Hur man gör en Picoballoon: 16 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:45

Vad är en picoballong och varför skulle jag vilja bygga den ?! Jag hör dig fråga. Låt mig förklara. Ni vet säkert alla vad en HAB (High Altitude Balloon) är. Det är ett gäng konstiga elektronikgrejer kopplade till en ballong. Det finns sååå många handledning om HAB här på Instructables.

MEN, och det är en mycket stor MEN vad de inte berättar för dig de flesta gånger i handledningen är kostnaden för fyllningsgasen. Nu kan du bygga en anständig HAB -tracker under 50 €, men om den väger 200g (vilket är en ganska optimistisk gissning med batterier, kameror, etc.) kan heliumet för att fylla ballongen kosta dig 200 € eller mer, vilket är bara för mycket för många tillverkare som jag.

Så som du kan gissa löser picoballonger detta problem genom att bara inte vara skrymmande och tunga. Picoballoon är bara ett ord för en lätt HAB. Ljus, vad menar jag med ljus? I allmänhet är picoballonger lättare än 20g. Föreställ dig nu att en processor, sändare, ett kretskort, GPS, antenner, en solpanel och även ett batteri med en massa som en engångskaffe eller en sked. Är det inte bara vansinnigt?

En annan anledning (förutom kostnaden) till varför du skulle vilja bygga detta är dess utbud och uthållighet. Klassisk HAB kan flyga i upp till 4 timmar och resa i upp till 200km. En Picoballoon kan å andra sidan flyga i upp till ett par månader och resa upp till tiotusentals kilometer. En polsk kille fick sin picoballong att flyga jorden runt flera gånger. Detta innebär naturligtvis också att du aldrig kommer att se din Picoballoon igen efter att ha startat den. Det är därför du vill överföra all data som behövs och naturligtvis hålla kostnaderna så låga som möjligt.

Obs! Detta projekt är ett samarbete med MatejHantabal. Var noga med att kolla in hans profil också

VARNING: Detta är ett svårt att göra avancerad nivå men också mycket roligt projekt. Allt från PCB -design till SMD till lödning kommer att förklaras här. Som sagt, låt oss börja jobba

UPPDATERING: Vi var tvungna att ta bort GPS -modulen i sista minuten på grund av dess stora strömförbrukning. Det kan nog fixas men vi hade inte tid för det. Jag lämnar det i den instruerbara men akta dig för att det inte är testat. Du kan fortfarande få plats från TTN -metadata så du bör inte oroa dig för det

Steg 1: Principen

Så när man bygger en sådan här enhet finns det många variationer och val men varje spårare behöver en sändare och en strömförsörjning. De flesta av spårarna kommer sannolikt att innehålla dessa komponenter:

- en solpanel

- ett batteri (lipo eller superkondensator)

- en processor/mikrokontroller

- en GPS -modul

- en sensor/s (temperatur, luftfuktighet, tryck, UV, solstrålning …)

- en sändare (433MHz, LoRa, WSPR, APRS, LoRaWAN, Iridium)

Som du kan se finns det många sensorer och sändare som du kan använda. Vilka sensorer du använder är upp till dig. Det spelar egentligen ingen roll men de vanligaste är sensorerna för temperatur och tryck. Att välja en sändare är dock mycket svårare. Varje teknik har några fördelar och nackdelar. Jag kommer inte att bryta ner det här eftersom det skulle bli en mycket lång diskussion. Det som är viktigt är att jag valde LoRaWAN och jag tror att det är det bästa (eftersom jag inte hade en chans att testa de andra än). Jag vet att LoRaWAN förmodligen har den bästa täckningen. Du får gärna korrigera mig i kommentarerna.

Steg 2: Nödvändiga delar

Så du behöver dessa saker för det här projektet:

Adafruit Feather 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (Vi använde inte detta i slutet)

BME280 temperatur/luftfuktighet/trycksensor

2xSuperkondensator 4.7F 2.7V

Solpanel med effekt 5V

Anpassade kretskort

Om du startar själv behöver du också detta:

Minst 0,1 m3 helium (sök: "heliumtank för 15 ballonger") köpt lokalt

Qualatex 36 självtätande folieballong

Uppskattad projektkostnad: 80 € (endast spåraren) / 100 € (inklusive ballong och helium)

Steg 3: Rekommenderade verktyg

Dessa verktyg kan komma till nytta:

trådavlägsnare

lödkolv

SMD -lödkolv

tång

skruvmejslar

limpistol

multimeter

mikroskop

varmluftspistol

Du behöver också lödpasta.

