Kaip pasidaryti „Picobalonon“: 16 žingsnių (su nuotraukomis)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:47

Kas yra pikabalonas ir kodėl aš norėčiau jį statyti ?! Girdžiu, kaip klausiate. Leisk man paaiškinti. Tikriausiai visi žinote, kas yra aukšto oro balionas (HAB). Tai krūva keistų elektronikos elementų, prijungtų prie baliono. „Instructables“čia yra labai daug pamokų apie HAB.

BET, ir tai yra labai didelis BET tai, ko jie jums dažniausiai nepasako pamokoje, yra dujų užpildymo kaina. Dabar galite sukurti neblogą HAB stebėjimo priemonę iki 50 eurų, tačiau jei ji sveria 200 g (tai yra gana optimistiškas spėjimas su baterijomis, fotoaparatais ir pan.), Helis balionui užpildyti gali kainuoti 200 eurų ar daugiau. tiesiog per daug daugeliui gamintojų, tokių kaip aš.

Taigi, kaip jūs galite atspėti, pikobalonai išsprendžia šią problemą tiesiog nebūdami didelių gabaritų ir sunkūs. „Picoballoon“yra tik žodis šviesiam HAB. Šviesa, ką aš turiu galvoje šviesa? Apskritai, pico balionai yra lengvesni nei 20 g. Dabar įsivaizduokite, kad procesorius, siųstuvas, PCB, GPS, antenos, saulės kolektorius ir baterija, kurių masė tokia pati kaip vienkartinio kavos puodelio ar šaukšto. Ar tai ne beprotiška?

Kita priežastis (be išlaidų), kodėl norėtumėte tai sukurti, yra jos asortimentas ir ištvermė. Klasikinis HAB gali skristi iki 4 valandų ir nuvažiuoti iki 200 km. Kita vertus, „Picoballoon“gali skristi iki poros mėnesių ir nukeliauti iki dešimčių tūkstančių kilometrų. Vienas vaikinas iš Lenkijos kelis kartus skraidino aplink pasaulį. Tai, žinoma, taip pat reiškia, kad paleidę „Picoballoon“daugiau niekada nematysite. Štai kodėl norite perduoti visus reikalingus duomenis ir, žinoma, išlaikyti kuo mažesnes išlaidas.

Pastaba: Šis projektas yra bendradarbiavimas su „MatejHantabal“. Būtinai peržiūrėkite jo profilį

ĮSPĖJIMAS: tai sunkiai pasiekiamas aukštesnio lygio, bet ir labai įdomus projektas. Čia bus paaiškinta viskas nuo PCB projektavimo iki SMD iki litavimo. Tai sakė, pradėkime dirbti

ATNAUJINIMAS: paskutinę minutę turėjome pašalinti GPS modulį dėl didelio energijos suvartojimo. Tikriausiai tai galima išspręsti, bet mes neturėjome tam laiko. Paliksiu instrukcijoje, bet saugokitės, kad tai nebūtų išbandyta. Vis tiek galite gauti vietą iš TTN metaduomenų, todėl neturėtumėte dėl to jaudintis

1 žingsnis: principas

Taigi, kuriant tokį įrenginį, yra daugybė variantų ir pasirinkimų, tačiau kiekvienam sekikliui reikia siųstuvo ir maitinimo šaltinio. Dauguma sekimo priemonių greičiausiai apims šiuos komponentus:

- saulės baterija

- baterija (lipo arba superkondensatorius)

- procesorius/mikrovaldiklis

- GPS modulis

- jutiklis (-ai) (temperatūra, drėgmė, slėgis, UV, saulės spinduliai …)

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

Kaip matote, yra daug jutiklių ir siųstuvų, kuriuos galite naudoti. Kokius jutiklius naudosite, priklauso nuo jūsų. Tai tikrai nesvarbu, tačiau dažniausiai yra temperatūros ir slėgio jutikliai. Tačiau pasirinkti siųstuvą yra daug sunkiau. Kiekviena technologija turi tam tikrų privalumų ir trūkumų. Aš čia nesuardysiu, nes tai būtų labai ilga diskusija. Svarbiausia, kad pasirinkau „LoRaWAN“ir manau, kad tai yra geriausia (nes dar neturėjau galimybės išbandyti kitų). Žinau, kad „LoRaWAN“tikriausiai turi geriausią aprėptį. Maloniai prašau pataisyti mane komentaruose.

