Come Fare un Picopalloncino: 16 Passaggi (con Immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Cos'è un picoballoon e perché dovrei costruirlo?! ti sento chiedere. Lasciatemi spiegare. Probabilmente sapete tutti cos'è un HAB (High Altitude Balloon). È un mucchio di strane cose elettroniche collegate a un pallone. Ci sono così tanti tutorial sugli HAB qui su Instructables.

MA, e questo è un MA molto grande, quello che non ti dicono la maggior parte delle volte nel tutorial è il costo del gas di riempimento. Ora, puoi costruire un tracker HAB decente sotto i 50 €, ma se pesa 200 g (che è un'ipotesi piuttosto ottimistica con le batterie, le fotocamere, ecc.) L'elio per riempire il pallone può costare 200 € o più, che è troppo per molti creatori come me.

Quindi, come puoi immaginare, i picoballoon risolvono questo problema semplicemente non essendo ingombranti e pesanti. Picoballoon è solo una parola per un HAB leggero. Luce, cosa intendo per luce? In generale, i picoballoon sono più leggeri di 20 g. Ora, immagina che un processore, un trasmettitore, un PCB, GPS, antenne, un pannello solare e anche una batteria con una massa pari a una tazza di caffè usa e getta o un cucchiaio. Non è semplicemente folle?

Un altro motivo (a parte il costo) per cui vorresti costruire questo è la sua gamma e resistenza. Il classico HAB può volare fino a 4 ore e viaggiare fino a 200 km. Un Picoballoon, invece, può volare fino a un paio di mesi e viaggiare fino a decine di migliaia di chilometri. Un ragazzo polacco ha fatto volare più volte il suo picoballoon in tutto il mondo. Questo ovviamente significa anche che non vedrai mai più il tuo Picoballoon dopo averlo lanciato. Ecco perché vuoi trasmettere tutti i dati necessari e ovviamente mantenere i costi il più bassi possibile.

Nota: questo progetto è una collaborazione con MatejHantabal. Assicurati di controllare anche il suo profilo

ATTENZIONE: questo è un progetto di livello avanzato difficile da realizzare ma anche molto divertente. Tutto, dalla progettazione PCB all'SMD alla saldatura, verrà spiegato qui. Detto questo, mettiamoci al lavoro

AGGIORNAMENTO: Abbiamo dovuto rimuovere il modulo GPS all'ultimo minuto a causa del suo grande consumo energetico. Probabilmente può essere risolto, ma non abbiamo avuto il tempo per farlo. Lo lascerò nell'istruibile ma attenzione che non è testato. Puoi ancora ottenere la posizione dai metadati TTN, quindi non dovresti preoccuparti di questo

Passaggio 1: il principio

Quindi, quando si costruisce un dispositivo come questo, ci sono molte varianti e scelte, ma ogni tracker ha bisogno di un trasmettitore e di un alimentatore. La maggior parte dei tracker includerà probabilmente questi componenti:

- un pannello solare

- una batteria (lipo o supercondensatore)

- un processore/microcontrollore

- un modulo GPS

- un sensore/i (temperatura, umidità, pressione, UV, radiazione solare…)

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

Come puoi vedere, ci sono molti sensori e trasmettitori che puoi usare. Quali sensori usi dipende da te. Non importa, ma i più comuni sono i sensori di temperatura e pressione. Tuttavia, la selezione di un trasmettitore è molto più difficile. Ogni tecnologia ha dei pro e dei contro. Non lo scomporrei qui perché sarebbe una discussione molto lunga. L'importante è che ho scelto LoRaWAN e penso che sia il migliore (perché non ho ancora avuto modo di testare gli altri). So che LoRaWAN ha probabilmente la migliore copertura però. Puoi correggermi nei commenti.

