Cách tạo Picoballoon: 16 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

Picoballoon là gì và tại sao tôi muốn xây dựng nó ?! Tôi nghe bạn hỏi. Hãy để tôi giải thích. Chắc hẳn các bạn đều biết HAB (High Altitude Balloon) là gì. Đó là một loạt các thiết bị điện tử kỳ lạ được kết nối với một quả bóng bay. Có rất nhiều hướng dẫn về HAB ở đây trên Bảng hướng dẫn.

NHƯNG, và đó là một điều rất lớn NHƯNG điều họ không nói với bạn nhiều lần trong phần hướng dẫn là chi phí đổ xăng. Bây giờ, bạn có thể xây dựng một bộ theo dõi HAB phù hợp dưới 50 €, nhưng nếu nó nặng 200g (đó là một dự đoán khá lạc quan với pin, máy ảnh, v.v.) helium để lấp đầy quả bóng có thể khiến bạn mất 200 € hoặc hơn, đó là quá nhiều cho nhiều người làm như tôi.

Vì vậy, như bạn có thể đoán, picoballoons giải quyết vấn đề này bằng cách không cồng kềnh và nặng. Picoballoon chỉ là một từ để chỉ một HAB nhẹ. Ánh sáng, tôi muốn nói gì về ánh sáng? Nói chung, picoballoons nhẹ hơn 20g. Bây giờ, chỉ cần tưởng tượng rằng một bộ xử lý, máy phát, một PCB, GPS, ăng-ten, một tấm pin mặt trời và cả một cục pin có khối lượng tương đương với một cốc cà phê dùng một lần hoặc một chiếc thìa. Đó không phải chỉ là mất trí sao?

Một lý do khác (ngoài chi phí) tại sao bạn muốn xây dựng nó là phạm vi và độ bền của nó. Classic HAB có thể bay trong tối đa 4 giờ và di chuyển quãng đường lên đến 200 km. Mặt khác, một Picoballoon có thể bay trong vài tháng và di chuyển lên đến hàng chục nghìn km. Một anh chàng người Ba Lan đã có được chiếc picoballoon của mình để bay vòng quanh thế giới nhiều lần. Tất nhiên, điều này cũng có nghĩa là bạn sẽ không bao giờ nhìn thấy Picoballoon của mình nữa sau khi khởi chạy nó. Đó là lý do tại sao bạn muốn truyền tất cả dữ liệu cần thiết và tất nhiên giữ chi phí càng thấp càng tốt.

Lưu ý: Dự án này là sự hợp tác với MatejHantabal. Hãy chắc chắn để kiểm tra hồ sơ của anh ấy quá

CẢNH BÁO: Đây là một mức độ nâng cao khó thực hiện nhưng cũng rất thú vị. Mọi thứ từ thiết kế PCB đến SMD đến hàn sẽ được giải thích ở đây. Điều đó nói rằng, chúng ta hãy bắt đầu làm việc

CẬP NHẬT: Chúng tôi đã phải gỡ bỏ mô-đun GPS vào phút trước vì mức tiêu thụ điện năng lớn của nó. Nó có thể được sửa chữa nhưng chúng tôi không có thời gian cho việc đó. Tôi sẽ để nó trong hướng dẫn nhưng hãy cẩn thận rằng nó chưa được kiểm tra. Bạn vẫn có thể lấy vị trí từ siêu dữ liệu TTN, vì vậy bạn không nên lo lắng về điều đó

Bước 1: Nguyên tắc

Vì vậy, khi xây dựng một thiết bị như thế này, có rất nhiều biến thể và sự lựa chọn nhưng mọi thiết bị theo dõi đều cần một máy phát và một nguồn cung cấp điện. Hầu hết các trình theo dõi có thể sẽ bao gồm các thành phần sau:

- bảng điều khiển năng lượng mặt trời

- pin (lipo hoặc siêu tụ điện)

- bộ xử lý / vi điều khiển

- một mô-đun GPS

- một / s cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, tia cực tím, bức xạ mặt trời…)

- máy phát (433MHz, LoRa, WSPR, APRS, LoRaWAN, Iridium)