2 žingsnis: reikalingos dalys

Taigi šiam projektui jums reikės šių dalykų:

„Adafruit Feather 32u4 RFM95“

„Ublox MAX M8Q“(mes to nenaudojome pabaigoje)

BME280 temperatūros/drėgmės/slėgio jutiklis

2xSuperkondensatorius 4.7F 2.7V

Saulės skydelis su išėjimu 5V

Individualizuotos PCB

Jei paleidžiate patys, jums taip pat reikia:

Mažiausiai 0,1 m3 helio (paieška: "helio bakas 15 balionų") įsigytas vietoje

Qualatex 36 savaime užsandarinamas folijos balionas

Numatoma projekto kaina: 80 € (tik sekimo priemonė) / 100 € (įskaitant balioną ir helį)

3 žingsnis: rekomenduojami įrankiai

Šie įrankiai gali būti naudingi:

vielos nuėmėjas

lituoklis

SMD lituoklis

replės

atsuktuvai

klijų pistoletas

multimetras

mikroskopas

karšto oro pistoletas

Jums taip pat reikės litavimo pastos.

4 žingsnis: „Adafruit Feather 32U4“

Mums buvo sunku išsirinkti tinkamą baliono mikrovaldiklį. „Adafruit“plunksna pasirodė geriausia šiam darbui. Tai atitinka visus būtinus kriterijus:

1) Jame yra visi reikalingi kaiščiai: SDA/SCL, RX/TX, skaitmeninis, analoginis

2) Jame yra RFM95 LoRa siųstuvas.

3) Jis yra lengvas. Jo masė yra tik 5,5 g.

4) Miego režimu jis sunaudoja labai mažai energijos (tik 30uA).

Dėl šios priežasties manome, kad „Adafruit Feather“yra geriausias mikrovaldiklis šiam darbui.

5 žingsnis: PCB projektavimas ir gamyba

Aš tikrai atsiprašau už tai, ką jums pasakysiu. Mums reikės sukurti individualų PCB. Tai bus sunku ir varginanti, bet būtina, todėl pradėkime. Be to, norėdami tinkamai suprasti šį tekstą, turėtumėte perskaityti šią nuostabią „Instructables“PCB dizaino klasę.

Taigi, iš pradžių turėsite sudaryti schemą. Tiek schemą, tiek plokštę sukūriau „Autodesk“EAGLE PCB projektavimo programinėje įrangoje. Tai nemokama, todėl atsisiųskite!

Tai buvo mano pirmas kartas kuriant PCB ir galiu pasakyti, kad viskas susiję su „Eagle“sąsajos pakabinimu. Pirmąją lentą suprojektavau per 6 valandas, tačiau antroji lenta užtruko mažiau nei valandą. Štai rezultatas. Gana graži schema ir lenta, sakyčiau.

Kai paruošite lentos failą, turite sukurti gerber failus ir nusiųsti juos gamintojui. Aš užsisakiau savo lentas iš jlcpcb.com, bet jūs galite pasirinkti bet kurį kitą jums patinkantį gamintoją. PCB storį nustatiau 0,8 mm, o ne standartinį 1,6 mm, nes plokštė turi būti lengva. Ekrano kopijoje galite pamatyti mano JLC PCB nustatymus.

Jei nenorite atsisiųsti „Eagle“, galite tiesiog atsisiųsti „Ferdinand 1.0.zip“ir įkelti į JLC PCB.

Užsisakydami PCB, tiesiog patogiai atsisėskite ant kėdės ir palaukite dvi savaites, kol jie atvyks. Tada galime tęsti.

Pastaba: galite pastebėti, kad schema šiek tiek skiriasi nuo tikrosios plokštės. Taip yra todėl, kad pastebėjau, kad pliką BME280 IC yra per sunku lituoti, todėl pakeičiau schemą, kad būtų galima atlikti pertrauką

6 žingsnis: SMD litavimas

Kitas liūdnas pranešimas: SMD litavimas nėra lengvas. Dabar iš tikrųjų tai labai sunku. Tegul Viešpats būna su jumis. Tačiau ši pamoka turėtų padėti. Galite lituoti naudodami lituoklį ir lydmetalį, arba litavimo pastą ir karšto oro pistoletą. Nė vienas iš šių metodų man nebuvo pakankamai patogus. Bet jūs turėtumėte tai padaryti per valandą.

Sudėkite komponentus pagal šilkografiją ant PCB arba pagal schemą.

