Paano Gumawa ng isang Picoballoon: 16 Hakbang (na may Mga Larawan)

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:13

Ano ang isang picoballoon at bakit gugustuhin kong itayo ito ?! Naririnig kong nagtanong ka. Hayaan mo akong magpaliwanag. Marahil alam mong lahat kung ano ang isang HAB (High Altitude Balloon). Ito ay isang pangkat ng mga kakaibang electronics na bagay na nakakonekta sa isang lobo. Maraming soooo maraming mga tutorial tungkol sa mga HAB dito sa Mga Instructable.

NGUNIT, at napakalaking iyon NGUNIT ang hindi nila sasabihin sa iyo sa pinakamaraming beses sa tutorial ay ang gastos ng pagpuno ng gas. Ngayon, maaari kang bumuo ng isang disenteng HAB tracker sa ilalim ng 50 €, ngunit kung ito ay may bigat na 200g (na kung saan ay isang medyo maasahin sa mabuti hulaan sa mga baterya, camera, atbp.) Ang helium upang punan ang lobo ay maaaring gastos sa iyo ng 200 € o higit pa, na kung saan ay sobra lang para sa maraming gumagawa tulad ko.

Kaya, tulad ng mahulaan mo, malulutas ng mga picoballoon ang problemang ito sa pamamagitan lamang ng hindi pagiging malaki at mabigat. Ang Picoballoon ay isang salita lamang para sa isang light HAB. Banayad, ano ang ibig kong sabihin sa ilaw? Sa pangkalahatan, ang mga picoballoon ay mas magaan kaysa sa 20g. Ngayon, isipin lamang na ang isang processor, transmitter, isang PCB, GPS, antennas, isang solar panel at pati na rin isang baterya na may isang masa na katulad ng isang hindi kinakailangan na tasa ng kape o isang kutsara. Hindi ba nakakabaliw lang yun?

Ang isa pang dahilan (bukod sa gastos) kung bakit mo nais na buuin ito ay ang saklaw at tibay nito. Ang klasikong HAB ay maaaring lumipad ng hanggang 4 na oras at maglakbay nang hanggang 200km. Ang isang Picoballoon sa kabilang banda, ay maaaring lumipad ng hanggang sa isang buwan at maglakbay nang hanggang sampu-sampung libo ng mga kilometro. Nakuha ng isang lalaki na taga-Poland ang kanyang picoballoon upang lumipad sa buong mundo ng maraming beses. Nangangahulugan din ito ng kurso na hindi mo na makikita ang iyong Picoballoon pagkatapos ilunsad ito. Iyon ang dahilan kung bakit nais mong ilipat ang lahat ng kailangan ng data at syempre panatilihin ang mga gastos nang mas mababa hangga't maaari.

Tandaan: Ang proyektong ito ay isang pakikipagtulungan sa MatejHantabal. Tiyaking suriin din ang kanyang profile

BABALA: Ito ay isang hard-to-do advanced level ngunit napakasayang proyekto din. Lahat mula sa disenyo ng PCB hanggang SMD hanggang sa paghihinang ay ipapaliwanag dito. Sabi nga, tara na sa trabaho

I-UPDATE: Kailangan naming alisin ang module ng GPS huling minuto dahil sa malaking pagkonsumo nito ng kuryente. Marahil ay maaaring maayos ito ngunit wala kaming oras para doon. Iiwan ko ito sa itinuturo ngunit mag-ingat na hindi ito masubukan. Maaari ka pa ring makakuha ng lokasyon mula sa TTN metadata kaya't hindi ka dapat magalala tungkol doon

Hakbang 1: Ang Prinsipyo

Kaya, kapag nagtatayo ng isang aparato tulad nito, maraming mga pagkakaiba-iba at pagpipilian ngunit ang bawat tracker ay nangangailangan ng isang transmiter at isang supply ng kuryente. Karamihan sa mga tracker ay malamang na isama ang mga sangkap na ito:

- isang solar panel

- isang baterya (lipo o supercapacitor)

- isang processor / microcontroller

- isang module ng GPS

- isang sensor / s (temperatura, halumigmig, presyon, UV, solar radiation…)