Như bạn có thể thấy, có rất nhiều cảm biến và máy phát mà bạn có thể sử dụng. Bạn sử dụng cảm biến nào là tùy thuộc vào bạn. Nó không thực sự quan trọng nhưng phổ biến nhất là cảm biến nhiệt độ và áp suất. Tuy nhiên, việc lựa chọn một máy phát khó hơn nhiều. Mọi công nghệ đều có một số ưu và nhược điểm. Tôi sẽ không chia nhỏ nó ở đây vì đó sẽ là một cuộc thảo luận rất dài. Điều quan trọng là tôi đã chọn LoRaWAN và tôi nghĩ rằng đó là điều tốt nhất (vì tôi chưa có cơ hội thử nghiệm những cái khác). Tôi biết rằng LoRaWAN có lẽ có mức độ phủ sóng tốt nhất. Bạn có thể sửa cho tôi trong các bình luận.

Bước 2: Các bộ phận cần thiết

Vì vậy, bạn sẽ cần những thứ sau cho dự án này:

Adafruit Feather 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (Cuối cùng thì chúng tôi không sử dụng cái này)

Cảm biến nhiệt độ / độ ẩm / áp suất BME280

2xSupercapacitor 4.7F 2.7V

Bảng điều khiển năng lượng mặt trời với đầu ra 5V

PCB tùy chỉnh

Nếu tự khởi chạy, bạn cũng cần điều này:

Ít nhất 0,1m3 khí heli (tìm kiếm: "bể chứa khí heli cho 15 quả bóng bay") được mua tại địa phương

Bong bóng giấy bạc tự hàn kín Qualatex 36"

Chi phí dự án ước tính: 80 € (chỉ thiết bị theo dõi) / 100 € (bao gồm khinh khí cầu và khí heli)

Bước 3: Các công cụ được đề xuất

Những công cụ này có thể hữu ích:

thợ thoát y dây

mỏ hàn

Mỏ hàn SMD

cái kìm

tua vít

súng bắn keo

đồng hồ vạn năng

kính hiển vi

súng hơi nóng

Bạn cũng sẽ cần hàn dán.

Bước 4: Adafruit Feather 32U4

Chúng tôi đã gặp khó khăn trong việc lựa chọn bộ vi điều khiển phù hợp cho khinh khí cầu. Adafruit Feather hóa ra là thứ tốt nhất cho công việc. Nó phù hợp với tất cả các tiêu chí được yêu cầu:

1) Nó có tất cả các chân cần thiết: SDA / SCL, RX / TX, kỹ thuật số, tương tự

2) Nó có bộ phát RFM95 LoRa.

3) Nó nhẹ. Nó chỉ có khối lượng 5,5g.

4) Nó có mức tiêu thụ điện năng rất thấp khi ở chế độ ngủ (chỉ 30uA).

Do đó, chúng tôi nghĩ rằng Adafruit Feather là vi điều khiển tốt nhất cho công việc.

Bước 5: Thiết kế và sản xuất PCB

Tôi thực sự xin lỗi vì những gì tôi sẽ nói với bạn. Chúng ta sẽ cần tạo một PCB tùy chỉnh. Nó sẽ khó khăn và bực bội, nhưng nó cần thiết, vì vậy hãy bắt đầu. Ngoài ra, để hiểu đúng văn bản sau đây, bạn nên đọc lớp thiết kế PCB tuyệt vời này của Guiductables.

Vì vậy, lúc đầu bạn sẽ cần tạo một giản đồ. Tôi đã tạo cả sơ đồ và bảng trong phần mềm thiết kế EAGLE PCB của Autodesk. Nó miễn phí, vì vậy hãy tải xuống!

Đây là lần đầu tiên tôi thiết kế PCB và tôi có thể nói với bạn rằng tất cả chỉ là do giao diện Eagle mà thôi. Tôi thiết kế bảng đầu tiên trong 6 giờ, nhưng bảng thứ hai chỉ mất chưa đầy một giờ. Đây là kết quả. Tôi sẽ nói một sơ đồ khá đẹp và một bảng.

