نحوه ساخت پیکوبالون: 16 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:55

پیکو بالون چیست و چرا می خواهم آن را بسازم ؟! می شنوم که می پرسید. بگذار توضیح بدهم. همه شما احتمالاً می دانید HAB (بالون با ارتفاع بالا) چیست. این مجموعه ای از لوازم الکترونیکی عجیب است که به بادکنک متصل شده است. آموزشهای بسیار زیادی در مورد HAB ها در اینجا در Instructables وجود دارد.

اما ، و این بسیار بزرگ است اما چیزی که آنها اغلب در آموزش به شما نمی گویند ، هزینه گاز پر کردن است. در حال حاضر ، می توانید یک ردیاب HAB مناسب زیر 50 یورو بسازید ، اما اگر وزن آن 200 گرم باشد (که با باتری ها ، دوربین ها و غیره حدس خوبی می زنید) هلیوم برای پر کردن بادکنک می تواند 200 یورو یا بیشتر هزینه داشته باشد. برای بسیاری از سازندگان مانند من بسیار زیاد است

بنابراین ، همانطور که می توانید حدس بزنید ، پیکوبالون ها این مشکل را فقط با حجم زیاد و سنگین حل نمی کنند. Picoballoon فقط یک کلمه برای یک HAB سبک است. نور ، منظور من از نور چیست؟ به طور کلی ، پیکوبالون ها سبک تر از 20 گرم هستند. اکنون ، فقط تصور کنید که پردازنده ، فرستنده ، PCB ، GPS ، آنتن ، پنل خورشیدی و همچنین باتری با جرم یک فنجان قهوه یا قاشق یکبار مصرف. آیا این فقط جنون نیست؟

دلیل دیگر (جدا از هزینه) که چرا شما می خواهید این را بسازید ، محدوده و استقامت آن است. Classic HAB می تواند تا 4 ساعت پرواز کند و حداکثر 200 کیلومتر را طی کند. از طرف دیگر ، پیکوبالون می تواند تا چند ماه پرواز کند و تا دهها هزار کیلومتر سفر کند. یک پسر لهستانی پیکوبالون خود را چندین بار به دور دنیا گرفت. البته این بدان معناست که شما هرگز Picoballoon خود را پس از راه اندازی مجدد نخواهید دید. به همین دلیل است که شما می خواهید تمام داده های مورد نیاز را منتقل کرده و البته هزینه ها را تا حد ممکن پایین نگه دارید.

توجه: این پروژه با همکاری MatejHantabal انجام شده است. حتماً مشخصات او را نیز بررسی کنید

هشدار: این یک پروژه پیشرفته سخت است اما بسیار سرگرم کننده است. همه چیز از طراحی PCB گرفته تا SMD تا لحیم کاری در اینجا توضیح داده می شود. گفت ، بیایید دست به کار شویم

به روز رسانی: ما مجبور شدیم ماژول GPS را در لحظه آخر حذف کنیم زیرا مصرف برق زیادی دارد. احتمالاً می توان آن را برطرف کرد اما ما وقت آن را نداشتیم. آن را در دستورالعمل می گذارم اما مراقب باشید که آزمایش نشده است. هنوز می توانید از فراداده TTN موقعیت مکانی دریافت کنید ، بنابراین نگران این موضوع نباشید

مرحله 1: اصل

بنابراین ، هنگام ساخت چنین دستگاهی ، تغییرات و انتخاب های زیادی وجود دارد ، اما هر ردیاب به فرستنده و منبع تغذیه نیاز دارد. اکثر ردیاب ها به احتمال زیاد شامل این اجزا می شوند:

- پنل خورشیدی

- باتری (لیپو یا فوق خازن)

- پردازنده/میکروکنترلر

- ماژول GPS

- یک حسگر (دما ، رطوبت ، فشار ، اشعه ماوراء بنفش ، تابش خورشید …)

- فرستنده (433 مگاهرتز ، LoRa ، WSPR ، APRS ، LoRaWAN ، ایریدیوم)