Steg 4: Adafruit Feather 32U4

Vi hade svårt att välja rätt mikrokontroller för ballongen. Adafruitfjädern blev det bästa för jobbet. Den uppfyller alla nödvändiga kriterier:

1) Den har alla nödvändiga stift: SDA/SCL, RX/TX, digital, analog

2) Den har RFM95 LoRa -sändaren.

3) Det är lätt. Massan är bara 5,5 g.

4) Den har mycket låg strömförbrukning i viloläge (endast 30uA).

På grund av detta tror vi att Adafruit Feather är den bästa mikrokontrollern för jobbet.

Steg 5: PCB -design och tillverkning

Jag är verkligen ledsen för det jag ska berätta. Vi kommer att behöva göra ett anpassat kretskort. Det kommer att bli svårt och frustrerande, men det är nödvändigt, så låt oss komma igång. För att förstå följande text ordentligt bör du läsa denna fantastiska PCB -designklass av Instructables.

Så först måste du göra en schematisk. Jag gjorde både schemat och tavlan i EAGLE PCB -designprogramvara från Autodesk. Det är gratis, så ladda ner det!

Det var första gången jag designade ett kretskort och jag kan berätta att det handlar om att få tag på Eagle -gränssnittet. Jag designade min första bräda på 6 timmar, men min andra bräda tog mig mindre än en timme. Här är resultatet. En ganska fin schematisk och en tavla skulle jag säga.

När du har tavelfilen klar måste du skapa gerberfilerna och skicka dem till tillverkaren. Jag beställde mina brädor från jlcpcb.com men du kan välja vilken annan tillverkare du vill. Jag ställer in PCB -tjockleken till 0,8 mm istället för standard 1,6 mm eftersom brädan måste vara lätt. Du kan se mina inställningar för JLC PCB i skärmdumpen.

Om du inte vill ladda ner Eagle kan du bara ladda ner "Ferdinand 1.0.zip" och ladda upp den till JLC PCB.

När du beställer kretskortet är det bara att sitta bekvämt i stolen och vänta två veckor på att de kommer. Då kan vi fortsätta.

Obs: Du kan märka att schemat är lite annorlunda än det faktiska kortet. Det är för att jag märkte att den nakna BME280 IC är för svår att löda så jag ändrade schemat för ett breakout

Steg 6: SMD -lödning

Ytterligare ett tråkigt tillkännagivande: SMD -lödning är inte lätt. Nu är det verkligen jobbigt. Må herren vara med dig. Men denna handledning bör hjälpa. Du kan löda antingen med hjälp av ett lödkolv och en lödväg, eller en lödpasta och en varmluftspistol. Ingen av dessa metoder var tillräckligt bekväm för mig. Men du borde göra det inom en timme.

Placera komponenterna antingen enligt silkscreen på PCB eller enligt schemat.

Steg 7: Lödning

Efter att SMD -lödningen är klar är resten av lödjobbet i princip en kaka. Nästan. Du har säkert lödt förut och jag hoppas att du vill lödda igen. Du behöver bara lödda Adafruit Fjäder, antenner, solpanelen och superkondensatorerna. Ganska enkelt skulle jag säga.

Placera komponenterna antingen enligt silkscreen på PCB eller enligt schemat.

Steg 8: Komplett spårare

Så här ska hela spåraren se ut. Konstig. Trevlig. Intressant. Det är orden som jag tänker på direkt. Nu behöver du bara blinka koden och testa om den fungerar.

Steg 9: TTN -inställning

Things Network är ett globalt stadscentrerat lokalt LoRaWAN -nätverk. Med mer än 6887 gateways (mottagare) igång är det världens största globala IoT -nätverk. Den använder LoRa (Long Range) kommunikationsprotokoll som är generellt vid frekvenser 868 (Europa, Ryssland) eller vid 915MHz (USA, Indien). Det används mest av IoT -enheter som skickar korta meddelanden i städer. Du kan bara skicka upp till 51 byte, men du kan enkelt få en räckvidd från 2 km till 15 km. Det är idealiskt för enkla sensorer eller andra IoT -enheter. Och det bästa av allt är att det är gratis.

Nu är det säkert inte tillräckligt med 2-15, men om du kommer till högre mark bör du ha en bättre anslutning. Och vår ballong blir väldigt hög. Vid 10 km över havsnivån bör vi få en förbindelse från 100 km. En vän lanserade en HAB med LoRa 31km upp i luften och han fick en ping 450km bort. Så det är ganska rimligt.