Khi bạn đã có sẵn tệp bảng, bạn cần tạo các tệp mầm và gửi chúng đến nhà sản xuất. Tôi đã đặt hàng bảng của mình từ jlcpcb.com nhưng bạn có thể chọn bất kỳ nhà sản xuất nào khác mà bạn thích. Tôi đặt độ dày PCB thành 0,8mm thay vì 1,6mm tiêu chuẩn vì bo mạch cần nhẹ. Bạn có thể thấy cài đặt của tôi cho JLC PCB trong ảnh chụp màn hình.

Nếu bạn không muốn tải xuống Eagle, bạn chỉ cần tải xuống "Ferdinand 1.0.zip" và tải nó lên JLC PCB.

Khi bạn đặt mua PCB, chỉ cần ngồi xuống thoải mái trên ghế và đợi hai tuần để chúng đến. Sau đó, chúng ta có thể tiếp tục.

Lưu ý: Bạn có thể nhận thấy rằng giản đồ hơi khác một chút so với bảng thực tế. Đó là bởi vì tôi nhận thấy rằng IC BME280 trần quá khó hàn nên tôi đã thay đổi sơ đồ cho một điểm đột phá

Bước 6: Hàn SMD

Một thông báo đáng buồn khác: Việc hàn SMD không hề dễ dàng. Bây giờ thực sự, nó đang trở nên khó khăn. Cầu mong chúa ở cùng bạn. Nhưng hướng dẫn này sẽ hữu ích. Bạn có thể hàn bằng cách sử dụng mỏ hàn và bấc hàn, hoặc keo hàn và súng hơi nóng. Cả hai phương pháp này đều không đủ thuận tiện cho tôi. Nhưng bạn sẽ hoàn thành nó trong vòng một giờ.

Đặt các thành phần theo màn hình lụa trên PCB hoặc theo sơ đồ.

Bước 7: Hàn

Sau khi hàn SMD xong, phần còn lại của công việc hàn về cơ bản là một miếng bánh. Gần như. Bạn có thể đã hàn trước đây và tôi hy vọng bạn sẽ muốn hàn lại. Bạn chỉ cần hàn Adafruit Feather, antenas, bảng năng lượng mặt trời và siêu tụ điện. Tôi sẽ nói khá đơn giản.

Đặt các thành phần theo màn hình lụa trên PCB hoặc theo sơ đồ.

Bước 8: Hoàn thành công cụ theo dõi

Đây là giao diện của trình theo dõi hoàn chỉnh. Kỳ dị. Đẹp. Thú vị. Đó là những từ hiện ra trong đầu tôi ngay lập tức. Bây giờ bạn chỉ cần flash mã và kiểm tra xem nó có hoạt động hay không.

Bước 9: Thiết lập TTN

Mạng lưới vạn vật là một mạng lưới LoRaWAN của cộng đồng thành phố toàn cầu làm trung tâm. Với hơn 6887 cổng (bộ thu) được thiết lập và chạy, đây là mạng IoT toàn cầu lớn nhất trên thế giới. Nó sử dụng giao thức truyền thông LoRa (Long Range) thường ở tần số 868 (Châu Âu, Nga) hoặc 915MHz (Mỹ, Ấn Độ). Nó được sử dụng rộng rãi nhất bởi các thiết bị IoT gửi tin nhắn ngắn ở các thành phố. Bạn chỉ có thể gửi tối đa 51 byte, nhưng bạn có thể dễ dàng nhận được phạm vi từ 2km đến 15km. Điều đó lý tưởng cho các cảm biến đơn giản hoặc các thiết bị IoT khác. Và trên hết, nó hoàn toàn miễn phí.

Bây giờ, 2-15 chắc chắn là không đủ, nhưng nếu bạn đến vùng đất cao hơn, bạn nên có một kết nối tốt hơn. Và khinh khí cầu của chúng ta sẽ rất cao. Ở độ cao 10km trên sealevel, chúng ta sẽ nhận được kết nối từ 100km. Một người bạn đã phóng một HAB với LoRa 31 km lên không trung và anh ta đạt được ping 450 km. Vì vậy, điều đó khá hợp lý.