Passaggio 2: parti necessarie

Quindi, avrai bisogno di queste cose per questo progetto:

Piuma Adafruit 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (non l'abbiamo usato alla fine)

Sensore di temperatura/umidità/pressione BME280

2xSupercondensatore 4.7F 2.7V

Pannello solare con uscita 5V

PCB personalizzati

Se stai avviando da solo, hai anche bisogno di questo:

Almeno 0,1 m3 di elio (ricerca: "serbatoio di elio per 15 palloncini") acquistato localmente

Palloncino foil autosigillante Qualatex 36"

Costo stimato del progetto: 80€ (solo tracker) / 100€ (incluso palloncino ed elio)

Passaggio 3: strumenti consigliati

Questi strumenti potrebbero tornare utili:

spelafili

saldatore

Saldatore SMD

pinze

cacciaviti

pistola a colla

multimetro

microscopio

pistola ad aria calda

Avrai anche bisogno di pasta saldante.

Passaggio 4: piuma di Adafruit 32U4

Abbiamo avuto difficoltà a selezionare il microcontrollore giusto per il pallone. La piuma di Adafruit si è rivelata la migliore per il lavoro. Risponde a tutti i criteri richiesti:

1) Ha tutti i pin necessari: SDA/SCL, RX/TX, digitale, analogico

2) Ha il trasmettitore RFM95 LoRa.

3) È leggero. La sua massa è di soli 5,5 g.

4) Ha un consumo energetico molto basso in modalità di sospensione (solo 30uA).

Per questo motivo, pensiamo che Adafruit Feather sia il miglior microcontrollore per il lavoro.

Passaggio 5: progettazione e produzione PCB

Mi dispiace davvero per quello che sto per dirti. Avremo bisogno di creare un PCB personalizzato. Sarà difficile e frustrante, ma è necessario, quindi cominciamo. Inoltre, per comprendere correttamente il testo seguente, dovresti leggere questa fantastica lezione di progettazione PCB di Instructables.

Quindi, all'inizio dovrai fare uno schema. Ho realizzato sia lo schema che la scheda nel software di progettazione PCB EAGLE di Autodesk. È gratuito, quindi scaricalo!

Era la prima volta che progettavo un PCB e posso dirvi che si tratta solo di prendere confidenza con l'interfaccia Eagle. Ho progettato la mia prima tavola in 6 ore, ma la mia seconda tavola mi ha impiegato meno di un'ora. Ecco il risultato. Uno schema piuttosto carino e una scheda direi.

Quando hai pronto il file della scheda, devi creare i file gerber e inviarli al produttore. Ho ordinato le mie schede da jlcpcb.com ma puoi scegliere qualsiasi altro produttore che ti piace. Ho impostato lo spessore del PCB su 0,8 mm anziché sullo standard 1,6 mm perché la scheda deve essere leggera. Puoi vedere le mie impostazioni per JLC PCB nello screenshot.

Se non vuoi scaricare Eagle, puoi semplicemente scaricare "Ferdinand 1.0.zip" e caricarlo su JLC PCB.

Quando ordini i PCB, siediti comodamente sulla tua sedia e aspetta due settimane che arrivino. Allora possiamo continuare.

Nota: puoi notare che lo schema è leggermente diverso dalla scheda reale. Questo perché ho notato che l'IC BME280 nudo è troppo difficile da saldare, quindi ho cambiato lo schema per un breakout

Passaggio 6: saldatura SMD

Un altro triste annuncio: la saldatura SMD non è facile. Ora davvero, è fottutamente difficile. Che il Signore sia con te. Ma questo tutorial dovrebbe aiutare. Puoi saldare usando un saldatore e uno stoppino per saldatura, oppure una pasta saldante e una pistola ad aria calda. Nessuno di questi metodi era abbastanza conveniente per me. Ma dovresti farlo entro un'ora.

Posizionare i componenti secondo la serigrafia sul PCB o secondo lo schema.

