Как сделать пикобаллон: 16 шагов (с рисунками)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

Что такое пикобаллон и зачем мне его строить ?! Я слышал, вы спросите. Позволь мне объяснить. Вы все, наверное, знаете, что такое HAB (High Altitude Balloon). Это куча странной электроники, соединенной с воздушным шаром. Здесь, на Instructables, есть так много руководств по HAB.

НО, и это очень большое НО то, чего они не говорят вам в большинстве случаев в учебнике, - это стоимость заправочного газа. Теперь вы можете построить приличный трекер HAB стоимостью менее 50 евро, но если он весит 200 г (что является довольно оптимистичным предположением с учетом батареек, камер и т. Д.), Гелий для наполнения воздушного шара может стоить вам 200 евро или больше, что является слишком много для многих производителей вроде меня.

Итак, как вы можете догадаться, пикобаллоны решают эту проблему за счет того, что они не являются громоздкими и тяжелыми. Пикобаллон - это просто слово, обозначающее легкую ВЧВ. Свет, что я имею в виду под светом? Как правило, пикобаллоны легче 20 г. А теперь представьте себе процессор, передатчик, печатную плату, GPS, антенны, солнечную панель, а также аккумулятор с массой, такой же, как у одноразовой кофейной чашки или ложки. Разве это не безумие?

Еще одна причина (помимо стоимости), по которой вы захотите построить это, - это дальность и выносливость. Classic HAB может летать до 4 часов и преодолевать расстояние до 200 км. С другой стороны, Picoballoon может летать до пары месяцев и преодолевать десятки тысяч километров. Один поляк получил свой пикобаллон, который несколько раз облетел земной шар. Это, конечно, также означает, что вы больше никогда не увидите свой Пикобаллон после его запуска. Вот почему вы хотите передавать все необходимые данные и, конечно же, минимизировать расходы.

Примечание: этот проект является результатом сотрудничества с MatejHantabal. Не забудьте также проверить его профиль

ВНИМАНИЕ: это сложный продвинутый уровень, но также очень увлекательный проект. Здесь будет объяснено все, от дизайна печатной платы до SMD и пайки. Тем не менее, приступим к работе

ОБНОВЛЕНИЕ: нам пришлось удалить модуль GPS в последнюю минуту из-за его большого энергопотребления. Возможно, это можно исправить, но у нас не было на это времени. Я оставлю его в инструкции, но будьте осторожны, чтобы он не был протестирован. Вы по-прежнему можете получить местоположение из метаданных TTN, так что вам не стоит об этом беспокоиться

Шаг 1. Принцип

Итак, при создании такого устройства существует множество вариантов и вариантов, но каждому трекеру нужен передатчик и источник питания. Большинство трекеров, вероятно, будут включать в себя следующие компоненты:

- солнечная панель

- аккумулятор (липо или суперконденсатор)

- процессор / микроконтроллер

- модуль GPS

- датчик / ы (температура, влажность, давление, УФ, солнечное излучение…)

- передатчик (433 МГц, LoRa, WSPR, APRS, LoRaWAN, Iridium)

Как видите, существует множество датчиков и передатчиков, которые вы можете использовать. Какие датчики использовать - решать вам. На самом деле это не имеет значения, но чаще всего используются датчики температуры и давления. Однако выбрать передатчик намного сложнее. У каждой технологии есть свои плюсы и минусы. Я не буду здесь останавливаться, потому что это будет очень долгое обсуждение. Важно то, что я выбрал LoRaWAN и считаю его лучшим (потому что у меня еще не было возможности протестировать другие). Я знаю, что у LoRaWAN, вероятно, лучшее покрытие. Пожалуйста, поправьте меня в комментариях.

Шаг 2: Необходимые детали

Итак, для этого проекта вам понадобятся:

Adafruit Feather 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (мы не использовали это в конце)

BME280 датчик температуры / влажности / давления

2xСуперконденсатор 4,7 Ф 2,7 В

Солнечная панель с выходом 5В

Пользовательские печатные платы

Если запускаете самостоятельно, вам также понадобится это:

Не менее 0,1 м3 гелия (поисковый запрос: «баллон с гелием на 15 шаров»), закупленный на месте.

Самоуплотняющийся воздушный шар из фольги Qualatex 36 дюймов

Ориентировочная стоимость проекта: 80 € (только трекер) / 100 € (включая воздушный шар и гелий)

Шаг 3. Рекомендуемые инструменты

Эти инструменты могут пригодиться:

инструмент для зачистки проводов

паяльник

Паяльник SMD

плоскогубцы

отвертки

клей-пистолет

мультиметр

микроскоп

термофен

Также вам понадобится паяльная паста.