Việc thiết lập TTN phải dễ dàng. Bạn chỉ cần tạo một tài khoản bằng email của mình và sau đó bạn cần đăng ký thiết bị. Lúc đầu, bạn phải tạo một ứng dụng. Một ứng dụng là trang chủ của toàn bộ dự án. Từ đây bạn có thể thay đổi mã bộ giải mã, xem dữ liệu đến và thêm / bớt thiết bị. Chỉ cần chọn một cái tên và bạn đã sẵn sàng. Sau khi hoàn tất, bạn sẽ phải đăng ký một thiết bị trong ứng dụng. Bạn cần nhập địa chỉ MAC của Adafruit Feather (có Feather trong bao bì). Sau đó, bạn nên đặt phương thức kích hoạt thành ABP và bạn nên tắt kiểm tra bộ đếm khung. Thiết bị của bạn bây giờ sẽ được đăng ký trong ứng dụng. Sao chép Địa chỉ thiết bị, Khóa phiên mạng và khóa Phiên ứng dụng. Bạn sẽ cần chúng trong bước tiếp theo.

Để có lời giải thích lành mạnh hơn, hãy truy cập hướng dẫn này.

Bước 10: Mã hóa

Adafruit Feather 32U4 có bộ xử lý ATmega32U4 AVR. Điều đó có nghĩa là nó không có chip riêng cho giao tiếp USB (như Arduino UNO), chip này được bao gồm trong bộ xử lý. Điều đó có nghĩa là việc tải lên Adafruit Feather có thể khó hơn một chút so với bảng Arduino thông thường, nhưng nó hoạt động với Arduino IDE nên nếu bạn làm theo hướng dẫn này thì sẽ ổn.

Sau khi bạn đã thiết lập Arduino IDE và tải lên thành công bản phác thảo "nhấp nháy", bạn có thể chuyển sang mã thực. Tải xuống "LoRa_Test.ino". Thay đổi Địa chỉ thiết bị, Khóa phiên mạng và khóa Phiên ứng dụng cho phù hợp. Tải lên bản phác thảo. Đi ra ngoài. Hướng ăng-ten về trung tâm thành phố hoặc theo hướng của cửa ngõ gần nhất. Bây giờ bạn sẽ thấy dữ liệu xuất hiện trên bảng điều khiển TTN. Nếu không, hãy bình luận bên dưới. Tôi không muốn đặt mọi thứ có thể đã xảy ra ở đây, tôi không biết máy chủ Hướng dẫn có thể xử lý khối lượng văn bản như vậy hay không.

Tiếp tục. Nếu bản phác thảo trước hoạt động, bạn có thể tải xuống "Ferdinand_1.0.ino" và thay đổi những thứ bạn phải thay đổi trong bản phác thảo trước đó. Bây giờ hãy kiểm tra nó một lần nữa.

Nếu bạn đang nhận được một số dữ liệu HEX ngẫu nhiên trên bảng điều khiển TTN, đừng lo lắng, nó phải làm điều đó. Tất cả các giá trị được mã hóa trong HEX. Bạn sẽ cần một mã giải mã khác. Tải xuống "decoder.txt". Sao chép nội dung của nó. Bây giờ đi tới bảng điều khiển TTN. Chuyển đến ứng dụng / định dạng tải trọng / bộ giải mã của bạn. Bây giờ, hãy xóa mã bộ giải mã gốc và dán vào mã của bạn. Bây giờ bạn sẽ thấy tất cả các bài đọc ở đó.

Bước 11: Kiểm tra

Bây giờ đây sẽ là phần dài nhất của dự án. Thử nghiệm. Thử nghiệm trong tất cả các loại điều kiện. Trong điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt, căng thẳng và với ánh sáng mạnh (hoặc bên ngoài mặt trời) để bắt chước các điều kiện ở đó. Quá trình này sẽ mất ít nhất một tuần vì vậy sẽ không có gì ngạc nhiên về hành vi của trình theo dõi. Nhưng đó là một thế giới lý tưởng và chúng tôi không có thời gian đó vì trình theo dõi được chế tạo cho một cuộc thi. Chúng tôi đã thực hiện một số thay đổi vào phút cuối (nghĩa đen là 40 phút trước khi ra mắt) nên chúng tôi không biết điều gì sẽ xảy ra. Điều đó không tốt chút nào. Nhưng bạn biết đấy, chúng tôi vẫn giành chiến thắng trong cuộc thi.