Passaggio 7: saldatura

Dopo che la saldatura SMD è stata eseguita, il resto del lavoro di saldatura è fondamentalmente un gioco da ragazzi. Quasi. Probabilmente hai già saldato e spero che vorrai saldare di nuovo. Hai solo bisogno di saldare l'Adafruit Feather, le antenne, il pannello solare e i supercondensatori. Abbastanza semplice direi.

Posizionare i componenti secondo la serigrafia sul PCB o secondo lo schema.

Passaggio 8: tracker completo

Ecco come dovrebbe apparire il tracker completo. Strano. Bello. Interessante. Queste sono le parole che mi vengono subito in mente. Ora devi solo flashare il codice e testare se funziona.

Passaggio 9: configurazione TTN

The Things Network è una rete LoRaWAN di comunità globale centrata sulla città. Con oltre 6887 gateway (ricevitori) attivi e funzionanti, è la più grande rete IoT globale al mondo. Utilizza il protocollo di comunicazione LoRa (Long Range) che generalmente è alle frequenze 868 (Europa, Russia) oa 915MHz (USA, India). È più ampiamente utilizzato dai dispositivi IoT che inviano brevi messaggi nelle città. Puoi inviare solo fino a 51 byte, ma puoi facilmente ottenere un raggio da 2 km a 15 km. Questo è l'ideale per semplici sensori o altri dispositivi IoT. E soprattutto, è gratuito.

Ora, 2-15 di certo non è abbastanza, ma se arrivi a un livello più alto, dovresti avere una connessione migliore. E il nostro pallone sarà molto alto. A 10 km sul livello del mare, dovremmo avere un collegamento da 100 km. Un amico ha lanciato un HAB con LoRa 31 km in aria e ha ricevuto un ping a 450 km di distanza. Quindi, è abbastanza ragionevole.

Configurare il TTN dovrebbe essere facile. Devi solo creare un account con la tua email e poi devi registrare il dispositivo. All'inizio, devi creare un'applicazione. Un'applicazione è l'intera homepage del progetto. Da qui è possibile modificare il codice del decoder, visualizzare i dati in arrivo e aggiungere/rimuovere dispositivi. Scegli un nome e sei pronto per partire. Fatto ciò, dovrai registrare un dispositivo nell'applicazione. Devi inserire l'indirizzo MAC di Adafruit Feather (con la Feather nella confezione). Quindi dovresti impostare il metodo di attivazione su ABP e dovresti disabilitare i controlli del contatore di fotogrammi. Il tuo dispositivo dovrebbe ora essere registrato nell'applicazione. Copia l'indirizzo del dispositivo, la chiave della sessione di rete e la chiave della sessione dell'app. Ti serviranno nel passaggio successivo.

Per una spiegazione più completa, visita questo tutorial.

Passaggio 10: codifica

L'Adafruit Feather 32U4 ha un processore AVR ATmega32U4. Ciò significa che non ha un chip separato per la comunicazione USB (come Arduino UNO), il chip è incluso nel processore. Ciò significa che il caricamento su Adafruit Feather può essere un po' più difficile rispetto a una tipica scheda Arduino, ma funziona con Arduino IDE, quindi se segui questo tutorial dovrebbe andare bene.

Dopo aver configurato l'IDE di Arduino e aver caricato con successo lo sketch "blink", puoi passare al codice effettivo. Scarica "LoRa_Test.ino". Modificare l'indirizzo del dispositivo, la chiave della sessione di rete e la chiave della sessione dell'app di conseguenza. Carica lo schizzo. Vai fuori. Puntare l'antenna verso il centro città o in direzione del gateway più vicino. Ora dovresti vedere apparire i dati sulla console TTN. In caso contrario, commenta qui sotto. Non voglio mettere tutto ciò che potrebbe essere successo qui, non so se il server Instructables potrebbe gestire una tale quantità di testo.