- isang transmiter (433MHz, LoRa, WSPR, APRS, LoRaWAN, Iridium)

Tulad ng nakikita mo, maraming mga sensor at transmiter na maaari mong gamitin. Nasa iyo ang mga sensor na ginagamit mo. Hindi ito mahalaga ngunit ang pinaka-karaniwan ay ang mga sensor ng temperatura at presyon. Ang pagpili ng isang transmiter ay mas mahirap. Ang bawat teknolohiya ay may ilang mga kalamangan at kahinaan. Hindi ko ito sisirain dahil napakahabang talakayan nito. Ang mahalaga ay pinili ko ang LoRaWAN at sa palagay ko ito ang pinakamahusay (dahil wala pa akong pagkakataong subukan ang iba pa). Alam ko na ang LoRaWAN ay marahil ang pinakamahusay na saklaw. Malugod kang iwasto ako sa mga komento.

Hakbang 2: Mga Kinakailangan na Bahagi

Kaya, kakailanganin mo ang mga bagay na ito para sa proyektong ito:

Adafruit Feather 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (Hindi namin ito ginamit sa dulo)

Temperatura ng BME280 / sensor ng temperatura / presyon

2xSupercapacitor 4.7F 2.7V

Solar panel na may output 5V

Pasadyang mga PCB

Kung naglulunsad ka ng iyong sarili, kailangan mo rin ito:

Hindi bababa sa 0.1m3 ng helium (paghahanap: "helium tank para sa 15 lobo") na binili nang lokal

Qualatex 36 self-sealing foil lobo

Tinantyang gastos ng proyekto: 80 € (ang tracker lamang) / 100 € (kabilang ang lobo at helium)

Hakbang 3: Inirekumenda na Mga Tool

Ang mga tool na ito ay maaaring madaling magamit:

wire stripper

panghinang

SMD soldering iron

pliers

mga birador

kola baril

multimeter

mikroskopyo

hot air gun

Kakailanganin mo rin ang soldering paste.

Hakbang 4: Adafruit Feather 32U4

Nahirapan kaming pumili ng tamang microcontroller para sa lobo. Ang Adafruit Feather ang naging pinakamahusay para sa trabaho. Tama ang sukat sa lahat ng kinakailangang pamantayan:

1) Mayroon itong lahat ng kinakailangang mga pin: SDA / SCL, RX / TX, digital, analog

2) Mayroon itong RFM95 LoRa transmitter.

3) Ito ay magaan. Ang masa ay 5.5g lamang.

4) Ito ay may napakababang pagkonsumo ng kuryente habang nasa mode na pagtulog (30uA lamang).

Dahil dito, naiisip namin na ang Adafruit Feather ay ang pinakamahusay na microcontroller para sa trabaho.

Hakbang 5: Disenyo at Paggawa ng PCB

Tunay na pinagsisisihan ko ang sasabihin ko sa iyo. Kakailanganin naming gumawa ng isang pasadyang PCB. Ito ay magiging mahirap at nakakabigo, ngunit kinakailangan, kaya't magsimula tayo. Gayundin, upang maunawaan nang maayos ang sumusunod na teksto, dapat mong basahin ang kahanga-hangang klase ng disenyo ng PCB ng mga Instructable.

Kaya, sa una kailangan mong gumawa ng isang eskematiko. Ginawa ko ang parehong eskematiko at board sa EAGLE PCB disenyo ng software ng Autodesk. Ito ay libre, kaya i-download ito!

Ito ang aking unang pagkakataon sa pagdidisenyo ng isang PCB at masasabi ko sa iyo na ang lahat ay tungkol sa pagkuha ng interface ng Eagle. Dinisenyo ko ang aking unang board sa loob ng 6 na oras, ngunit ang aking pangalawang board ay tumagal ng mas mababa sa isang oras sa akin. Narito ang resulta. Isang magandang ganda ng eskematiko at isang board na sasabihin ko.

