Hoe maak je een picoballon: 16 stappen (met afbeeldingen)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

Wat is een picoballon en waarom zou ik hem willen bouwen?! Ik hoor je vragen. Laat het me uitleggen. U weet waarschijnlijk allemaal wat een HAB (High Altitude Balloon) is. Het is een heleboel rare elektronica dingen verbonden met een ballon. Er zijn zoooo veel tutorials over HAB's hier op Instructables.

MAAR, en dat is een heel grote MAAR wat ze je meestal niet vertellen in de tutorial, zijn de kosten van het vulgas. Nu kun je een fatsoenlijke HAB-tracker bouwen onder de € 50, maar als hij 200 gram weegt (wat een vrij optimistische schatting is met de batterijen, camera’s, enz.), kan het helium om de ballon te vullen € 200 of meer kosten, wat gewoon te veel voor veel makers zoals ik.

Dus, zoals je kunt raden, lossen picoballonnen dit probleem op door gewoon niet omvangrijk en zwaar te zijn. Picoballoon is gewoon een woord voor een lichte HAB. Licht, wat bedoel ik met licht? Over het algemeen zijn picoballonnen lichter dan 20 gram. Stel je nu eens voor dat een processor, zender, een PCB, GPS, antennes, een zonnepaneel en ook een batterij met een massa hetzelfde is als een wegwerpkoffiekopje of een lepel. Is dat niet gewoon krankzinnig?

Een andere reden (afgezien van de kosten) waarom u dit zou willen bouwen, is het bereik en het uithoudingsvermogen. Classic HAB kan tot 4 uur vliegen en tot 200 km reizen. Een Picoballon daarentegen kan tot een paar maanden vliegen en tot tienduizenden kilometers reizen. Een Poolse man liet zijn picoballon meerdere keren rond de wereld vliegen. Dit betekent natuurlijk ook dat u uw Picoballoon nooit meer zult zien nadat u deze heeft gelanceerd. Daarom wilt u alle benodigde gegevens kunnen verzenden en natuurlijk de kosten zo laag mogelijk houden.

Opmerking: dit project is een samenwerking met MatejHantabal. Bekijk ook zeker zijn profiel

WAARSCHUWING: Dit is een moeilijk uit te voeren gevorderd niveau, maar ook erg leuk project. Alles van PCB-ontwerp tot SMD tot solderen wordt hier uitgelegd. Dat gezegd hebbende, laten we aan het werk gaan

UPDATE: We hebben de GPS-module op het laatste moment moeten verwijderen vanwege het grote stroomverbruik. Het kan waarschijnlijk worden gerepareerd, maar daar hadden we geen tijd voor. Ik laat het in de instructable, maar pas op dat het niet getest is. Je kunt nog steeds de locatie krijgen van TTN-metadata, dus daar hoef je je geen zorgen over te maken

Stap 1: Het principe

Dus bij het bouwen van zo'n apparaat zijn er veel variaties en keuzes, maar elke tracker heeft een zender en een voeding nodig. De meeste trackers zullen waarschijnlijk deze componenten bevatten:

- een zonnepaneel

- een batterij (lipo of supercondensator)

- een processor/microcontroller

- een GPS-module

- een sensor(en) (temperatuur, vochtigheid, druk, UV, zonnestraling…)

- een zender (433MHz, LoRa, WSPR, APRS, LoRaWAN, Iridium)

Zoals u kunt zien, zijn er veel sensoren en zenders die u kunt gebruiken. Welke sensoren je gebruikt, is aan jou. Het maakt niet echt uit, maar de meest voorkomende zijn de temperatuur- en druksensoren. Het selecteren van een zender is echter veel moeilijker. Elke technologie heeft zijn voor- en nadelen. Ik zal het hier niet uitsplitsen, want dat zou een heel lange discussie worden. Wat belangrijk is, is dat ik LoRaWAN heb gekozen en ik denk dat dit de beste is (omdat ik de andere nog niet heb kunnen testen). Ik weet echter dat LoRaWAN waarschijnlijk de beste dekking heeft. Corrigeer me gerust in de comments.

Stap 2: Benodigde onderdelen

Dus je hebt deze dingen nodig voor dit project:

Adafruit Feather 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (We hebben dit uiteindelijk niet gebruikt)

BME280 temperatuur/vochtigheid/druksensor

2xSupercondensator 4.7F 2.7V

Zonnepaneel met uitgang 5V

Aangepaste PCB's

Als u zelf opstart, hebt u ook dit nodig:

Minimaal 0,1 m3 helium (zoek: "heliumtank voor 15 ballonnen") lokaal gekocht

Qualatex 36 zelfsluitende folieballon

Geschatte projectkosten: 80€ (alleen de tracker) / 100€ (inclusief ballon en helium)

Stap 3: Aanbevolen hulpmiddelen

Deze tools kunnen van pas komen:

draad stripper

soldeerbout

SMD-soldeerbout

tang

schroevendraaiers

lijmpistool

multimeter

microscoop

heteluchtpistool

Je hebt ook soldeerpasta nodig.