Det bör vara enkelt att konfigurera TTN. Du behöver bara skapa ett konto med din e -post och sedan måste du registrera enheten. Först måste du skapa ett program. En ansökan är hela projektets hemsida. Härifrån kan du ändra avkodarkoden, visa inkommande data och lägga till/ta bort enheter. Välj bara ett namn och du är redo att gå. När det är klart måste du registrera en enhet i programmet. Du måste ange MAC -adressen för Adafruit Feather (med fjädern i förpackningen). Sedan bör du ställa in aktiveringsmetoden till ABP och du ska inaktivera ramräknarkontroller. Din enhet ska nu vara registrerad i programmet. Kopiera enhetsadressen, nätverkssessionens nyckel och app -sessionsnyckeln. Du behöver dem i nästa steg.

För en mer hälsosam förklaring, besök denna handledning.

Steg 10: Kodning

Adafruit Feather 32U4 har en ATmega32U4 AVR -processor. Det betyder att det inte har ett separat chip för USB -kommunikation (som Arduino UNO), chipet ingår i processorn. Det betyder att uppladdning till Adafruit Feather kan vara lite svårare jämfört med ett typiskt Arduino -kort, men det fungerar med Arduino IDE så om du följer den här handledningen borde det vara bra.

När du har konfigurerat Arduino IDE och framgångsrikt laddat upp "blinka" -skissen kan du flytta till den faktiska koden. Ladda ner "LoRa_Test.ino". Ändra enhetsadressen, nätverkssessionnyckeln och nyckeln för app -session i enlighet med detta. Ladda upp skissen. Gå ut. Rikta antennen mot stadens centrum eller i riktning mot närmaste gateway. Du bör nu se data dyka upp på TTN -konsolen. Om inte, kommentera nedan. Jag vill inte lägga allt som kunde ha hänt här, jag vet inte om Instructables -servern kunde hantera en sådan mängd text.

Gå vidare. Om den tidigare skissen fungerar kan du ladda ner "Ferdinand_1.0.ino" och ändra de saker du skulle ändra i den föregående skissen. Testa nu igen.

Om du får slumpmässiga HEX -data på TTN -konsolen, oroa dig inte, det ska göra det. Alla värden är kodade i HEX. Du kommer att behöva en annan avkodarkod. Ladda ner "decoder.txt". Kopiera innehållet. Gå nu till TTN -konsolen. Gå till din applikation/nyttolastformat/avkodare. Ta nu bort den ursprungliga avkodarkoden och klistra in din. Du borde nu se alla avläsningar där.

Steg 11: Testning

Nu borde detta vara den längsta delen av projektet. Testning. Testar under alla möjliga förhållanden. I extrem värme, stress och med ett starkt ljus (eller ute på solen) för att efterlikna förhållandena där uppe. Detta bör ta minst en vecka så det blir inga överraskningar när det gäller spårarens beteende. Men det är en idealisk värld och vi hade inte den tiden eftersom spåraren var byggd för en tävling. Vi gjorde några ändringar i sista minuten (bokstavligen 40 minuter före lanseringen) så vi visste inte vad vi skulle förvänta oss. Det är inte bra. Men du vet, vi vann fortfarande tävlingen.

Du kommer förmodligen att behöva göra den här delen utomhus eftersom solen inte skiner inuti och eftersom LoRa inte kommer att ha den bästa mottagningen på ditt kontor.

Steg 12: Några Funky Formulas

Picoballonger är mycket känsliga. Du kan inte bara fylla dem med helium och starta dem. Det gillar de verkligen inte. Låt mig förklara. Om flytkraften är för låg kommer ballongen inte att stiga (uppenbarligen). MEN, och detta är fångsten, om flytkraften är för hög kommer ballongen att flyga för högt, krafterna på ballongen blir för stora och den kommer att dyka upp och falla på marken. Det är den främsta anledningen till att du verkligen vill göra dessa beräkningar.

Om du kan fysik lite borde du inte ha problem med att förstå formlerna ovan. Det finns några variabler som du behöver mata in i formeln. Detta inkluderar: fyllning av gas konstant, termodynamisk temperatur, tryck, sondens massa och ballongens massa. Om du följer denna handledning och använder samma ballong (Qualatex microfoil 36 ) och samma fyllningsgas (helium) är det enda som faktiskt kommer att skilja sig från sondens massa.

Dessa formler ska sedan ge dig: volymen helium som behövs för att fylla ballongen, hastigheten med vilken ballongen stiger, höjden med vilken ballongen flyger och även den fria lyftvikten. Dessa är alla mycket användbara värden. Den stigande hastigheten är viktig så att ballongen inte träffar hinder eftersom den är för långsam och det är riktigt skönt att veta hur högt ballongen ska flyga. Men den viktigaste av dem är förmodligen gratishissen. Den fria lyften krävs när du fyller ballongen i steg 14.