Шаг 4: Adafruit Feather 32U4

Нам было нелегко выбрать подходящий микроконтроллер для воздушного шара. Перо Адафрута оказалось лучшим для этой работы. Он соответствует всем необходимым критериям:

1) Имеет все необходимые пины: SDA / SCL, RX / TX, цифровой, аналоговый

2) Он имеет передатчик RFM95 LoRa.

3) Он легкий. Его масса всего 5,5 г.

4) Он имеет очень низкое энергопотребление в спящем режиме (всего 30 мкА).

По этой причине мы считаем, что Adafruit Feather - лучший микроконтроллер для этой работы.

Шаг 5: проектирование и производство печатной платы

Мне искренне жаль то, что я собираюсь вам сказать. Нам нужно будет сделать специальную печатную плату. Это будет сложно и неприятно, но необходимо, так что приступим. Кроме того, чтобы правильно понять следующий текст, вам следует прочитать этот замечательный класс проектирования печатных плат от Instructables.

Итак, сначала вам нужно будет сделать схему. Я сделал и схему, и плату в программе проектирования печатных плат EAGLE от Autodesk. Это бесплатно, так что скачайте!

Я впервые разрабатывал печатную плату, и я могу сказать вам, что все дело в том, чтобы научиться работать с интерфейсом Eagle. Я разработал свою первую доску за 6 часов, но на создание второй доски у меня ушло меньше часа. Вот результат. Довольно симпатичная схема и, я бы сказал, плата.

Когда у вас есть готовый файл платы, вам нужно создать файлы gerber и отправить их производителю. Я заказал свои платы на сайте jlcpcb.com, но вы можете выбрать любого другого производителя, который вам нравится. Я установил толщину печатной платы 0,8 мм вместо стандартных 1,6 мм, потому что плата должна быть легкой. Вы можете увидеть мои настройки для JLC PCB на скриншоте.

Если вы не хотите загружать Eagle, вы можете просто загрузить «Ferdinand 1.0.zip» и загрузить его на плату JLC.

Когда вы заказываете печатные платы, просто сядьте поудобнее в свое кресло и подождите две недели, пока они придут. Тогда мы можем продолжить.

Примечание: вы можете заметить, что схема немного отличается от реальной платы. Это потому, что я заметил, что голую микросхему BME280 слишком сложно паять, поэтому я изменил схему для прорыва

Шаг 6: пайка SMD

Еще одно печальное объявление: пайка SMD - дело непростое. На самом деле, это чертовски сложно. Да пребудет с вами господин. Но этот урок должен помочь. Паять можно либо паяльником и фитилем, либо паяльной пастой и термофеном. Ни один из этих методов не был мне достаточно удобен. Но вы должны сделать это в течение часа.

Разместите компоненты либо в соответствии с шелкографией на печатной плате, либо в соответствии со схемой.

Шаг 7: пайка

После того, как пайка SMD завершена, остальная часть работы по пайке - это, по сути, кусок пирога. Почти. Вы, наверное, паяли раньше, и я надеюсь, что вы захотите паять снова. Вам просто нужно припаять Adafruit Feather, антенны, солнечную панель и суперконденсаторы. Я бы сказал, довольно просто.

Разместите компоненты либо в соответствии с шелкографией на печатной плате, либо в соответствии со схемой.

Шаг 8: Завершите трекер

Так должен выглядеть трекер в сборе. Странный. Отлично. Интересно. Это слова, которые сразу приходят мне в голову. Теперь вам просто нужно прошить код и проверить, работает ли он.

Шаг 9: Настройка TTN

The Things Network - это глобальная сеть LoRaWAN, ориентированная на города. С более чем 6887 запущенными шлюзами (приемниками) это самая большая глобальная сеть IoT в мире. Он использует протокол связи LoRa (Long Range), который обычно работает на частотах 868 (Европа, Россия) или 915 МГц (США, Индия). Он наиболее широко используется устройствами Интернета вещей, отправляющими короткие сообщения в городах. Вы можете отправить только до 51 байта, но вы можете легко получить диапазон от 2 до 15 км. Это идеально подходит для простых датчиков или других устройств IoT. И, что самое главное, это бесплатно.

Теперь, 2-15, конечно, недостаточно, но если вы доберетесь до более высокого уровня, у вас должно быть лучшее соединение. И наш воздушный шар будет очень высоким. На 10 км выше уровня моря мы должны получить соединение со 100 км. Друг запустил HAB с LoRa на высоте 31 км и получил пинг на расстоянии 450 км. Так что это довольно разумно.