همانطور که می بینید ، تعداد زیادی سنسور و فرستنده وجود دارد که می توانید از آنها استفاده کنید. اینکه از چه حسگرهایی استفاده می کنید بستگی به شما دارد. این واقعا مهم نیست اما رایج ترین آنها سنسورهای دما و فشار هستند. انتخاب فرستنده بسیار مشکل تر است. هر فناوری مزایا و معایبی دارد. من آن را در اینجا بیان نمی کنم زیرا این بحث بسیار طولانی خواهد بود. آنچه مهم است این است که من LoRaWAN را انتخاب کردم و فکر می کنم بهترین است (زیرا هنوز فرصتی برای آزمایش دیگران نداشتم). من می دانم که LoRaWAN احتمالاً بهترین پوشش را دارد. خوشحال می شوم در نظرات من را تصحیح کنید.

مرحله 2: قطعات مورد نیاز

بنابراین ، برای این پروژه به این موارد نیاز دارید:

پر آدافروت 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (در انتها از آن استفاده نکردیم)

سنسور دما/رطوبت/فشار BME280

2xSupercapacitor 4.7F 2.7V

پنل خورشیدی با خروجی 5 ولت

PCB های سفارشی

اگر خودتان راه اندازی می کنید ، به این موارد نیز احتیاج دارید:

حداقل 0.1m3 هلیوم (جستجو: "مخزن هلیوم برای 15 بادکنک") محلی خریداری شده است

بادکنک فویل Qualatex 36 اینچی خودآزمایی

هزینه تخمینی پروژه: 80 یورو (فقط ردیاب) / 100 یورو (شامل بادکنک و هلیوم)

مرحله 3: ابزارهای توصیه شده

این ابزارها می توانند مفید باشند:

سیم برنده

آهن لحیم کاری

آهن لحیم کاری SMD

انبر

پیچ گوشتی ها

تفنگ چسب

مولتی متر

میکروسکوپ

تفنگ هوای گرم

شما همچنین به خمیر لحیم کاری نیاز دارید.

مرحله 4: پر آدافروت 32U4

ما در انتخاب میکروکنترلر مناسب برای بادکنک مشکل داشتیم. پر آدافروت برای کار بهترین بود. با تمام معیارهای مورد نیاز مطابقت دارد:

1) دارای تمام پین های لازم: SDA/SCL ، RX/TX ، دیجیتال ، آنالوگ

2) دارای فرستنده RFM95 LoRa است.

3) سبک است جرم آن فقط 5.5 گرم است.

4) در حالت خواب مصرف انرژی بسیار پایینی دارد (فقط 30uA).

به همین دلیل ، ما فکر می کنیم که Adafruit Feather بهترین میکروکنترلر برای کار است.

مرحله 5: طراحی و ساخت PCB

من واقعاً متأسفم برای آنچه می خواهم به شما بگویم. ما باید PCB سفارشی بسازیم. سخت و ناامید کننده خواهد بود ، اما ضروری است ، بنابراین بیایید شروع کنیم. همچنین ، برای درک درست متن زیر ، باید این کلاس عالی طراحی PCB را توسط Instructables بخوانید.

بنابراین ، در ابتدا شما باید یک شماتیک بسازید. من هم طرح و هم تخته را در نرم افزار طراحی EAGLE PCB توسط Autodesk تهیه کردم. این برنامه رایگان است ، بنابراین بارگیری کنید!

این اولین بار بود که یک PCB طراحی می کردم و می توانم به شما بگویم که همه چیز در مورد خرابی رابط Eagle است. من اولین تخته خود را در 6 ساعت طراحی کردم ، اما تخته دوم من کمتر از یک ساعت طول کشید. در اینجا نتیجه است. یک طرحواره بسیار زیبا و یک تخته می گویم.

وقتی فایل برد را آماده کردید ، باید فایل های gerber را ایجاد کرده و برای سازنده ارسال کنید. من تخته های خود را از jlcpcb.com سفارش دادم اما شما می توانید هر سازنده دیگری را که دوست دارید انتخاب کنید. ضخامت PCB را بجای استاندارد 1.6 میلی متر روی 0.8 میلی متر تنظیم کردم زیرا برد باید سبک باشد. می توانید تنظیمات من برای PCB JLC را در تصویر مشاهده کنید.