Stap 4: Adafruit Feather 32U4

We vonden het moeilijk om de juiste microcontroller voor de ballon te kiezen. De Adafruit Feather bleek het beste voor de klus. Het voldoet aan alle vereiste criteria:

1) Het heeft alle benodigde pinnen: SDA/SCL, RX/TX, digitaal, analoog

2) Het heeft de RFM95 LoRa-zender.

3) Het is lichtgewicht. Zijn massa is slechts 5,5 g.

4) Het heeft een zeer laag stroomverbruik in de slaapstand (slechts 30uA).

Daarom denken we dat de Adafruit Feather de beste microcontroller is voor deze klus.

Stap 5: PCB-ontwerp en fabricage

Het spijt me echt voor wat ik je ga vertellen. We moeten een aangepaste PCB maken. Het zal moeilijk en frustrerend zijn, maar het is noodzakelijk, dus laten we beginnen. Om de volgende tekst goed te begrijpen, moet u ook deze geweldige PCB-ontwerpklasse van Instructables lezen.

U moet dus eerst een schema maken. Ik heb zowel het schema als het bord gemaakt in EAGLE PCB-ontwerpsoftware van Autodesk. Het is gratis, dus download het!

Het was de eerste keer dat ik een PCB ontwierp en ik kan je vertellen dat het allemaal draait om het onder de knie krijgen van de Eagle-interface. Ik ontwierp mijn eerste bord in 6 uur, maar mijn tweede bord kostte me minder dan een uur. Hier is het resultaat. Een mooi schema en een bord zou ik zeggen.

Als je het bordbestand klaar hebt, moet je de gerber-bestanden maken en naar de fabrikant sturen. Ik heb mijn boards besteld bij jlcpcb.com, maar je kunt elke andere fabrikant kiezen die je leuk vindt. Ik heb de PCB-dikte ingesteld op 0,8 mm in plaats van de standaard 1,6 mm omdat het bord licht moet zijn. Je kunt mijn instellingen voor JLC PCB zien in de schermafbeelding.

Als u Eagle niet wilt downloaden, kunt u gewoon "Ferdinand 1.0.zip" downloaden en uploaden naar JLC PCB.

Als je de printjes bestelt, ga je gewoon lekker in je stoel zitten en wacht je twee weken tot ze binnen zijn. Dan kunnen we verder.

Opmerking: u kunt opmerken dat het schema een beetje anders is dan het eigenlijke bord. Dat komt omdat ik merkte dat de kale BME280 IC te hard is om te solderen, dus heb ik het schema veranderd voor een doorbraak

Stap 6: SMD-solderen

Nog een trieste mededeling: SMD-solderen is niet eenvoudig. Nu echt, het is verdomd moeilijk. Moge de heer met u zijn. Maar deze tutorial zou moeten helpen. U kunt solderen met een soldeerbout en een soldeerlont, of met een soldeerpasta en een heteluchtpistool. Geen van deze methoden was handig genoeg voor mij. Maar je moet het binnen een uur klaar hebben.

Plaats de componenten ofwel volgens de zeefdruk op de print of volgens het schema.

Stap 7: Solderen

Nadat het SMD-solderen is voltooid, is de rest van het soldeerwerk in feite een fluitje van een cent. Bijna. Je hebt waarschijnlijk al eens gesoldeerd en ik hoop dat je nog een keer wilt solderen. Je hoeft alleen maar de Adafruit Feather, antennes, het zonnepaneel en de supercondensatoren te solderen. Lekker overzichtelijk zou ik zeggen.

Plaats de componenten ofwel volgens de zeefdruk op de print of volgens het schema.

Stap 8: Tracker voltooien

Zo zou de complete tracker eruit moeten zien. Vreemd. Mooi hoor. Interessant. Dat zijn de woorden die meteen in me opkomen. Nu hoeft u alleen maar de code te flashen en te testen of deze werkt.

Stap 9: TTN-configuratie

The Things Network is een wereldwijd, op de stad gericht LoRaWAN-netwerk. Met meer dan 6887 gateways (ontvangers) in gebruik, is dit het grootste wereldwijde IoT-netwerk ter wereld. Het maakt gebruik van het LoRa-communicatieprotocol (Long Range) dat over het algemeen op frequenties 868 (Europa, Rusland) of op 915 MHz (VS, India) ligt. Het wordt het meest gebruikt door IoT-apparaten die korte berichten verzenden in steden. U kunt maximaal 51 bytes verzenden, maar u kunt gemakkelijk een bereik krijgen van 2 km tot 15 km. Dat is ideaal voor simpele sensoren of andere IoT-apparaten. En het beste van alles, het is gratis.