7 žingsnis: litavimas

Atlikus SMD litavimą, likęs litavimo darbas iš esmės yra pyragas. Beveik. Tikriausiai jau buvote litavęs ir tikiuosi, kad vėl norėsite lituoti. Jums tereikia lituoti „Adafruit“plunksną, antenas, saulės kolektorių ir superkondensatorius. Gana paprasta sakyčiau.

Sudėkite komponentus pagal šilkografiją ant PCB arba pagal schemą.

8 veiksmas: užpildykite stebėjimo priemonę

Taip turėtų atrodyti visas sekimo įrenginys. Keista. Puiku. Įdomus. Tokie žodžiai man iš karto ateina į galvą. Dabar jums tereikia mirksėti kodu ir patikrinti, ar jis veikia.

9 veiksmas: TTN sąranka

Daiktų tinklas yra pasaulinis į miestą orientuotas bendruomenės LoRaWAN tinklas. Parengtas ir veikia daugiau nei 6887 šliuzai (imtuvai), tai yra didžiausias pasaulinis IoT tinklas pasaulyje. Jis naudoja „LoRa“(tolimojo nuotolio) ryšio protokolą, kuris paprastai yra dažnis 868 (Europa, Rusija) arba 915 MHz (JAV, Indija). Jį plačiausiai naudoja daiktų interneto įrenginiai, siunčiantys trumpąsias žinutes miestuose. Galite siųsti tik iki 51 baitų, tačiau galite lengvai pasiekti diapazoną nuo 2 km iki 15 km. Tai idealiai tinka paprastiems jutikliams ar kitiems daiktų interneto įrenginiams. Ir geriausia, kad tai nemokama.

Dabar 2-15 tikrai neužtenka, bet jei pateksite į aukštesnę vietą, turėtumėte turėti geresnį ryšį. Ir mūsų balionas bus labai aukštas. 10 km virš jūros lygio turėtume gauti ryšį iš 100 km. Draugas paleido HAB su LoRa 31 km aukštyn ore, o jis gavo ping 450 km atstumu. Taigi, tai gana pagrįsta.

TTN nustatymas turėtų būti lengvas. Jums tereikia susikurti paskyrą su savo el. Pašto adresu ir tada užregistruoti įrenginį. Iš pradžių turite sukurti programą. Paraiška yra visas projekto pagrindinis puslapis. Čia galite pakeisti dekoderio kodą, peržiūrėti gaunamus duomenis ir pridėti/pašalinti įrenginius. Tiesiog pasirinkite vardą ir esate pasiruošęs eiti. Kai tai bus padaryta, turėsite užregistruoti įrenginį programoje. Turite įvesti „Adafruit“plunksnos MAC adresą (su plunksna pakuotėje). Tada turėtumėte nustatyti aktyvinimo metodą ABP ir išjungti kadrų skaitiklių patikrinimus. Dabar jūsų įrenginys turėtų būti užregistruotas programoje. Nukopijuokite įrenginio adresą, tinklo sesijos raktą ir programos sesijos raktą. Jums jų reikės kitame žingsnyje.

Norėdami gauti naudingesnį paaiškinimą, apsilankykite šioje pamokoje.

10 žingsnis: kodavimas

„Adafruit Feather 32U4“turi ATmega32U4 AVR procesorių. Tai reiškia, kad jis neturi atskiro lusto USB ryšiui (kaip „Arduino UNO“), jis yra įtrauktas į procesorių. Tai reiškia, kad įkelti į „Adafruit Feather“gali būti šiek tiek sunkiau, palyginti su įprasta „Arduino“lenta, tačiau ji veikia su „Arduino IDE“, taigi, jei laikysitės šios pamokos, tai turėtų būti gerai.

Nustatę „Arduino IDE“ir sėkmingai įkėlę „mirksėjimo“eskizą, galite pereiti prie tikrojo kodo. Atsisiųskite „LoRa_Test.ino“. Atitinkamai pakeiskite įrenginio adresą, tinklo sesijos raktą ir programos sesijos raktą. Įkelkite eskizą. Išeiti. Nukreipkite anteną į miesto centrą arba artimiausių vartų kryptimi. Dabar turėtumėte matyti duomenis, rodomus TTN konsolėje. Jei ne, komentuokite žemiau. Nenoriu čia dėti visko, kas galėjo atsitikti, nežinau, ar „Instructables“serveris galėtų tvarkyti tokį teksto kiekį.