اگر نمی خواهید Eagle را بارگیری کنید ، فقط می توانید "Ferdinand 1.0.zip" را بارگیری کرده و آن را در JLC PCB بارگذاری کنید.

وقتی PCB ها را سفارش می دهید ، فقط راحت روی صندلی خود بنشینید و دو هفته منتظر بمانید تا آنها برسند. سپس می توانیم ادامه دهیم.

توجه: می توانید توجه داشته باشید که طرح کلی کمی متفاوت از صفحه اصلی است. این به این دلیل است که متوجه شدم IC BME برهنه بسیار سخت لحیم می شود ، بنابراین شماتیک را برای یک شکست تغییر داد

مرحله 6: لحیم کاری SMD

یک اعلامیه غم انگیز دیگر: لحیم کاری SMD آسان نیست. در حال حاضر ، واقعاً ، به سختی تکان می خورد. باشد که پروردگار با شما باشد. اما این آموزش باید کمک کند. شما می توانید لحیم کاری را با استفاده از آهن لحیم کاری و فتیله لحیم کاری ، یا خمیر لحیم کاری و تفنگ هوای گرم لحیم کنید. هیچ کدام از این روش ها برای من مناسب نبود. اما باید آن را در عرض یک ساعت انجام دهید.

قطعات را مطابق صفحه ابریشم روی PCB یا مطابق شماتیک قرار دهید.

مرحله 7: لحیم کاری

پس از اتمام لحیم کاری SMD ، بقیه کار لحیم کاری اساساً یک تکه کیک است. تقریبا. احتمالاً قبلاً لحیم کاری کرده اید و امیدوارم دوباره بخواهید لحیم کاری کنید. شما فقط باید پر Adafruit Feat ، آنتن ها ، پنل خورشیدی و ابرخازن ها را لحیم کنید. من می گویم بسیار ساده است.

قطعات را مطابق صفحه ابریشم روی PCB یا مطابق شماتیک قرار دهید.

مرحله 8: ردیاب کامل

ردیاب کامل باید اینگونه به نظر برسد. عجیب و غریب. خوب. جالب هست. اینها کلماتی هستند که فوراً به ذهنم می رسند. حالا شما فقط باید کد را فلش کرده و تست کنید که آیا کار می کند.

مرحله 9: راه اندازی TTN

Things Network یک شبکه جهانی شبکه اجتماعی LoRaWAN است. با بیش از 6887 درگاه (گیرنده) راه اندازی شده ، بزرگترین شبکه جهانی اینترنت اشیا در جهان است. از پروتکل ارتباطی LoRa (برد بلند) استفاده می کند که معمولاً در فرکانس 868 (اروپا ، روسیه) یا در 915 مگاهرتز (ایالات متحده ، هند) است. این بیشتر توسط دستگاه های اینترنت اشیا که پیام های کوتاه را در شهرها ارسال می کنند ، استفاده می شود. فقط می توانید تا 51 بایت ارسال کنید ، اما به راحتی می توانید از 2 تا 15 کیلومتر برد دریافت کنید. این برای سنسورهای ساده یا سایر دستگاه های اینترنت اشیا ایده آل است. و از همه مهمتر ، رایگان است.

در حال حاضر ، 2-15 مطمئناً کافی نیست ، اما اگر به ارتفاعات بالاتر رسیدید ، باید ارتباط بهتری داشته باشید. و بالن ما بسیار بالا خواهد بود. در 10 کیلومتری بالاتر از سطح دریا ، باید از 100 کیلومتر ارتباط برقرار کنیم. یکی از دوستان یک HAB را با LoRa 31 کیلومتری به هوا پرتاب کرد و او 450 کیلومتر دورتر پینگ گرفت. بنابراین ، این بسیار منطقی است.