Kapag handa na ang board file, kailangan mong likhain ang mga gerber file at ipadala ang mga ito sa tagagawa. Inorder ko ang aking mga board mula sa jlcpcb.com ngunit maaari kang pumili ng anumang iba pang tagagawa na gusto mo. Itinakda ko ang kapal ng PCB sa 0.8mm sa halip na ang karaniwang 1.6mm sapagkat ang board ay kailangang magaan. Maaari mong makita ang aking mga setting para sa JLC PCB sa screenshot.

Kung hindi mo nais na i-download ang Eagle, maaari mo lamang i-download ang "Ferdinand 1.0.zip" at i-upload ito sa JLC PCB.

Kapag nag-order ka ng mga PCB, umupo ka lang ng kumportable sa iyong upuan at maghintay ng dalawang linggo para dumating sila. Pagkatapos ay maaari naming magpatuloy.

Tandaan: Maaari mong mapansin na ang eskematiko ay medyo naiiba mula sa aktwal na board. Iyon ay dahil napansin ko na ang hubad na BME280 IC ay masyadong mahirap maghinang kaya binago ko ang iskema para sa isang breakout

Hakbang 6: SMD Soldering

Isa pang malungkot na anunsyo: Ang paghihinang ng SMD ay hindi madali. Ngayon talaga, malakas ang pagprito nito. Nawa'y sumainyo ang panginoon. Ngunit ang tutorial na ito ay dapat makatulong. Maaari kang maghinang gamit ang isang soldering iron at isang solder wick, o isang soldering paste at isang hot air gun. Wala sa mga pamamaraang ito ang sapat na maginhawa para sa akin. Ngunit dapat mong gawin ito sa loob ng isang oras.

Ilagay ang mga bahagi alinman sa silkscreen sa PCB o ayon sa eskematiko.

Hakbang 7: Paghihinang

Matapos ang SMD paghihinang ay tapos na, ang natitirang trabaho ng panghinang ay karaniwang isang piraso ng cake. Halos. Marahil ay naghinang ka na at sana ay gusto mong muling maghinang. Kailangan mo lang maghinang ng Adafruit Feather, antena, solar panel at mga supercapacitor. Medyo prangka kong sasabihin.

Ilagay ang mga bahagi alinman sa silkscreen sa PCB o ayon sa eskematiko.

Hakbang 8: Kumpletuhin ang Tracker

Ito ang hitsura ng kumpletong tracker. Kakaiba. Ang ganda Nakakainteres Yan ang mga salitang pumapasok sa isip ko kaagad. Ngayon ay kailangan mo lamang i-flash ang code at subukan kung gumagana ito.

Hakbang 9: Pag-setup ng TTN

Ang Things Network ay isang pandaigdigang lungsod na sentro ng LoRaWAN network. Na may higit sa 6887 mga gateway (tatanggap) at tumatakbo ito ang pinakamalaking pandaigdigang IoT network sa buong mundo. Gumagamit ito ng LoRa (Long Range) na protocol ng komunikasyon na pangkalahatan sa mga frequency na 868 (Europa, Russia) o sa 915MHz (USA, India). Ito ay pinaka malawak na ginagamit ng mga IoT device na nagpapadala ng mga maikling mensahe sa mga lungsod. Maaari ka lamang magpadala ng hanggang sa 51 bytes, ngunit madali kang makakakuha ng saklaw mula 2km hanggang 15km. Mainam iyon para sa mga simpleng sensor o ibang IoT device. At higit sa lahat, libre ito.

Ngayon, tiyak na hindi sapat ang 2-15, ngunit kung makarating ka sa mas mataas na lugar, dapat mayroon kang isang mas mahusay na koneksyon. At ang aming lobo ay magiging napakataas. Sa 10km sa itaas ng dagat, dapat kaming makakuha ng isang koneksyon mula sa 100km. Ang isang kaibigan ay naglunsad ng isang HAB na may LoRa 31km pataas sa hangin at nakuha niya ang isang ping 450km ang layo. Kaya, medyo makatuwiran iyon.

