Com fer un Picoballoon: 16 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

Què és un picoballoon i per què voldria construir-lo ?! T’escolto preguntar. Deixa'm explicar. Segur que tots sabreu què és un globus HAB (High Altitude Balloon). És un munt de coses electròniques estranyes connectades a un globus. Hi ha tants tutorials sobre HAB aquí a Instructables.

PERUT, i això és molt gran, PER what el que no us diuen la majoria de vegades al tutorial és el cost del gas d'ompliment. Ara, podeu construir un rastrejador HAB decent de menys de 50 €, però si pesa 200 g (que és una suposició bastant optimista amb les bateries, les càmeres, etc.) l’heli per omplir el globus us pot costar 200 € o més, és a dir, massa per a molts fabricants com jo.

Per tant, com podeu suposar, els globus aerostàtics resolen aquest problema simplement no voluminosos i pesats. Picoballoon és només una paraula per a un HAB lleuger. Llum, què vull dir amb llum? En general, els picoballons són més lleugers que els 20 g. Ara, imaginem que hi ha un processador, un transmissor, un PCB, GPS, antenes, un panell solar i també una bateria amb la mateixa massa que una tassa de cafè d’un sol ús o una cullera. No és una bogeria?

Una altra raó (a part del cost) per la qual voldríeu construir això és la seva autonomia i resistència. Classic HAB pot volar fins a 4 hores i viatjar fins a 200 km. Un Picoballoon, en canvi, pot volar fins a un parell de mesos i recórrer fins a desenes de milers de quilòmetres. Un noi polonès va aconseguir que el seu globus picador volés diverses vegades al voltant del món. Això, per descomptat, també significa que no tornareu a veure el vostre Picoballoon després de llançar-lo. Per això, voleu transmetre totes les dades necessàries i, per descomptat, mantenir els costos el més baixos possibles.

Nota: aquest projecte és una col·laboració amb MatejHantabal. Comproveu també el seu perfil

ADVERTÈNCIA: es tracta d'un projecte avançat difícil de fer, però també molt divertit. Aquí s’explicarà tot, des del disseny de PCB fins a SMD i soldadura. Dit això, anem a treballar

ACTUALITZACIÓ: Vam haver de retirar el mòdul GPS a última hora a causa del seu gran consum d'energia. Probablement es pot solucionar, però no vam tenir temps per a això. Ho deixaré a la instrucció, però vés amb compte que no està provat. Encara podeu obtenir la ubicació a partir de metadades TTN, de manera que no us n’haureu de preocupar

Pas 1: el principi

Per tant, quan es construeix un dispositiu com aquest, hi ha moltes variants i opcions, però cada rastrejador necessita un transmissor i una font d’alimentació. És probable que la majoria dels rastrejadors incloguin aquests components:

- un panell solar

- una bateria (lipo o supercondensador)

- un processador / microcontrolador

- un mòdul GPS

- un sensor (s) (temperatura, humitat, pressió, UV, radiació solar …)

- un transmissor (433 MHz, LoRa, WSPR, APRS, LoRaWAN, Iridium)

Com podeu veure, hi ha molts sensors i transmissors que podeu utilitzar. Quins sensors utilitzeu depèn de vosaltres. Realment no importa, però el més comú són els sensors de temperatura i pressió. Seleccionar un transmissor és molt més difícil. Totes les tecnologies tenen alguns avantatges i desavantatges. No ho explicaré aquí perquè seria una discussió molt llarga. L'important és que vaig escollir LoRaWAN i crec que és el millor (perquè encara no vaig tenir l'oportunitat de provar els altres). Sé que, probablement, LoRaWAN té la millor cobertura. Podeu corregir-me als comentaris.

Pas 2: peces necessàries

Per tant, necessitareu aquestes coses per a aquest projecte:

Adafruit Feather 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (al final no l’hem utilitzat)

Sensor de temperatura / humitat / pressió BME280

2xSupercondensador 4.7F 2.7V

Panell solar amb sortida 5V

PCB personalitzats

Si feu el llançament per vosaltres mateixos, també necessiteu això:

Com a mínim 0,1 m3 d'heli (cerca: "dipòsit d'heli per a 15 globus") comprat localment

Globus de làmina autosellant Qualatex de 36"

Cost estimat del projecte: 80 € (només el rastrejador) / 100 € (globus i heli inclosos)

Pas 3: eines recomanades

Aquestes eines poden ser útils:

pelador de filferro

soldador

Soldador SMD

alicates

tornavisos

pistola de cola

multímetre

microscopi

pistola d’aire calent

També necessitareu pasta de soldar.