راه اندازی TTN باید آسان باشد. شما فقط باید یک حساب کاربری با ایمیل خود ایجاد کنید و سپس باید دستگاه را ثبت کنید. ابتدا باید یک برنامه ایجاد کنید. یک برنامه ، صفحه اصلی کل پروژه است. از اینجا می توانید کد رمزگشایی را تغییر دهید ، داده های ورودی را مشاهده کرده و دستگاه ها را اضافه یا حذف کنید. فقط یک نام انتخاب کنید و آماده رفتن هستید. پس از انجام این کار ، باید دستگاهی را در برنامه ثبت کنید. شما باید آدرس MAC Feather Adafruit (با پر در بسته بندی) را وارد کنید. سپس باید روش فعال سازی را روی ABP تنظیم کنید و باید کنترل شمارنده قاب را غیرفعال کنید. اکنون دستگاه شما باید در برنامه ثبت شده باشد. آدرس دستگاه ، کلید جلسه شبکه و کلید جلسه برنامه را کپی کنید. در مرحله بعد به آنها نیاز خواهید داشت.

برای توضیحات مفیدتر ، از این آموزش دیدن کنید.

مرحله 10: کد نویسی

Adafruit Feather 32U4 دارای پردازنده ATmega32U4 AVR است. این بدان معناست که تراشه جداگانه ای برای ارتباط USB (به عنوان Arduino UNO) ندارد ، تراشه در پردازنده موجود است. این بدان معناست که بارگذاری بر روی Adafruit Feather در مقایسه با یک برد معمولی آردوینو کمی سخت تر است ، اما با Arduino IDE کار می کند ، بنابراین اگر این آموزش را دنبال کنید باید خوب باشد.

پس از راه اندازی IDE آردوینو و بارگذاری موفقیت آمیز طرح "چشمک زدن" ، می توانید به کد واقعی بروید. "LoRa_Test.ino" را بارگیری کنید. بر این اساس آدرس دستگاه ، کلید جلسه شبکه و کلید جلسه برنامه را تغییر دهید. طرح را بارگذاری کنید برو بیرون. آنتن را به مرکز شهر یا در جهت نزدیکترین دروازه نشان دهید. اکنون باید اطلاعاتی را مشاهده کنید که روی کنسول TTN ظاهر می شوند. اگر نه ، در زیر نظر دهید. من نمی خواهم هر آنچه ممکن است اتفاق افتاده را اینجا قرار دهم ، نمی دانم آیا سرور Instructables می تواند چنین حجم متن را اداره کند.

ادامه دادن. اگر طرح قبلی کار می کند ، می توانید "Ferdinand_1.0.ino" را بارگیری کرده و مواردی را که قرار بود در طرح قبلی تغییر دهید تغییر دهید. حالا دوباره تست کنید

اگر برخی از داده های تصادفی HEX را در کنسول TTN دریافت می کنید ، نگران نباشید ، قرار است این کار را انجام دهد. همه مقادیر در HEX کدگذاری می شوند. شما نیاز به رمزگشایی متفاوت دارید. "decoder.txt" را بارگیری کنید. مطالب آن را کپی کنید حالا به کنسول TTN بروید. به برنامه/قالب های بارگیری/رمزگشای خود بروید. اکنون کد رمزگشایی اصلی را حذف کرده و در کد خود قرار دهید. اکنون باید تمام خواندن ها را در آنجا مشاهده کنید.

مرحله 11: آزمایش

اکنون این باید طولانی ترین قسمت پروژه باشد. آزمایش کردن. تست در انواع شرایط. در گرمای شدید ، استرس و با نور شدید (یا خارج از خورشید) شرایط را در آنجا تقلید کنید. این کار باید حداقل یک هفته طول بکشد تا هیچ شگفتی از نظر رفتار ردیاب وجود نداشته باشد. اما آن جهان ایده آل است و ما آن زمان را نداشتیم زیرا ردیاب برای یک مسابقه ساخته شده است. ما برخی از تغییرات لحظه آخری (به معنای واقعی کلمه 40 دقیقه قبل از راه اندازی) را انجام دادیم بنابراین نمی دانستیم چه انتظاری داریم. این خوب نیست اما می دانید ، ما هنوز برنده مسابقه بودیم.