Ang pag-set up ng TTN ay dapat madali. Kailangan mo lamang lumikha ng isang account gamit ang iyong email at pagkatapos ay kailangan mong irehistro ang aparato. Sa una, kailangan mong lumikha ng isang application. Ang isang application ay ang buong homepage ng proyekto. Mula dito maaari mong baguhin ang decoder code, tingnan ang papasok na data at magdagdag / mag-alis ng mga aparato. Pumili lamang ng isang pangalan at handa ka nang pumunta. Pagkatapos na magawa, kakailanganin mong magparehistro ng isang aparato sa application. Kailangan mong i-input ang MAC adress ng Adafruit Feather (kasama ang Feather sa packaging). Pagkatapos ay dapat mong itakda ang paraan ng pagsasaaktibo sa ABP at dapat mong huwag paganahin ang mga pagsusuri ng frame counter. Ang iyong aparato ay dapat na nakarehistro sa application. Kopyahin ang Device Adress, ang Network Session Key at ang Session ng App na susi. Kakailanganin mo ang mga ito sa susunod na hakbang.

Para sa isang mas mabuting paliwanag, bisitahin ang tutorial na ito.

Hakbang 10: Pag-coding

Ang Adafruit Feather 32U4 ay mayroong ATmega32U4 AVR processor. Nangangahulugan iyon na wala itong hiwalay na maliit na tilad para sa komunikasyon sa USB (bilang Arduino UNO), ang maliit na tilad ay kasama sa processor. Nangangahulugan iyon na ang pag-upload sa Adafruit Feather ay maaaring maging medyo mahirap kumpara sa isang tipikal na board ng Arduino, ngunit gumagana ito sa Arduino IDE kaya kung susundin mo ang tutorial na ito dapat itong maging maayos.

Matapos mong ma-set up ang Arduino IDE at matagumpay na na-upload ang "blink" sketch maaari kang lumipat sa aktwal na code. I-download ang "LoRa_Test.ino". Baguhin ang Device Adress, ang Session ng Network Susi at ang key ng Session ng App nang naaayon. I-upload ang sketch. Labas ka na. Ituro ang antena sa sentro ng lungsod o sa direksyon ng pinakamalapit na gateway. Dapat mo na ngayong makita ang data na lumalabas sa TTN console. Kung hindi, puna sa ibaba. Hindi ko nais na ilagay ang lahat na maaaring nangyari dito, hindi ko alam kung ang server ng Mga Tagubilin ay maaaring hawakan tulad ng dami ng teksto.

Magpatuloy. Kung gumagana ang nakaraang sketch, maaari mong i-download ang "Ferdinand_1.0.ino" at baguhin ang mga bagay na dapat mong baguhin sa nakaraang sketch. Ngayon subukin mo ulit.

Kung nakakakuha ka ng ilang mga random na data ng HEX sa TTN console, huwag mag-alala, dapat gawin iyon. Ang lahat ng mga halaga ay naka-encode sa HEX. Kakailanganin mo ng ibang decoder code. I-download ang "decoder.txt". Kopyahin ang nilalaman nito. Pumunta ngayon sa TTN console. Pumunta sa iyong application / format ng payload / decoder. Alisin ngayon ang orihinal na decoder code at i-paste sa iyo. Dapat mo na ngayong makita ang lahat ng mga pagbasa doon.

Hakbang 11: Pagsubok

Ngayon ito ay dapat na ang pinakamahabang bahagi ng proyekto. Pagsubok. Pagsubok sa lahat ng uri ng mga kundisyon. Sa matinding init, stress at may malakas na ilaw (o sa labas ng araw) upang gayahin ang mga kondisyon doon. Dapat itong tumagal ng hindi bababa sa isang linggo upang walang mga sorpresa sa mga tuntunin ng pag-uugali ng tracker. Ngunit ito ay isang perpektong mundo at wala kaming oras na iyon dahil ang tracker ay itinayo para sa isang kumpetisyon. Gumawa kami ng ilang mga huling minutong pagbabago (literal na tulad ng 40 minuto bago ilunsad) kaya hindi namin alam kung ano ang aasahan. Mabuti iyon. Ngunit alam mo, nanalo pa rin tayo sa kumpetisyon.

Marahil ay kakailanganin mong gawin ang bahaging ito sa labas dahil ang araw ay hindi nagniningning sa loob at dahil ang LoRa ay hindi magkakaroon ng pinakamahusay na pagtanggap sa iyong tanggapan.