Настройка TTN должна быть простой. Вам просто нужно создать учетную запись со своей электронной почтой, а затем вам нужно зарегистрировать устройство. Сначала вам нужно создать приложение. Приложение - это вся домашняя страница проекта. Отсюда вы можете изменить код декодера, просмотреть входящие данные и добавить / удалить устройства. Просто выберите имя, и все готово. После этого вам нужно будет зарегистрировать устройство в приложении. Вам необходимо ввести MAC-адрес Adafruit Feather (с пером в упаковке). Затем вы должны установить метод активации на ABP и отключить проверку счетчика кадров. Теперь ваше устройство должно быть зарегистрировано в приложении. Скопируйте адрес устройства, ключ сеанса сети и ключ сеанса приложения. Они понадобятся вам на следующем шаге.

Чтобы получить более полное объяснение, посетите этот учебник.

Шаг 10: кодирование

Adafruit Feather 32U4 имеет процессор AVR ATmega32U4. Это означает, что у него нет отдельного чипа для USB-связи (как Arduino UNO), чип включен в процессор. Это означает, что загрузка в Adafruit Feather может быть немного сложнее по сравнению с обычной платой Arduino, но она работает с Arduino IDE, поэтому, если вы последуете этому руководству, все будет в порядке.

После того, как вы настроили IDE Arduino и успешно загрузили «мигающий» скетч, вы можете переходить к собственному коду. Скачайте "LoRa_Test.ino". Измените адрес устройства, ключ сеанса сети и ключ сеанса приложения соответственно. Загрузите эскиз. Выходи на улицу. Направьте антенну на центр города или в сторону ближайшего шлюза. Теперь вы должны увидеть всплывающие данные на консоли TTN. Если нет, прокомментируйте ниже. Я не хочу размещать здесь все, что могло произойти, я не знаю, сможет ли сервер Instructables обработать такое количество текста.

Двигаемся дальше. Если предыдущий эскиз работает, вы можете загрузить "Ferdinand_1.0.ino" и изменить то, что вы должны были изменить в предыдущем эскизе. Теперь проверьте это снова.

Если вы получаете случайные данные HEX на консоли TTN, не волнуйтесь, это должно быть сделано. Все значения закодированы в HEX. Вам понадобится другой код декодера. Скачайте "decoder.txt". Скопируйте его содержимое. Теперь перейдите в консоль TTN. Перейдите в ваше приложение / форматы полезной нагрузки / декодер. Теперь удалите исходный код декодера и вставьте свой. Теперь вы должны увидеть там все показания.

Шаг 11: Тестирование

Теперь это должна быть самая длинная часть проекта. Тестирование. Тестирование в любых условиях. В условиях сильной жары, стресса и яркого света (или вне помещения на солнце), чтобы имитировать условия наверху. Это должно занять как минимум неделю, чтобы не было сюрпризов с точки зрения поведения трекера. Но это идеальный мир, и у нас не было того времени, потому что трекер был создан для соревнований. Мы внесли некоторые изменения в последнюю минуту (буквально за 40 минут до запуска), поэтому не знали, чего ожидать. Это нехорошо. Но вы знаете, мы все равно выиграли конкурс.

Вероятно, вам нужно будет сделать эту часть на улице, потому что солнце не светит внутри и потому что LoRa не будет иметь лучшего приема в вашем офисе.

Шаг 12: несколько забавных формул

Пикобаллоны очень чувствительны. Их нельзя просто залить гелием и запустить. Им это действительно не нравится. Позволь мне объяснить. Если выталкивающая сила слишком мала, воздушный шар не поднимется (очевидно). НО, и это загвоздка, если подъемная сила слишком высока, воздушный шар будет лететь слишком высоко, силы на воздушном шаре будут слишком большими, и он лопнет и упадет на землю. Это основная причина, по которой вы действительно хотите провести эти расчеты.

Если вы немного разбираетесь в физике, у вас не должно возникнуть проблем с пониманием приведенных выше формул. Есть несколько переменных, которые необходимо ввести в формулу. Сюда входят: постоянная наполняющего газа, термодинамическая температура, давление, масса зонда и масса баллона. Если вы следуете этому руководству и используете один и тот же баллон (Qualatex microfoil 36 дюймов) и тот же наполняющий газ (гелий), единственное, что на самом деле будет отличаться, - это масса зонда.