Tack till TomasTT7 för hjälp med formlerna. Kolla in hans blogg här.

Steg 13: Risker

Så din tracker fungerar. Den skiten du har jobbat med i två månader fungerar faktiskt! Grattis.

Så låt oss granska vilka risker ditt sondbarn kan stöta på i luften:

1) Det kommer inte att finnas tillräckligt med solljus mot solpanelen. Superkondensatorerna rinner ut. Sonden kommer att sluta fungera.

2) Sonden kommer utanför området och ingen data tas emot.

3) Starka vindbyar kommer att förstöra sonden.

4) Sonden kommer att passera genom en storm under uppstigning och regn kommer att kortsluta kretsen.

5) En isbeläggning kommer att bildas på solpanelen. Superkondensatorerna rinner ut. Sonden kommer att sluta fungera.

6) En del av sonden bryts under mekanisk påfrestning.

7) En del av sonden går sönder under extrema värme- och tryckförhållanden.

8) En elektrostatisk laddning kommer att bildas mellan ballongen och luften som bildar en gnista, vilket kommer att skada sonden.

9) Sonden kommer att träffas av blixtnedslag.

10) Sonden kommer att träffas av ett plan.

11) Sonden kommer att träffas av en fågel.

12) Utlänningar kommer att kapa din sond. Kan hända särskilt om ballongen kommer att vara över område 51.

Steg 14: Starta

Så det är det. Det är D-dagen och du kommer att lansera din älskade picoballoon. Det är alltid bra att känna till terrängen och alla möjliga hinder. Du måste också övervaka vädret (främst vindens hastighet och riktning) konstant. På så sätt minimerar du chansen att din utrustning värd 100 € och 2 månader av din tid slår in i ett träd eller i en vägg. Det vore trist.

För in ett rör i ballongen. Knyt ballongen till något tungt med nylon. Sätt det tunga på en skala. Återställ skalan. Säkra den andra änden av röret på din heliumtank. Börja långsamt öppna ventilen. Du bör nu se negativa siffror på skalan. Nu är det dags att använda värdet för frilift som du beräknade i steg 12. Stäng av ventilen när det negativa talet når ballongens massa + frilift. I mitt fall var det 15g + 2,4g så jag stängde av ventilen på exakt -17,4g på vågen. Ta bort röret. Ballongen är självtätande, den ska förseglas automatiskt. Lossa det tunga föremålet och ersätt det med sonden. Nu är du redo att starta.

Titta bara på videon för alla detaljer.

Steg 15: Ta emot data

Åh, jag minns känslan vi hade efter lanseringen. Stressen, frustrationen, en massa hormoner. Kommer det att fungera? Kommer vårt arbete att vara värdelöst? Spenderade vi bara så mycket pengar på något som inte fungerar? Det är sådana frågor vi ställde oss efter lanseringen.

Lyckligtvis svarade sonden cirka 20 minuter efter lanseringen. Och så fick vi ett paket var 10: e minut. Vi tappade kontakten med sonden klockan 17:51:09 GMT. Det kunde ha varit bättre, men det är fortfarande bra.

Steg 16: Ytterligare planer

Detta var ett av våra svåraste projekt hittills. Allt var inte perfekt men det är OK, det är alltid så. Det var fortfarande mycket lyckat. Spåraren fungerade felfritt. Det hade kunnat göra det mycket längre men det spelar ingen roll. Och vi hamnade tvåa i Picoballoon -tävlingen. Nu kan du säga att att vara tvåa i en tävling med 17 personer inte är en sådan framgång, men kom ihåg att detta är en vuxen ingenjörs-/konstruktionstävling. Vi är 14 år. De vi tävlade med var vuxna med ingenjörskonst och kanske till och med rymdbakgrund och med mycket mer erfarenhet. Så ja, totalt sett skulle jag säga att det var en stor framgång. Vi fick 200 €, vilket var ungefär dubbelt av våra kostnader.

Jag ska verkligen bygga en version 2.0. Det kommer att bli mycket bättre, med mindre komponenter (barebone -processor, RFM95) och det kommer att bli mer pålitligt, så håll utkik efter nästa instruerbara.

Vårt huvudmål nu är att vinna Epilog X -tävlingen. Medmakare, om du gillade det här instruerbart, kan du överväga att rösta på det. Det skulle verkligen hjälpa oss. Tack så mycket!

Tvåa i Epilog X -tävlingen