātad, tas ir diezgan saprātīgi.

TTN iestatīšanai jābūt vienkāršai. Jums vienkārši jāizveido konts ar savu e -pastu un pēc tam jāreģistrē ierīce. Sākumā jums ir jāizveido lietojumprogramma. Pieteikums ir visa projekta mājas lapa. Šeit jūs varat mainīt dekodētāja kodu, skatīt ienākošos datus un pievienot/noņemt ierīces. Vienkārši izvēlieties vārdu un esat gatavs doties. Kad tas ir izdarīts, jums ir jāreģistrē ierīce lietojumprogrammā. Jums jāievada Adafruit spalvas MAC adrese (ar spalvu iepakojumā). Tad jums vajadzētu iestatīt aktivizācijas metodi uz ABP un atspējot kadru skaitītāju pārbaudes. Jūsu ierīcei tagad jābūt reģistrētai lietojumprogrammā. Kopējiet ierīces adresi, tīkla sesijas atslēgu un lietotnes sesijas atslēgu. Tie jums būs nepieciešami nākamajā darbībā.

Lai iegūtu pilnvērtīgāku skaidrojumu, apmeklējiet šo apmācību.

10. darbība: kodēšana

Adafruit Feather 32U4 ir ATmega32U4 AVR procesors. Tas nozīmē, ka tai nav atsevišķas mikroshēmas USB komunikācijai (kā Arduino UNO), mikroshēma ir iekļauta procesorā. Tas nozīmē, ka augšupielāde Adafruit Feather var būt nedaudz grūtāka salīdzinājumā ar tipisku Arduino dēli, taču tā darbojas ar Arduino IDE, tāpēc, ja sekojat šai apmācībai, tam vajadzētu būt labi.

Kad esat iestatījis Arduino IDE un veiksmīgi augšupielādējis “mirgojošo” skici, varat pāriet uz faktisko kodu. Lejupielādēt "LoRa_Test.ino". Attiecīgi mainiet ierīces adresi, tīkla sesijas atslēgu un lietotnes sesijas atslēgu. Augšupielādējiet skici. Iet ārā. Pavērsiet antenu uz pilsētas centru vai tuvākās vārtejas virzienā. Tagad jums vajadzētu redzēt datus, kas parādās TTN konsolē. Ja nē, komentējiet zemāk. Es nevēlos šeit ievietot visu, kas varēja notikt, es nezinu, vai Instructables serveris varētu tikt galā ar šādu teksta daudzumu.

Virzoties tālāk. Ja iepriekšējā skice darbojas, varat lejupielādēt "Ferdinand_1.0.ino" un mainīt lietas, kuras jums vajadzēja mainīt iepriekšējā skicē. Tagad pārbaudiet to vēlreiz.

Ja TTN konsolē iegūstat nejaušus HEX datus, neuztraucieties, tas ir jādara. Visas vērtības ir kodētas HEX. Jums būs nepieciešams cits dekodētāja kods. Lejupielādējiet "decoder.txt". Kopējiet tā saturu. Tagad dodieties uz TTN konsoli. Dodieties uz savu lietojumprogrammu/kravnesības formātiem/dekodētāju. Tagad noņemiet sākotnējo dekodētāja kodu un ielīmējiet savējo. Tagad jums vajadzētu redzēt visus rādījumus.

11. darbība: pārbaude

Tagad tam vajadzētu būt projekta garākajai daļai. Testēšana. Pārbaude visu veidu apstākļos. Lielā karstumā, stresā un ar spēcīgu gaismu (vai ārpus saules), lai atdarinātu apstākļus tur augšā. Tam vajadzētu aizņemt vismaz nedēļu, lai nebūtu nekādu pārsteigumu attiecībā uz izsekotāja uzvedību. Bet tā ir ideāla pasaule, un mums nebija laika, jo izsekotājs tika izveidots sacensībām. Mēs veicām dažas pēdējā brīža izmaiņas (burtiski kā 40 minūtes pirms palaišanas), tāpēc nezinājām, ko gaidīt. Tas nav labi. Bet ziniet, mēs tomēr uzvarējām konkursā.

Iespējams, šī daļa būs jādara ārā, jo iekšpusē nespīd saule un LoRa jūsu birojā nebūs vislabākā uztveršana.

12. solis: dažas sarežģītas formulas

Pikbaloni ir ļoti jutīgi. Jūs nevarat tos vienkārši piepildīt ar hēliju un palaist. Viņiem tas tiešām nepatīk. Ļauj man paskaidrot. Ja peldošais spēks ir pārāk zems, balons nepacelsies (acīmredzot). BET, un tas ir loms, ja peldošais spēks ir pārāk liels, balons lidos pārāk augstu, spēki uz balona būs pārāk lieli, un tas uzsitīs un nokritīs zemē. Tas ir galvenais iemesls, kāpēc jūs patiešām vēlaties veikt šos aprēķinus.

Ja jūs mazliet zināt fiziku, jums nevajadzētu būt grūtībām saprast iepriekš minētās formulas. Ir daži mainīgie, kas jāievada formulā. Tas ietver: uzpildes gāzes konstante, termodinamiskā temperatūra, spiediens, zondes masa un balona masa. Ja sekojat šai apmācībai un izmantojat to pašu balonu (Qualatex microfoil 36 ) un to pašu uzpildes gāzi (hēliju), vienīgais, kas faktiski atšķirsies, ir zondes masa.