Toliau. Jei ankstesnis eskizas veikia, galite atsisiųsti „Ferdinand_1.0.ino“ir pakeisti dalykus, kuriuos turėjote pakeisti ankstesniame eskize. Dabar išbandykite dar kartą.

Jei TTN konsolėje gaunate atsitiktinius HEX duomenis, nesijaudinkite, tai turėtų padaryti. Visos vertės yra užkoduotos HEX. Jums reikės kito dekoderio kodo. Atsisiųskite „decoder.txt“. Nukopijuokite jo turinį. Dabar eikite į TTN konsolę. Eikite į savo programą/naudingos apkrovos formatus/dekoderį. Dabar pašalinkite originalų dekoderio kodą ir įklijuokite į savo. Dabar turėtumėte pamatyti visus ten esančius rodmenis.

11 žingsnis: bandymas

Dabar tai turėtų būti ilgiausia projekto dalis. Testavimas. Bandymai bet kokiomis sąlygomis. Esant dideliam karščiui, stresui ir esant stipriai šviesai (arba lauke saulėje) imituoti ten esančias sąlygas. Tai turėtų užtrukti mažiausiai savaitę, kad stebėtojo elgesys nenustebintų. Bet tai yra idealus pasaulis ir mes neturėjome to laiko, nes sekimo priemonė buvo sukurta varžyboms. Mes atlikome keletą paskutinės minutės pakeitimų (pažodžiui, kaip 40 minučių iki paleidimo), todėl nežinojome, ko tikėtis. Tai nėra gerai. Bet žinote, mes vis tiek laimėjome konkursą.

Tikriausiai šią dalį turėsite atlikti lauke, nes viduje nešviečia saulė ir „LoRa“jūsų biure nebus geriausio priėmimo.

12 žingsnis: kai kurios sudėtingos formulės

Pikobalonai yra labai jautrūs. Negalite jų tiesiog užpildyti heliu ir paleisti. Jiems tai tikrai nepatinka. Leisk man paaiškinti. Jei plūduriuojanti jėga yra per maža, balionas nepakils (aišku). BET, ir tai yra laimikis, jei plūduriuojanti jėga yra per didelė, balionas skris per aukštai, jėgos ant baliono bus per didelės ir jis iššoks ir nukris ant žemės. Tai yra pagrindinė priežastis, kodėl jūs tikrai norite atlikti šiuos skaičiavimus.

Jei šiek tiek išmanote fiziką, jums neturėtų kilti problemų suprasti aukščiau pateiktas formules. Yra keletas kintamųjų, kuriuos turite įvesti į formulę. Tai apima: dujų užpildymo pastovumą, termodinaminę temperatūrą, slėgį, zondo masę ir baliono masę. Jei laikysitės šios pamokos ir naudosite tą patį balioną (Qualatex microfoil 36 ) ir tas pačias užpildymo dujas (helį), vienintelis dalykas, kuris iš tikrųjų skirsis, yra zondo masė.

Šios formulės turėtų jums pateikti: helio tūrį, reikalingą balionui užpildyti, baliono pakilimo greitį, baliono skraidymo aukštį ir laisvą kėlimo svorį. Visos šios vertybės yra labai naudingos. Didėjantis greitis yra svarbus, kad balionas nesitrenktų į kliūtis, nes jis per lėtas ir tikrai malonu žinoti, kaip aukštai balionas skris. Tačiau svarbiausias iš jų tikriausiai yra nemokamas liftas. Nemokamas pakėlimas reikalingas, kai užpildysite balioną atlikdami 14 veiksmą.

Ačiū „TomasTT7“už pagalbą formulėms. Peržiūrėkite jo tinklaraštį čia.

13 žingsnis: rizika

Taigi, jūsų sekiklis veikia. Tas šūdas, su kuriuo dirbai du mėnesius, iš tikrųjų veikia! Sveikinu.

Taigi peržiūrėkime, kokią riziką jūsų zondo vaikas gali patirti ore:

1) Nebus pakankamai saulės spindulių, pataikančių į saulės skydelį. Superkondensatoriai nutekės. Zondas nustos veikti.

2) Zondas išeis iš diapazono ir nebus gauti jokie duomenys.

3) Stiprūs vėjo gūsiai sunaikins zondą.

4) Pakilimo metu zondas praeis per audrą, o lietus sutrumpins grandinę.