احتمالاً باید این قسمت را در بیرون انجام دهید زیرا خورشید در داخل نمی درخشد و به این دلیل که LoRa بهترین پذیرایی را در دفتر شما نخواهد داشت.

مرحله 12: چند فرمول بد بو

پیکوبالون ها بسیار حساس هستند. نمی توانید آنها را فقط با هلیوم پر کنید و راه اندازی کنید. آنها واقعاً این را دوست ندارند. بگذار توضیح بدهم. اگر نیروی شناوری خیلی کم باشد ، بالون بالا نمی رود (بدیهی است). اما ، این صید است ، اگر نیروی شناوری بیش از حد بالا باشد ، بادکنک خیلی زیاد پرواز می کند ، نیروهای وارد بر بالون بسیار بزرگ خواهند بود و می افتند و روی زمین می افتند. این دلیل اصلی است که شما واقعاً می خواهید این محاسبات را انجام دهید.

اگر کمی فیزیک می دانید ، نباید در درک فرمول های بالا مشکلی داشته باشید. متغیرهایی وجود دارد که باید آنها را در فرمول وارد کنید. این شامل: ثابت شدن گاز ، دمای ترمودینامیکی ، فشار ، جرم کاوشگر و جرم بادکنک است. اگر این آموزش را دنبال کنید و از یک بادکنک (Qualatex microfoil 36 ) و یک گاز پر کننده یکسان (هلیوم) استفاده کنید ، تنها چیزی که در واقع متفاوت است جرم کاوشگر است.

این فرمولها باید به شما بدهند: حجم هلیوم مورد نیاز برای پر کردن بادکنک ، سرعت بالا آمدن بادکنک ، ارتفاع بالون در پرواز و همچنین وزن آزاد بالابر. اینها همه مقادیر بسیار مفیدی هستند. افزایش سرعت بسیار مهم است بنابراین بالون به موانع برخورد نمی کند زیرا بسیار کند است و واقعاً خوب است بدانید که بادکنک چقدر بالا می رود. اما مهمترین آنها احتمالاً آسانسور رایگان است. هنگامی که بالون را در مرحله 14 پر می کنید ، بالابر رایگان لازم است.

با تشکر از TomasTT7 برای کمک به فرمول ها. وبلاگ او را اینجا ببینید.

مرحله 13: خطرات

بنابراین ، ردیاب شما کار می کند. آن شیطانی که دو ماه روی آن کار کرده اید در واقع کار می کند! تبریک می گویم.

بنابراین بیایید بررسی کنیم که کودک کاوشگر شما چه خطراتی را می تواند در هوا تجربه کند:

1) نور خورشید به اندازه کافی به پنل خورشیدی برخورد نمی کند. ابرخازنها تخلیه می شوند. کاوشگر از کار می افتد.

2) کاوشگر از محدوده خارج می شود و هیچ داده ای دریافت نمی شود.

3) وزش باد شدید پروب را از بین می برد.

4) کاوشگر در هنگام صعود از طوفان عبور می کند و باران باعث کوتاه شدن مدار می شود.

5) یک پوشش یخ روی پنل خورشیدی ایجاد می شود. ابرخازنها تخلیه می شوند. کاوشگر از کار می افتد.

6) بخشی از کاوشگر تحت فشار مکانیکی شکسته می شود.

7) قسمتی از کاوشگر در شرایط گرما و فشار شدید شکسته می شود.

8) یک بار الکترواستاتیک بین بادکنک و هوا ایجاد می شود و جرقه ای ایجاد می کند که به پروب آسیب می رساند.

9) رعد و برق به کاوشگر اصابت می کند.

10) کاوشگر با هواپیما برخورد می کند.

11) کاوشگر مورد اصابت پرنده قرار می گیرد.

12) بیگانگان کاوشگر شما را می ربایند. ممکن است به ویژه اگر بالون بالای منطقه 51 باشد اتفاق بیفتد.