Andare avanti. Se lo schizzo precedente funziona, puoi scaricare "Ferdinand_1.0.ino" e modificare le cose che avresti dovuto cambiare nello schizzo precedente. Ora prova di nuovo.

Se ricevi dati HEX casuali sulla console TTN, non preoccuparti, dovrebbe farlo. Tutti i valori sono codificati in HEX. Avrai bisogno di un codice di decodifica diverso. Scarica "decoder.txt". Copia il suo contenuto. Ora vai alla console TTN. Vai alla tua applicazione/formati payload/decodificatore. Ora rimuovi il codice del decoder originale e incollalo nel tuo. Ora dovresti vedere tutte le letture lì.

Passaggio 11: test

Ora questa dovrebbe essere la parte più lunga del progetto. Test. Test in tutti i tipi di condizioni. In condizioni di caldo estremo, stress e con una forte luce (o fuori sul sole) per imitare le condizioni lassù. Questo dovrebbe richiedere almeno una settimana, quindi non ci saranno sorprese in termini di comportamento del tracker. Ma quello è un mondo ideale e non abbiamo avuto quel tempo perché il tracker è stato costruito per una competizione. Abbiamo apportato alcune modifiche dell'ultimo minuto (letteralmente 40 minuti prima del lancio) quindi non sapevamo cosa aspettarci. Non va bene. Ma sai, abbiamo comunque vinto la competizione.

Probabilmente dovrai fare questa parte all'esterno perché il sole non splende all'interno e perché il LoRa non avrà la migliore ricezione nel tuo ufficio.

Passaggio 12: alcune formule funky

I picoballoon sono molto sensibili. Non puoi semplicemente riempirli di elio e lanciarli. A loro non piace proprio. Lasciatemi spiegare. Se la forza di galleggiamento è troppo bassa, il pallone non si solleverà (ovviamente). MA, e questo è il problema, se la forza di galleggiamento è troppo alta, il pallone volerà troppo in alto, le forze sul pallone saranno troppo grandi e scoppierà e cadrà a terra. Questo è il motivo principale per cui vuoi davvero fare questi calcoli.

Se conosci un po' la fisica, non dovresti avere problemi a capire le formule sopra. Ci sono alcune variabili che devi inserire nella formula. Ciò include: costante del gas di riempimento, temperatura termodinamica, pressione, massa della sonda e massa del pallone. Se segui questo tutorial e usi lo stesso palloncino (Qualatex microfoil 36 ) e lo stesso gas di riempimento (elio), l'unica cosa che differirà effettivamente è la massa della sonda.

Queste formule dovrebbero quindi darti: il volume di elio necessario per riempire il pallone, la velocità con cui il pallone si alza, l'altitudine a cui vola il pallone e anche il peso di sollevamento libero. Sono tutti valori molto utili. La velocità di salita è importante in modo che il pallone non colpisca ostacoli perché è troppo lento ed è davvero bello sapere quanto in alto volerà il pallone. Ma il più importante di questi è probabilmente l'alzata libera. L'alzata libera è necessaria quando si riempirà il palloncino nel passaggio 14.

Grazie a TomasTT7 per l'aiuto con le formule. Guarda il suo blog qui.

Passaggio 13: rischi

Quindi, il tuo tracker funziona. Quel pezzo di merda su cui hai lavorato per due mesi funziona davvero! Congratulazioni.

Quindi esaminiamo i rischi che il tuo bambino sonda può incontrare in aria:

1) Non ci sarà abbastanza luce solare che colpisce il pannello solare. I supercondensatori si scaricheranno. La sonda smetterà di funzionare.

2) La sonda uscirà dal range e non verranno ricevuti dati.

3) Forti raffiche di vento distruggeranno la sonda.

4) La sonda attraverserà un temporale durante la salita e la pioggia cortocircuiterà il circuito.

5) Si formerà una patina di ghiaccio sul pannello solare. I supercondensatori si scaricheranno. La sonda smetterà di funzionare.