5) Ant saulės kolektoriaus susidarys ledo danga. Superkondensatoriai nutekės. Zondas nustos veikti.

6) Dalis zondo sulūš mechaninio krūvio metu.

7) Dalis zondo sulūš esant ekstremalioms karščio ir slėgio sąlygoms.

8) Tarp baliono ir oro susidarys elektrostatinis krūvis, sukuriantis kibirkštį, kuri pažeis zondą.

9) Zondas nukentės nuo žaibo.

10) Zondas nukentės nuo lėktuvo.

11) Zondas pataikys į paukštį.

12) Užsieniečiai užgrobs jūsų zondą. Ypač tai gali atsitikti, jei balionas bus virš 51 zonos.

14 žingsnis: paleiskite

Taigi, viskas. Tai D diena ir jūs paleisite savo mylimąjį pikabalioną. Visada gerai žinoti reljefą ir visas įmanomas kliūtis. Taip pat turite nuolat stebėti orą (daugiausia vėjo greitį ir kryptį). Taip sumažinsite tikimybę, kad jūsų 100 eurų vertės įranga ir 2 mėnesiai jūsų laiko atsitrenks į medį ar sieną. Tai būtų liūdna.

Įdėkite vamzdį į balioną. Prijunkite balioną prie kažko sunkaus nailonu. Įdėkite sunkų daiktą į svarstykles. Iš naujo nustatyti skalę. Kitą vamzdžio galą pritvirtinkite prie helio bako. Pradėkite lėtai atidaryti vožtuvą. Dabar skalėje turėtumėte matyti neigiamus skaičius. Dabar atėjo laikas naudoti 12 žingsnyje apskaičiuotą laisvojo pakėlimo vertę. Kai neigiamas skaičius pasiekia baliono + laisvojo pakėlimo masę, uždarykite vožtuvą. Mano atveju tai buvo 15 g + 2,4 g, todėl aš uždariau vožtuvą tiksliai -17,4 g skalėje. Nuimkite vamzdį. Balionas savaime užsandarinamas, jis turėtų užsandarinti automatiškai. Atsukite sunkų daiktą ir pakeiskite jį zondu. Dabar esate pasiruošę paleisti.

Tiesiog žiūrėkite vaizdo įrašą, kuriame rasite visas detales.

15 žingsnis: Duomenų gavimas

Oi, prisimenu jausmą, kurį patyrėme po starto. Stresas, nusivylimas, daug hormonų. Ar tai veiks? Ar mūsų darbas bus bevertis? Ar mes tiesiog išleidome tiek pinigų tam, kas neveikia? Tokius klausimus uždavėme sau po paleidimo.

Laimei, zondas sureagavo praėjus maždaug 20 minučių po paleidimo. Ir tada kas 10 minučių gavome paketą. Praradome ryšį su zondu 17:51:09 GMT. Galėjo būti ir geriau, bet vis tiek gerai.

16 žingsnis: tolesni planai

Tai buvo vienas sunkiausių mūsų projektų iki šiol. Ne viskas buvo tobula, bet tai gerai, visada taip. Tai vis tiek buvo labai sėkminga. Traktorius dirbo nepriekaištingai. Tai būtų galima padaryti daug ilgiau, bet tai nesvarbu. „Picoballoon“varžybose likome antri. Dabar galite pasakyti, kad likti antram konkurse, kuriame dalyvauja 17 žmonių, nėra tokia sėkminga, BET atminkite, kad tai suaugusiųjų inžinerijos/statybos konkursas. Mums 14 metų. Tie, su kuriais varžėmės, buvo suaugusieji, turintys inžinerijos ir galbūt net kosminės erdvės išsilavinimą ir turintys daug daugiau patirties. Taigi taip, apskritai sakyčiau, kad tai buvo didžiulė sėkmė. Gavome 200 eurų, tai buvo beveik dvigubai daugiau nei mūsų išlaidos.

Aš tikrai ketinu sukurti 2.0 versiją. Tai bus daug geriau, naudojant mažesnius komponentus („Barebone“procesorius, RFM95) ir jis bus patikimesnis, todėl laukite kitų pamokymų.

Mūsų pagrindinis tikslas dabar yra laimėti „Epilog X“konkursą. Kolegos kūrėjai, jei jums patiko ši pamoka, apsvarstykite galimybę balsuoti už ją. Tai mums tikrai padėtų. Aciu tau labai!

II vieta „Epilog X“konkurse