Pas 4: Adafruit Feather 32U4

Ens va costar molt seleccionar el microcontrolador adequat per al globus. The Adafruit Feather va resultar el millor per a la feina. S'adapta a tots els criteris requerits:

1) Té tots els pins necessaris: SDA / SCL, RX / TX, digital, analògic

2) Té el transmissor RFM95 LoRa.

3) És lleuger. La seva massa és de només 5,5 g.

4) Té un consum d'energia molt baix mentre es troba en mode de repòs (només 30uA).

Per això, creiem que l’Adafruit Feather és el millor microcontrolador per al treball.

Pas 5: Disseny i fabricació de PCB

Em sap greu el que us explicaré. Haurem de fer un PCB personalitzat. Serà dur i frustrant, però és necessari, així que comencem. A més, per entendre correctament el text següent, hauríeu de llegir aquesta impressionant classe de disseny de PCB de Instructables.

Per tant, al principi haureu de fer un esquema. Vaig fer l’esquema i la placa amb el programari de disseny de PCB EAGLE d’Autodesk. És gratuït, així que descarregueu-lo.

Era la primera vegada que dissenyava un PCB i us puc dir que es tracta de penjar la interfície Eagle. Vaig dissenyar la meva primera placa en 6 hores, però la meva segona placa em va portar menys d’una hora. Aquí teniu el resultat. Un bonic esquema i un tauler que diria.

Quan tingueu a punt el fitxer de tauler, heu de crear els fitxers gerber i enviar-los al fabricant. He demanat els meus taulers a jlcpcb.com, però podeu triar qualsevol altre fabricant que vulgueu. He establert el gruix del PCB a 0,8 mm en lloc de l’1,6 mm estàndard perquè la placa ha de ser lleugera. Podeu veure la meva configuració de JLC PCB a la captura de pantalla.

Si no voleu descarregar Eagle, només podeu descarregar "Ferdinand 1.0.zip" i penjar-lo a JLC PCB.

Quan demaneu els PCB, només cal que us asseieu còmodament a la cadira i espereu dues setmanes perquè arribin. Després podem continuar.

Nota: podeu notar que l’esquema és una mica diferent del tauler real. Això es deu al fet que em vaig adonar que el BME280 IC nu és massa difícil de soldar, de manera que vaig canviar l’esquema per un brot

Pas 6: soldadura SMD

Un altre trist anunci: la soldadura SMD no és fàcil. Ara, realment, és difícil. Que el senyor estigui amb vosaltres. Però aquest tutorial hauria d’ajudar-vos. Podeu soldar amb un soldador i una metxa de soldadura o bé amb una pasta de soldar i una pistola d’aire calent. Cap d'aquests mètodes no em va resultar prou convenient. Però hauríeu de fer-ho en una hora.

Col·loqueu els components segons la serigrafia del PCB o segons l’esquema.

Pas 7: soldar

Un cop acabada la soldadura SMD, la resta de treballs de soldadura són bàsicament un tros de pastís. Gairebé. Probablement heu soldat abans i espero que voldreu tornar a soldar. Només cal soldar Adafruit Feather, antenes, el panell solar i els supercondensadors. Bastant senzill diria.

Col·loqueu els components segons la serigrafia del PCB o segons l’esquema.

Pas 8: completar el seguiment

Així ha de ser el rastrejador complet. Estrany. Bonic. Interessant. Aquestes són les paraules que em vénen al cap de seguida. Ara només heu de fer flash el codi i provar si funciona.

Pas 9: configuració del TTN

The Things Network és una xarxa LoRaWAN de la comunitat centrada en la ciutat. Amb més de 6887 passarel·les (receptors) en funcionament, és la xarxa IoT mundial més gran del món. Utilitza el protocol de comunicació LoRa (Long Range) que és generalment a les freqüències 868 (Europa, Rússia) o a 915 MHz (EUA, Índia). És més utilitzat pels dispositius IoT que envien missatges curts a les ciutats. Només podeu enviar fins a 51 bytes, però podeu obtenir fàcilment un abast de 2 km a 15 km. És ideal per a sensors senzills o altres dispositius IoT. I el millor de tot és que és gratuït.

Ara, certament, el 2-15 no és suficient, però si arribeu a un terreny més alt, hauríeu de tenir una connexió millor. I el nostre globus serà molt alt. A 10 km sobre el nivell del mar, hauríem d’aconseguir una connexió a partir de 100 km. Un amic va llançar un HAB amb LoRa a 31 km a l’aire i va aconseguir un ping a 450 km. Per tant, això és bastant raonable.