Có thể bạn sẽ cần thực hiện phần này bên ngoài vì mặt trời không chiếu vào bên trong và vì LoRa sẽ không có khả năng tiếp tân tốt nhất trong văn phòng của bạn.

Bước 12: Một số công thức thú vị

Picoballoons rất nhạy cảm. Bạn không thể chỉ lấp đầy chúng bằng heli và khởi động chúng. Họ thực sự không thích điều đó. Hãy để tôi giải thích. Nếu lực nổi quá thấp, quả bóng bay sẽ không bay lên được (hiển nhiên). NHƯNG, và đây là điều dễ hiểu, nếu lực nổi quá cao, quả bóng bay sẽ bay quá cao, lực tác dụng lên quả bóng bay quá lớn và nó sẽ bật ra và rơi trên mặt đất. Đó là lý do chính tại sao bạn thực sự muốn thực hiện những phép tính này.

Nếu bạn biết vật lý một chút, bạn sẽ không gặp khó khăn khi hiểu các công thức trên. Có một số biến mà bạn cần nhập vào công thức. Điều này bao gồm: hằng số khí nạp, nhiệt độ nhiệt động, áp suất, khối lượng của đầu dò và khối lượng của khí cầu. Nếu bạn làm theo hướng dẫn này và sử dụng cùng một quả bóng bay (Qualatex microfoil 36 ) và cùng một loại khí nạp (helium) thì điều duy nhất thực sự khác biệt là khối lượng của đầu dò.

Sau đó, những công thức này sẽ cung cấp cho bạn: thể tích helium cần thiết để làm đầy quả bóng bay, tốc độ mà quả bóng bay lên, độ cao mà quả bóng bay bay và cả trọng lượng nâng tự do. Đây đều là những giá trị rất hữu ích. Tốc độ bay lên rất quan trọng để quả bóng bay không va vào chướng ngại vật vì nó quá chậm và thật tuyệt khi biết quả bóng bay sẽ bay cao bao nhiêu. Nhưng quan trọng nhất trong số đó có lẽ là thang máy miễn phí. Cần nâng miễn phí khi bạn lấp đầy quả bóng bay ở bước 14.

Cảm ơn TomasTT7 đã giúp đỡ với các công thức. Kiểm tra blog của mình ở đây.

Bước 13: Rủi ro

Vì vậy, trình theo dõi của bạn hoạt động. Cái thứ rác rưởi mà bạn đã làm trong hai tháng thực sự có tác dụng! Xin chúc mừng.

Vì vậy, hãy xem lại những rủi ro mà con bạn đang thăm dò có thể gặp phải trong không khí:

1) Sẽ không có đủ ánh sáng mặt trời chiếu vào bảng điều khiển năng lượng mặt trời. Các siêu tụ điện sẽ tiêu hao. Đầu dò sẽ ngừng hoạt động.

2) Đầu dò sẽ vượt ra khỏi phạm vi và không nhận được dữ liệu.

3) Gió giật mạnh sẽ phá hủy tàu thăm dò.

4) Tàu thăm dò sẽ đi qua một cơn bão khi đi lên và mưa sẽ làm ngắn mạch.

5) Một lớp phủ băng sẽ hình thành trên bảng điều khiển năng lượng mặt trời. Các siêu tụ điện sẽ tiêu hao. Đầu dò sẽ ngừng hoạt động.

6) Một phần của đầu dò sẽ bị vỡ dưới ứng suất cơ học.

7) Một phần của đầu dò sẽ bị vỡ trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cực lớn.

8) Một điện tích tĩnh điện sẽ hình thành giữa khí cầu và không khí tạo thành tia lửa điện, sẽ làm hỏng đầu dò.

9) Đầu dò sẽ bị sét đánh.

10) Tàu thăm dò sẽ bị máy bay đâm vào.

11) Đầu dò sẽ bị trúng một con chim.

12) Người ngoài hành tinh sẽ cướp tàu thăm dò của bạn. Có thể xảy ra đặc biệt nếu quả bóng bay ở trên khu vực 51.