Pēc šīm formulām jums vajadzētu norādīt: hēlija tilpumu, kas nepieciešams balona uzpildīšanai, balona pacelšanās ātrumu, balona lidojuma augstumu un brīvo pacelšanas svaru. Tās visas ir ļoti noderīgas vērtības. Pieaugošais ātrums ir svarīgs, lai balons nesaskartos ar šķēršļiem, jo tas ir pārāk lēns, un ir patiešām patīkami zināt, cik augstu balons lidos. Bet vissvarīgākais no tiem, iespējams, ir bezmaksas pacēlājs. Bezmaksas pacelšana ir nepieciešama, kad 14. solī piepildīsiet balonu.

Paldies TomasTT7 par palīdzību formulās. Iepazīstieties ar viņa emuāru šeit.

13. darbība: riski

Tātad, jūsu izsekotājs darbojas. Tas sūds, pie kura strādājāt divus mēnešus, patiesībā darbojas! Apsveicu.

Tātad, pārskatīsim, ar kādiem riskiem jūsu zondes bērns var saskarties gaisā:

1) Saules panelī nebūs pietiekami daudz saules gaismas. Superkondensatori iztukšosies. Zonde pārstās darboties.

2) Zonde nonāks diapazonā, un dati netiks saņemti.

3) Spēcīgas vēja brāzmas iznīcinās zondi.

4) Zonde kāpšanas laikā izies cauri vētrai, un lietus saīsinās ķēdi.

5) Uz saules paneļa izveidosies ledus pārklājums. Superkondensatori iztukšosies. Zonde pārstās darboties.

6) Daļa zondes salūzīs mehāniskā sprieguma ietekmē.

7) Daļa zondes saplīst ārkārtējos karstuma un spiediena apstākļos.

8) Starp balonu un gaisu veidosies elektrostatiskais lādiņš, veidojot dzirksteli, kas sabojās zondi.

9) Zondi iesitīs zibens.

10) Zondi trāpīs lidmašīna.

11) Zondi trāpīs putns.

12) Ārvalstnieki nolaupīs jūsu zondi. Īpaši tas var notikt, ja balons atradīsies virs 51. zonas.

14. solis: palaidiet

Tātad, tas ir viss. Ir D diena, un jūs sāksiet palaist savu mīļoto pikabalonu. Vienmēr ir labi zināt reljefu un visus iespējamos šķēršļus. Jums arī pastāvīgi jāuzrauga laika apstākļi (galvenokārt vēja ātrums un virziens). Tādā veidā jūs samazināsit iespēju, ka jūsu 100 eiro vērtais aprīkojums un 2 mēneši jūsu laika ietriksies kokā vai sienā. Tas būtu skumji.

Ievietojiet cauruli balonā. Piesaistiet balonu ar kaut ko smagu ar neilonu. Novietojiet smago lietu svarā. Atiestatīt skalu. Nostipriniet caurules otru galu pie hēlija tvertnes. Sāciet lēnām atvērt vārstu. Tagad skalā vajadzētu redzēt negatīvus skaitļus. Tagad ir pienācis laiks izmantot 12. solī aprēķināto brīvā pacelšanās vērtību. Aizveriet vārstu, kad negatīvais skaitlis sasniedz balona + brīvās pacelšanas masu. Manā gadījumā tas bija 15 g + 2,4 g, tāpēc es aizvēru vārstu precīzi -17,4 g uz skalas. Noņemiet cauruli. Balons ir pašblīvējošs, tam vajadzētu automātiski noslēgties. Atvienojiet smago priekšmetu un nomainiet to ar zondi. Tagad esat gatavs sākt.

Vienkārši noskatieties video, lai uzzinātu visu informāciju.

15. darbība: datu saņemšana

Ak, es atceros sajūtu, kāda mums bija pēc palaišanas. Stress, vilšanās, daudz hormonu. Vai tas izdosies? Vai mūsu darbs būs bezvērtīgs? Vai mēs vienkārši iztērējām tik daudz naudas kaut kam, kas nedarbojas? Šādus jautājumus mēs sev uzdevām pēc palaišanas.

Par laimi, zonde reaģēja apmēram 20 minūtes pēc palaišanas. Un tad mēs saņēmām paciņu ik pēc 10 minūtēm. Mēs zaudējām kontaktu ar zondi pulksten 17:51:09 GMT. Varēja būt labāk, bet tomēr ir labi.

16. darbība. Tālākie plāni

Šis bija viens no mūsu grūtākajiem projektiem līdz šim. Ne viss bija ideāli, bet tas ir labi, tas vienmēr ir tā. Tas joprojām bija ļoti veiksmīgs. Sekotājs strādāja nevainojami. To varēja darīt daudz ilgāk, bet tam nav nozīmes. Un mēs palikām otrie Picoballoon sacensībās. Tagad jūs varētu teikt, ka būt otrajam konkursā ar 17 cilvēkiem nav tik veiksmīgs, BET paturiet prātā, ka šis ir pieaugušo inženieru/celtniecības konkurss. Mums ir 14 gadi. Tie, ar kuriem mēs konkurējām, bija pieaugušie ar inženierzinātnēm un, iespējams, pat kosmosa pieredzi un ar daudz lielāku pieredzi. Tātad, jā, kopumā es teiktu, ka tas bija liels panākums. Mēs saņēmām 200 €, kas bija aptuveni divreiz vairāk nekā mūsu izdevumi.

Es noteikti izveidošu versiju 2.0. Tas būs daudz labāk ar mazākiem komponentiem (barebone procesors, RFM95), un tas būs uzticamāks, tāpēc sekojiet līdzi nākamajam norādījumam.

Mūsu galvenais mērķis tagad ir uzvarēt Epilog X konkursā. Kolēģi veidotāji, ja jums patika šī pamācība, lūdzu, apsveriet iespēju balsot par to. Tas mums patiešām palīdzētu. Liels paldies!

Otrā vieta Epilog X konkursā