Эти формулы должны дать вам: объем гелия, необходимый для наполнения воздушного шара, скорость, с которой воздушный шар поднимается, высоту, на которой он летит, а также вес свободного подъема. Все это очень полезные ценности. Скорость подъема важна, чтобы воздушный шар не сталкивался с препятствиями, потому что он слишком медленный, и очень приятно знать, насколько высоко он будет лететь. Но, пожалуй, самый главный из них - это свободный лифт. Свободный подъем требуется, когда вы будете заполнять баллон на шаге 14.

Спасибо TomasTT7 за помощь с формулами. Посмотрите его блог здесь.

Шаг 13: риски

Итак, ваш трекер работает. Тот кусок дерьма, над которым вы работали два месяца, действительно работает! Поздравляю.

Итак, давайте рассмотрим, с какими рисками может столкнуться ваш ребенок-зонд в воздухе:

1) На солнечную панель будет попадать недостаточно солнечного света. Суперконденсаторы разрядятся. Зонд перестанет работать.

2) Датчик выйдет за пределы допустимого диапазона, и данные не будут получены.

3) Сильные порывы ветра разрушат зонд.

4) Зонд пройдет через шторм во время подъема, и дождь вызовет короткое замыкание.

5) На солнечной панели образуется ледяной покров. Суперконденсаторы разрядятся. Зонд перестанет работать.

6) Часть зонда сломается при механическом воздействии.

7) Часть зонда сломается в условиях экстремальной температуры и давления.

8) Между воздушным шаром и воздухом образуется электростатический заряд, образуя искру, которая повредит зонд.

9) В зонд попадет молния.

10) В зонд попадет самолет.

11) В зонд попадет птица.

12) Инопланетяне угонят ваш зонд. Это может произойти, особенно если воздушный шар будет выше области 51.

Шаг 14: Запуск

Итак, это все. Это день Д, и ты собираешься запустить свой любимый пикобаллон. Всегда хорошо знать местность и все возможные препятствия. Также вы должны постоянно следить за погодой (в основном, за скоростью и направлением ветра). Таким образом, вы минимизируете шансы на то, что ваше оборудование стоимостью 100 евро и 2 месяца вашего времени налетят на дерево или стену. Было бы печально.

Вставьте трубку в баллон. Привяжите шар к чему-нибудь тяжелому нейлоном. Положите тяжелую вещь на весы. Сбросьте масштаб. Другой конец трубы закрепите на баллоне с гелием. Начните медленно открывать клапан. Теперь вы должны увидеть отрицательные числа на шкале. Пришло время использовать значение свободного подъема, вычисленное на шаге 12. Закройте клапан, когда отрицательное число достигнет массы баллона + свободный подъем. В моем случае это было 15 г + 2,4 г, поэтому я закрыл клапан ровно на -17,4 г по шкале. Снимаем трубу. Баллон самоуплотняющийся, он должен запечатываться автоматически. Развяжите тяжелый предмет и замените его зондом. Теперь вы готовы к запуску.

Просто посмотрите видео, чтобы узнать все подробности.

Шаг 15: получение данных

Ох, я помню то чувство, которое у нас было после запуска. Стресс, разочарование, много гормонов. Это будет работать? Наша работа будет бесполезной? Неужели мы просто потратили столько денег на то, что не работает? Именно такие вопросы мы задавали себе после запуска.

К счастью, зонд среагировал примерно через 20 минут после запуска. А потом мы получали пакет каждые 10 минут. Мы потеряли связь с зондом в 17:51:09 по Гринвичу. Могло быть и лучше, но все равно нормально.

Шаг 16: Дальнейшие планы

На сегодняшний день это был один из самых сложных наших проектов. Не все было идеально, но это нормально, так всегда. Он по-прежнему был очень успешным. Трекер работал безотказно. Он мог бы продержаться намного дольше, но это не имеет значения. И мы стали вторыми в соревнованиях по пикобаллону. Теперь вы можете сказать, что быть вторым в конкурсе с 17 людьми - не такой уж и большой успех, НО имейте в виду, что это конкурс инженеров / строителей для взрослых. Нам 14 лет. Те, с кем мы соревновались, были взрослыми людьми с инженерным и, возможно, даже аэрокосмическим образованием и с гораздо большим опытом. Так что да, в целом, я бы сказал, что это был большой успех. Мы получили 200 евро, что примерно вдвое больше наших расходов.

Я обязательно собираюсь собрать версию 2.0. Он будет намного лучше, с меньшими компонентами (barebone-процессор, RFM95) и будет более надежным, так что следите за обновлениями для следующих инструкций.

Наша главная цель сейчас - победить в конкурсе Epilog X. Коллеги-создатели, если вам понравилась эта инструкция, пожалуйста, проголосуйте за нее. Это действительно поможет нам. Огромное спасибо!

Финалист конкурса Epilog X Contest