Hakbang 12: Ilang Funky Formula

Ang mga Picoballoon ay napaka-sensitibo. Hindi mo lang mapupunan ang mga ito ng helium at ilunsad ang mga ito. Ayaw talaga nila sa ganon. Hayaan mo akong magpaliwanag. Kung ang buoyant force ay masyadong mababa ang lobo ay hindi babangon (malinaw naman). NGUNIT, at ito ang nahuli, kung ang lakas na nagpapalakas ay masyadong mataas, ang lobo ay lalipad masyadong mataas, ang mga puwersa sa lobo ay masyadong malaki at ito ay pop at mahuhulog sa lupa. Iyon ang pangunahing dahilan kung bakit mo talagang nais gawin ang mga kalkulasyong ito.

Kung alam mo ng kaunti ang pisika, hindi ka dapat magkaroon ng isang problema sa pag-unawa sa mga formula sa itaas. Mayroong ilang mga variable na kailangan mong i-input sa formula. Kasama dito: pagpuno ng pare-pareho ng gas, temperatura ng thermodynamic, presyon, masa ng pagsisiyasat at masa ng lobo. Kung susundin mo ang tutorial na ito at gumamit ng parehong lobo (Qualatex microfoil 36 ) at ang parehong pagpuno ng gas (helium) ang tanging bagay na talagang magkakaiba ay ang masa ng probe.

Ang mga formula na ito ay dapat bigyan ka: ang dami ng helium na kinakailangan upang mapunan ang lobo, ang bilis ng pagtaas ng lobo, ang taas kung saan lilipad ang lobo at pati na rin ang libreng timbang. Ang lahat ng ito ay napaka kapaki-pakinabang na mga halaga. Mahalaga ang tumataas na bilis kaya't ang balloon ay hindi nakakaapekto sa mga hadlang sapagkat ito ay masyadong mabagal at talagang masarap malaman kung gaano kataas ang lilipad ng lobo. Ngunit ang pinakamahalaga sa kanila ay marahil ang libreng pag-angat. Kinakailangan ang libreng pag-angat kapag pinupunan mo ang lobo sa hakbang 14.

Salamat sa TomasTT7 para sa tulong sa mga pormula. Suriin ang kanyang blog dito.

Hakbang 13: Mga Panganib

Kaya, gumagana ang iyong tracker. Ang piraso ng tae na nagtrabaho ka sa loob ng dalawang buwan ay talagang gumagana! Binabati kita

Kaya suriin natin kung ano ang mga peligro na maaaring makatagpo ng hangin sa iyong anak na probe:

1) Hindi magkakaroon ng sapat na sikat ng araw na tumatama sa solar panel. Tatapon ang mga supercapacitor. Ang probe ay titigil sa pagtatrabaho.

2) Ang pagsisiyasat ay mawawala sa saklaw at walang data na matatanggap.

3) Ang malakas na pag-agos ng hangin ay sisira sa pagsisiyasat.

4) Ang probe ay dadaan sa isang bagyo sa pag-akyat at maikli ng ulan ang circuit.

5) Ang isang patong ng yelo ay bubuo sa solar panel. Tatapon ang mga supercapacitor. Ang probe ay titigil sa pagtatrabaho.

6) Bahagi ng probe ay masisira sa ilalim ng mekanikal stress.

7) Bahagi ng pagsisiyasat ay masisira sa ilalim ng matinding kondisyon ng init at presyon.

8) Ang isang electrostatic charge ay bubuo sa pagitan ng lobo at hangin na bumubuo ng isang spark, na makakasira sa probe.

9) Ang probe ay maaabot ng kidlat.

10) Ang probe ay maaabot ng isang eroplano.

11) Ang pagsisiyasat ay maabot ng isang ibon.

12) I-hijack ng mga dayuhan ang iyong pagsisiyasat. Maaaring mangyari lalo na kung ang lobo ay nasa itaas ng lugar 51.