La configuració del TTN hauria de ser fàcil. Només heu de crear un compte amb el vostre correu electrònic i després haureu de registrar el dispositiu. Al principi, heu de crear una aplicació. Una aplicació és tota la pàgina d'inici del projecte. Des d’aquí podeu canviar el codi del descodificador, veure les dades entrants i afegir / eliminar dispositius. Només cal que escolliu un nom i estigueu a punt. Un cop fet això, haureu de registrar un dispositiu a l'aplicació. Cal que introduïu l’adreça MAC de la Ploma Adafruit (amb la Ploma a l’embalatge). A continuació, heu d’establir el mètode d’activació a ABP i desactivar les comprovacions de comptadors de trames. Ara el dispositiu hauria d’estar registrat a l’aplicació. Copieu l'adreça del dispositiu, la clau de sessió de xarxa i la clau de sessió de l'aplicació. Els necessitareu al següent pas.

Per obtenir una explicació més saludable, visiteu aquest tutorial.

Pas 10: Codificació

L’Adafruit Feather 32U4 té un processador AVm ATmega32U4. Això significa que no té cap xip separat per a la comunicació USB (com Arduino UNO), el xip s'inclou al processador. Això vol dir que la càrrega a Adafruit Feather pot ser una mica més difícil en comparació amb una placa Arduino típica, però funciona amb Arduino IDE, de manera que si seguiu aquest tutorial hauria d’estar bé.

Després de configurar l'IDE Arduino i carregar correctament l'esbós "parpellejar", podeu passar al codi real. Descarregueu "LoRa_Test.ino". Canvieu l'adreça del dispositiu, la clau de sessió de xarxa i la clau de sessió de l'aplicació en conseqüència. Pengeu l’esbós. Sortir al carrer. Apunteu l'antena cap al centre de la ciutat o en direcció a la porta d'entrada més propera. Ara hauríeu de veure les dades que apareixen a la consola TTN. Si no, comenteu a continuació. No vull posar aquí tot el que podria haver passat, no sé si el servidor Instructables podria gestionar tanta quantitat de text.

Seguint endavant. Si l'esbós anterior funciona, podeu descarregar "Ferdinand_1.0.ino" i canviar les coses que s'havia de canviar a l'esbós anterior. Ara proveu-ho de nou.

Si obteniu dades HEX aleatòries a la consola TTN, no us preocupeu, se suposa que ho farà. Tots els valors estan codificats a HEX. Necessitareu un codi de descodificador diferent. Baixeu "decoder.txt". Copieu el seu contingut. Ara aneu a la consola TTN. Aneu a la vostra aplicació / formats de càrrega útil / descodificador. Ara traieu el codi original del descodificador i enganxeu-lo al vostre. Ara hauríeu de veure totes les lectures allà.

Pas 11: proves

Ara aquesta hauria de ser la part més llarga del projecte. Proves. Proves en tot tipus de condicions. Amb calor extrema, estrès i amb una llum forta (o fora del sol) per imitar les condicions allà dalt. Això hauria de trigar almenys una setmana, de manera que no hi haurà sorpreses pel que fa al comportament del rastrejador. Però aquest és un món ideal i no vam tenir aquest temps perquè el rastrejador va ser construït per a una competició. Vam fer alguns canvis d’última hora (literalment com 40 minuts abans del llançament), de manera que no sabíem què esperar. Això no és bo. Però ja ho sabeu, encara vam guanyar la competició.

Probablement haureu de fer aquesta part fora perquè el sol no brilla a l’interior i perquè el LoRa no tindrà la millor recepció a la vostra oficina.

Pas 12: algunes fórmules divertides

Els globus aerostàtics són molt sensibles. No només podeu omplir-los d’heli i llançar-los. Realment no els agrada això. Deixa'm explicar. Si la força de flotació és massa baixa, el globus no pujarà (òbviament). PERUT, i aquest és el problema, si la força de flotació és massa alta, el globus volarà massa alt, les forces del globus seran massa grans i saltarà i caurà a terra. Aquesta és la raó principal per la qual realment voleu fer aquests càlculs.

Si coneixeu una mica la física, no hauríeu de tenir problemes per entendre les fórmules anteriors. Hi ha algunes variables que cal introduir a la fórmula. Això inclou: constant de gas d’ompliment, temperatura termodinàmica, pressió, massa de la sonda i massa del globus. Si seguiu aquest tutorial i utilitzeu el mateix globus (microfolio Qualatex 36 ) i el mateix gas d'ompliment (heli), l'únic que realment diferirà és la massa de la sonda.

Tot seguit, aquestes fórmules us han de proporcionar: el volum d’heli necessari per omplir el globus, la velocitat a la qual puja el globus, l’altitud a la qual vola el globus i també el pes d’elevació lliure. Tots aquests són valors molt útils. La velocitat ascendent és important perquè el globus no toqui obstacles perquè és massa lent i és molt bo saber fins a quin punt volarà el globus. Però el més important és probablement l’ascensor gratuït. L’elevació gratuïta és necessària quan ompliu el globus al pas 14.