6) Parte della sonda si rompe sotto stress meccanico.

7) Parte della sonda si rompe in condizioni di calore e pressione estreme.

8) Si formerà una carica elettrostatica tra il palloncino e l'aria formando una scintilla che danneggerà la sonda.

9) La sonda verrà colpita da un fulmine.

10) La sonda verrà colpita da un aereo.

11) La sonda verrà colpita da un uccello.

12) Gli alieni dirotteranno la tua sonda. Può succedere soprattutto se il pallone sarà al di sopra dell'area 51.

Passaggio 14: lancio

Quindi, questo è tutto. È il D-day e lancerai il tuo amato picoballoon. È sempre bene conoscere il terreno e tutti i possibili ostacoli. Inoltre è necessario monitorare costantemente il tempo (principalmente la velocità e la direzione del vento). In questo modo, riduci al minimo le possibilità che i tuoi 100€ di attrezzatura e 2 mesi del tuo tempo vadano a sbattere contro un albero o contro un muro. Sarebbe triste.

Inserisci un tubo nel palloncino. Lega il palloncino a qualcosa di pesante con il nylon. Metti la cosa pesante su una bilancia. Reimposta la bilancia. Fissa l'altra estremità del tubo sul serbatoio dell'elio. Inizia ad aprire lentamente la valvola. Ora dovresti vedere i numeri negativi sulla scala. Ora è il momento di utilizzare il valore di portanza libera calcolato nel passaggio 12. Spegnere la valvola quando il numero negativo raggiunge la massa del palloncino + portanza libera. Nel mio caso era 15 g + 2,4 g, quindi ho chiuso la valvola esattamente a -17,4 g sulla bilancia. Rimuovere il tubo. Il palloncino è autosigillante, dovrebbe sigillarsi automaticamente. Slega l'oggetto pesante e sostituiscilo con la sonda. Ora sei pronto per il lancio.

Basta guardare il video per tutti i dettagli.

Passaggio 15: ricezione dei dati

Ohh, ricordo la sensazione che abbiamo avuto dopo il lancio. Lo stress, la frustrazione, un sacco di ormoni. Funzionerà? Il nostro lavoro sarà inutile? Abbiamo appena speso così tanti soldi per qualcosa che non funziona? Queste sono le domande che ci siamo posti dopo il lancio.

Fortunatamente, la sonda ha risposto circa 20 minuti dopo il lancio. E poi abbiamo ricevuto un pacchetto ogni 10 minuti. Abbiamo perso il contatto con la sonda alle 17:51:09 GMT. Poteva andare meglio, ma va ancora bene.

Passaggio 16: ulteriori piani

Questo è stato uno dei nostri progetti più difficili fino ad oggi. Non tutto era perfetto ma va bene così, è sempre così. Ha avuto ancora molto successo. Il localizzatore ha funzionato perfettamente. Avrebbe potuto farlo ancora per molto, ma non importa. E siamo finiti secondi nella competizione Picoballoon. Ora potresti dire che essere secondi in un concorso con 17 persone non è un tale successo, MA tieni presente che questo è un concorso di ingegneria/costruzione per adulti. Abbiamo 14 anni. Quelli con cui stavamo gareggiando erano adulti con esperienza ingegneristica e forse anche aerospaziale e con molta più esperienza. Quindi sì, nel complesso, direi che è stato un grande successo. Abbiamo ricevuto 200€, circa il doppio delle nostre spese.

Sicuramente costruirò una versione 2.0. Sarà molto meglio, con componenti più piccoli (processore barebone, RFM95) e sarà più affidabile, quindi resta sintonizzato per il prossimo istruibile.

Il nostro obiettivo principale ora è vincere il concorso Epilog X. Amici creatori, se vi è piaciuto questo tutorial, per favore considerate di votarlo. Ci aiuterebbe davvero. Grazie mille!

Secondo classificato al concorso Epilog X