Hakbang 14: Ilunsad

Kaya, yun lang. Ito ang D-day at ilulunsad mo ang iyong minamahal na picoballoon. Palaging magandang malaman ang lupain at lahat ng posibleng hadlang. Gayundin dapat mong subaybayan ang panahon (higit sa lahat ang bilis at direksyon ng hangin) na patuloy. Sa ganoong paraan, nai-minimize mo ang mga pagkakataon ng iyong 100 € halaga ng kagamitan at 2 buwan ng iyong oras na pagpindot sa isang puno o sa isang pader. Malulungkot iyon.

Ipasok ang isang tubo sa lobo. Itali ang lobo sa isang bagay na mabigat sa naylon. Ilagay ang mabigat na bagay sa isang sukatan. I-reset ang sukat. I-secure ang kabilang dulo ng tubo sa iyong tanke ng helium. Simulang dahan-dahang buksan ang balbula. Dapat mo na ngayong makita ang mga negatibong numero sa sukatan. Ngayon na ang oras upang magamit ang libreng halaga ng pag-angat na nakalkula mo sa hakbang 12. Patayin ang balbula kapag naabot ng negatibong numero ang masa ng lobo + libreng pag-angat. Sa aking kaso ito ay 15g + 2.4g kaya't isinara ko ang balbula sa eksaktong -17.4g sa sukatan. Tanggalin ang tubo. Ang lobo ay self-sealing, dapat itong awtomatikong mag-seal. Tanggalin ang mabibigat na bagay at palitan ito ng probe. Handa ka na ngayong maglunsad.

Panoorin lamang ang video para sa lahat ng mga detalye.

Hakbang 15: Tumatanggap ng Data

Ohh, naaalala ko ang pakiramdam na mayroon kami pagkatapos ng paglulunsad. Ang stress, ang pagkabigo, maraming mga hormon. Gagana ba ito Magiging walang halaga ba ang ating trabaho? Nagastos lang ba tayo ng napakaraming pera sa isang bagay na hindi gumagana? Ito ang uri ng mga katanungan na tinatanong namin sa aming sarili pagkatapos ng paglulunsad.

Sa kabutihang palad, ang probe ay tumugon tungkol sa 20 minuto pagkatapos ng paglulunsad. At pagkatapos ay nakatanggap kami ng isang packet bawat 10 minuto. Nawala ang contact namin sa probe sa 17:51:09 GMT. Maaaring maging mas mahusay ito, ngunit ayos pa rin.

Hakbang 16: Karagdagang Mga Plano

Ito ang isa sa aming pinakamahirap na proyekto hanggang sa ngayon. Hindi lahat perpekto ngunit OK lang iyon, palaging ganoon. Napakatagumpay pa rin nito. Ang tracker ay nagtrabaho nang walang kamalian. Maaari ko itong gawin nang mas matagal pa ngunit hindi iyon mahalaga. At, natapos namin ang pangalawa sa kumpetisyon ng Picoballoon. Ngayon ay maaari mong sabihin na ang pagiging pangalawa sa isang patimpalak na may 17 katao ay hindi ganoong tagumpay NGUNIT tandaan na ito ay isang paligsahang pang-engineering / konstruksyon sa pang-adulto. Kami ay 14 taong gulang. Ang mga nakikipagkumpitensya sa amin ay ang mga may sapat na gulang na may engineering at posibleng maging background sa aerospace at may higit pang karanasan. Kaya oo, sa pangkalahatan, sasabihin ko na ito ay isang malaking tagumpay. Nakuha namin ang 200 €, na humigit-kumulang doble sa aming mga gastos.

Tiyak na magtatayo ako ng isang bersyon 2.0. Ito ay magiging mas mahusay, na may mas maliit na mga bahagi (barebone processor, RFM95) at magiging mas maaasahan ito kaya manatiling nakatutok para sa susunod na maituturo.

Ang aming pangunahing layunin ngayon ay upang manalo sa paligsahan ng Epilog X. Mga kapwa gumagawa, kung nagustuhan mo ang itinuro na ito, mangyaring isaalang-alang ang pagboto para dito. Tutulungan talaga kami. Maraming salamat po!

Runner Up sa Epilog X Contest