Gràcies a TomasTT7 per ajudar-vos amb les fórmules. Consulteu el seu bloc aquí.

Pas 13: Riscos

Per tant, el vostre rastrejador funciona. Aquest tros de merda en el qual heu treballat durant dos mesos, en realitat funciona! Enhorabona.

Revisem, doncs, quins riscos pot trobar el vostre fill investigador en l'aire:

1) No hi haurà prou llum solar contra el panell solar. Els supercondensadors s’esgotaran. La sonda deixarà de funcionar.

2) La sonda sortirà del seu abast i no es rebran dades.

3) Les fortes ratxes de vent destruiran la sonda.

4) La sonda passarà per una tempesta durant l’ascens i la pluja curtcircuitarà el circuit.

5) Es formarà un recobriment de gel al panell solar. Els supercondensadors s’esgotaran. La sonda deixarà de funcionar.

6) Una part de la sonda es trencarà per esforç mecànic.

7) Una part de la sonda es trencarà en condicions de pressió i calor extremes.

8) Es formarà una càrrega electrostàtica entre el globus i l'aire formant una espurna, que danyarà la sonda.

9) La sonda serà impactada per un llamp.

10) La sonda serà colpejada per un avió.

11) La sonda serà colpejada per un ocell.

12) Els estrangers segrestaran la vostra enquesta. Pot passar sobretot si el globus estarà per sobre de la zona 51.

Pas 14: llançament

Llavors, això és tot. És el dia D i llançaràs el teu estimat picoballoon. Sempre és bo conèixer el terreny i tots els obstacles possibles. També heu de controlar el temps (principalment la velocitat i la direcció del vent) constantment. D’aquesta manera, minimitzeu les possibilitats que els vostres equips per valor de 100 € i 2 mesos del vostre temps toquin contra un arbre o una paret. Seria trist.

Introduïu una canonada al globus. Lligueu el globus amb quelcom pesat amb niló. Poseu el pesat en una balança. Restableix l’escala. Assegureu l'altre extrem de la canonada al dipòsit d'heli. Comenceu a obrir lentament la vàlvula. Ara hauríeu de veure números negatius a l'escala. Ara és el moment d’utilitzar el valor d’elevació lliure que heu calculat al pas 12. Tanqueu la vàlvula quan el nombre negatiu assoleixi la massa del globus + elevació lliure. En el meu cas, eren 15 g + 2,4 g, així que vaig tancar la vàlvula exactament a -17,4 g a la bàscula. Traieu la canonada. El globus s’auto-segella, s’ha de segellar automàticament. Deslligueu l'objecte pesat i substituïu-lo per la sonda. Ja esteu a punt per llançar-vos.

Només cal veure el vídeo per obtenir tots els detalls.

Pas 15: Recepció de les dades

Ah, recordo la sensació que vam tenir després del llançament. L’estrès, la frustració, moltes hormones. Funcionarà? La nostra feina no valdrà res? Acabem de gastar tants diners en alguna cosa que no funcioni? Aquestes són les preguntes que ens fèiem després del llançament.

Per sort, la sonda va respondre uns 20 minuts després del llançament. I després rebíem un paquet cada 10 minuts. Vam perdre el contacte amb la sonda a les 17:51:09 GMT. Podria haver estat millor, però tot i així està bé.

Pas 16: Plans addicionals

Aquest va ser un dels nostres projectes més difícils actualitzats. No tot era perfecte, però està bé, sempre és així. Encara va tenir molt d’èxit. El rastrejador va funcionar impecablement. Podria fer-ho durant molt més temps, però això no importa. I vam acabar segons a la competició de Picoballoon. Ara podríeu dir que ser segon en un concurs amb 17 persones no és un èxit tan gran, però tingueu en compte que es tracta d’un concurs d’enginyeria / construcció per a adults. Tenim 14 anys. Amb els que competíem eren adults amb formació en enginyeria i possiblement fins i tot aeroespacial i amb molta més experiència. Així que sí, en general, diria que va ser un gran èxit. Vam obtenir 200 €, el que suposa aproximadament el doble de les nostres despeses.

Sens dubte vaig a construir una versió 2.0. Serà molt millor, amb components més petits (processador barebone, RFM95) i serà més fiable, així que estigueu atents a la següent instrucció.

Ara el nostre principal objectiu és guanyar el concurs Epilog X. Companys creadors, si us ha agradat aquest instructiu, penseu en votar-hi. Realment ens ajudaria. Moltes gràcies!

Accèsit al concurs Epilog X