مرحله 14: راه اندازی کنید

بنابراین ، همین است. امروز روز D است و شما قصد دارید پیکوبالون محبوب خود را راه اندازی کنید. همیشه خوب است که زمین و همه موانع احتمالی را بشناسید. همچنین باید آب و هوا (عمدتا سرعت و جهت باد) را دائماً زیر نظر داشته باشید. به این ترتیب ، شما شانس تجهیزات 100 یورویی و برخورد 2 ماهه خود را با درخت یا دیوار را به حداقل می رسانید. این غم انگیز خواهد بود

یک لوله را در بادکنک قرار دهید. بادکنک را با نایلون به چیزی سنگین وصل کنید. چیز سنگین را روی ترازو بگذارید. مقیاس را بازنشانی کنید انتهای دیگر لوله را روی مخزن هلیوم خود محکم کنید. شروع به آهسته باز کردن سوپاپ کنید. اکنون باید اعداد منفی را در مقیاس مشاهده کنید. اکنون زمان استفاده از مقدار بالابر رایگان است که در مرحله 12 محاسبه کرده اید. در مورد من 15 گرم + 2.4 گرم بود ، بنابراین شیر را در مقیاس دقیقاً -17.4 گرم بستم. لوله را بردارید. بادکنک خود آب بندی می شود ، باید به طور خودکار آب بندی شود. جسم سنگین را باز کرده و پروب را جایگزین آن کنید. اکنون آماده راه اندازی هستید.

فقط ویدیو را برای مشاهده همه جزئیات تماشا کنید.

مرحله 15: دریافت داده ها

اوه ، احساسی را که بعد از پرتاب داشتیم به خاطر دارم. استرس ، ناامیدی ، هورمون های زیاد. آیا کار می کند؟ آیا کار ما بی ارزش خواهد بود؟ آیا ما فقط اینقدر پول خرج چیزی کردیم که کار نمی کند؟ اینها سوالاتی است که ما بعد از پرتاب از خود می پرسیدیم.

خوشبختانه کاوشگر حدود 20 دقیقه پس از پرتاب پاسخ داد. و سپس هر 10 دقیقه یک بسته دریافت می کردیم. ارتباط ما با کاوشگر در ساعت 17:51:09 به وقت گرینویچ قطع شد. می توانست بهتر باشد ، اما هنوز خوب است.

مرحله 16: برنامه های بیشتر

این یکی از سخت ترین پروژه های ما تا به امروز بود. همه چیز عالی نبود اما خوب است ، همیشه اینطور است. هنوز هم بسیار موفق بود. ردیاب بدون نقص کار کرد. می توانست برای مدت طولانی تری این کار را انجام دهد اما مهم نیست. و ، ما در مسابقات پیکوبالون دوم شدیم. اکنون ممکن است بگویید که نفر دوم در مسابقه ای با 17 نفر موفقیت چندانی ندارد اما به خاطر داشته باشید که این مسابقه مهندسی/ساختمان بزرگسالان است. ما 14 سال داریم افرادی که با آنها رقابت می کردیم بزرگسالانی با سابقه مهندسی و احتمالاً حتی هوافضا و با تجربه بسیار بیشتر بودند. بنابراین بله ، به طور کلی ، من می گویم که این یک موفقیت بزرگ بود. ما 200 یورو دریافت کردیم که تقریباً دو برابر هزینه های ما بود.

من مطمئناً قصد دارم نسخه 2.0 بسازم. با قطعات کوچکتر (پردازشگر barebone ، RFM95) بسیار بهتر خواهد بود و از قابلیت اطمینان بالاتری برخوردار خواهد بود ، بنابراین برای آموزش بعدی با ما همراه باشید.

هدف اصلی ما در حال حاضر برنده شدن در مسابقه Epilog X است. همکاران سازنده ، اگر این دستورالعمل را دوست داشتید ، لطفاً به آن رای دهید. واقعاً به ما کمک خواهد کرد. خیلی خیلی ممنون!

نفر دوم در مسابقه Epilog X