Bước 14: Khởi chạy

À chính nó đấy. Đó là ngày D và bạn sẽ khởi động picoballoon yêu thích của mình. Luôn luôn tốt khi biết địa hình và tất cả các chướng ngại vật có thể xảy ra. Ngoài ra, bạn phải theo dõi thời tiết (chủ yếu là tốc độ và hướng gió) liên tục. Bằng cách đó, bạn giảm thiểu khả năng thiết bị trị giá 100 € và 2 tháng thời gian của bạn va vào cây hoặc vào tường. Điều đó thật đáng buồn.

Chèn một đường ống vào bong bóng. Buộc quả bóng bay vào vật nặng bằng nylon. Đặt vật nặng lên bàn cân. Đặt lại thang đo. Giữ chặt đầu kia của đường ống trên bể chứa khí heli của bạn. Bắt đầu từ từ mở van. Bây giờ bạn sẽ thấy các số âm trên thang đo. Bây giờ là lúc sử dụng giá trị lực nâng tự do mà bạn đã tính ở bước 12. Tắt van khi số âm đạt đến khối lượng của quả bóng + lực nâng tự do. Trong trường hợp của tôi, nó là 15g + 2,4g vì vậy tôi tắt van ở chính xác -17,4g trên thang đo. Tháo đường ống. Bóng bay tự niêm phong, nó sẽ tự động niêm phong. Cởi vật nặng ra và thay bằng đầu dò. Bây giờ bạn đã sẵn sàng để khởi chạy.

Chỉ cần xem video để biết tất cả các chi tiết.

Bước 15: Nhận dữ liệu

Ồ, tôi nhớ cảm giác mà chúng tôi đã có sau khi ra mắt. Sự căng thẳng, bực bội, rất nhiều nội tiết tố. Nó sẽ hoạt động? Công việc của chúng ta sẽ vô giá trị? Có phải chúng ta đã chi quá nhiều tiền cho một thứ không hiệu quả? Đây là những câu hỏi mà chúng tôi đã tự hỏi sau khi ra mắt.

May mắn thay, tàu thăm dò đã phản hồi khoảng 20 phút sau khi phóng. Và sau đó, chúng tôi nhận được một gói tin sau mỗi 10 phút. Chúng tôi mất liên lạc với đầu dò lúc 17:51:09 GMT. Nó có thể tốt hơn, nhưng nó vẫn ổn.

Bước 16: Các kế hoạch tiếp theo

Đây là một trong những dự án khó khăn nhất của chúng tôi cho đến nay. Không phải mọi thứ đều hoàn hảo nhưng không sao, nó luôn như vậy. Nó vẫn rất thành công. Trình theo dõi hoạt động hoàn hảo. Nó có thể đã làm điều đó lâu hơn nữa nhưng điều đó không quan trọng. Và, chúng tôi đã về nhì trong cuộc thi Picoballoon. Bây giờ bạn có thể nói rằng đứng thứ hai trong một cuộc thi với 17 người không phải là một thành công NHƯNG hãy nhớ rằng đây là một cuộc thi xây dựng / kỹ thuật dành cho người lớn. Chúng tôi 14 tuổi. Những người mà chúng tôi đang cạnh tranh là những người trưởng thành với kỹ thuật và thậm chí có thể có nền tảng về hàng không vũ trụ và có nhiều kinh nghiệm hơn. Vì vậy, về tổng thể, tôi có thể nói rằng đó là một thành công lớn. Chúng tôi nhận được 200 €, gần gấp đôi chi phí của chúng tôi.

Tôi chắc chắn sẽ xây dựng một phiên bản 2.0. Nó sẽ tốt hơn nhiều, với các thành phần nhỏ hơn (bộ xử lý barebone, RFM95) và nó sẽ đáng tin cậy hơn, vì vậy hãy theo dõi phần hướng dẫn tiếp theo.

Mục tiêu chính của chúng tôi bây giờ là giành chiến thắng trong cuộc thi Epilog X. Các nhà sản xuất đồng nghiệp, nếu bạn thích hướng dẫn này, vui lòng xem xét bỏ phiếu cho nó. Nó thực sự sẽ giúp chúng tôi. Cảm ơn bạn rất nhiều!

Về nhì trong Cuộc thi Epilog X