Nu is 2-15 zeker niet genoeg, maar als je hogerop komt, zou je een betere verbinding moeten hebben. En onze ballon zal erg hoog zijn. Op 10 km boven zeeniveau zouden we een verbinding moeten krijgen vanaf 100 km. Een vriend lanceerde een HAB met LoRa 31 km in de lucht en hij kreeg een ping op 450 km afstand. Dus dat is redelijk.

Het opzetten van de TTN moet eenvoudig zijn. U hoeft alleen een account aan te maken met uw e-mailadres en vervolgens moet u het apparaat registreren. Eerst moet u een applicatie maken. Een applicatie is de startpagina van het hele project. Hier kunt u de decodercode wijzigen, de inkomende gegevens bekijken en apparaten toevoegen/verwijderen. Kies gewoon een naam en je bent klaar om te gaan. Nadat dat is gebeurd, moet u een apparaat in de applicatie registreren. U dient het MAC-adres van de Adafruit Feather in te voeren (met de Feather in de verpakking). Dan moet u de activeringsmethode instellen op ABP en moet u frametellercontroles uitschakelen. Uw apparaat zou nu in de applicatie moeten zijn geregistreerd. Kopieer het apparaatadres, de netwerksessiesleutel en de app-sessiesleutel. Je hebt ze nodig in de volgende stap.

Bezoek deze tutorial voor een meer gezonde uitleg.

Stap 10: Coderen

De Adafruit Feather 32U4 heeft een ATmega32U4 AVR-processor. Dat betekent dat hij geen aparte chip heeft voor USB-communicatie (zoals Arduino UNO), de chip zit in de processor. Dat betekent dat uploaden naar Adafruit Feather een beetje moeilijker kan zijn in vergelijking met een typisch Arduino-bord, maar het werkt met Arduino IDE, dus als je deze tutorial volgt, zou het goed moeten zijn.

Nadat je de Arduino IDE hebt ingesteld en de "knipper"-schets met succes hebt geüpload, kun je naar de eigenlijke code gaan. Download "LoRa_Test.ino". Wijzig het apparaatadres, de netwerksessiesleutel en de app-sessiesleutel dienovereenkomstig. Upload de schets. Naar buiten gaan. Richt de antenne op het stadscentrum of in de richting van de dichtstbijzijnde gateway. U zou nu gegevens moeten zien verschijnen op de TTN-console. Zo niet, reageer hieronder. Ik wil niet alles plaatsen wat hier had kunnen gebeuren, ik weet niet of de Instructables-server zo'n hoeveelheid tekst aankan.

Verder gaan. Als de vorige schets werkt, kun je "Ferdinand_1.0.ino" downloaden en de dingen veranderen die je in de vorige schets had moeten veranderen. Test het nu nog eens.

Als u willekeurige HEX-gegevens op de TTN-console krijgt, hoeft u zich geen zorgen te maken, het zou dat moeten doen. Alle waarden zijn gecodeerd in HEX. Je hebt een andere decodercode nodig. Download "decoder.txt". Kopieer de inhoud ervan. Ga nu naar de TTN-console. Ga naar je applicatie/payload formaten/decoder. Verwijder nu de originele decodercode en plak deze in de jouwe. Je zou nu alle metingen daar moeten zien.

Stap 11: Testen

Dit zou nu het langste deel van het project moeten zijn. Testen. Testen in allerlei omstandigheden. Bij extreme hitte, stress en met sterk licht (of buiten op de zon) om de omstandigheden daarboven na te bootsen. Dit zou minimaal een week moeten duren, dus er zullen geen verrassingen zijn in termen van het trackergedrag. Maar dat is een ideale wereld en die tijd hadden we niet omdat de tracker gebouwd was voor een wedstrijd. We hebben wat last-minute wijzigingen aangebracht (letterlijk 40 minuten voor de lancering), dus we wisten niet wat we konden verwachten. Dat is niet goed. Maar weet je, we hebben toch de wedstrijd gewonnen.

Waarschijnlijk zul je dit deel buiten moeten doen omdat de zon binnen niet schijnt en omdat de LoRa in je kantoor niet de beste ontvangst zal hebben.

Stap 12: Enkele funky formules

Picoballonnen zijn erg gevoelig. Je kunt ze niet zomaar met helium vullen en lanceren. Dat vinden ze echt niet leuk. Laat het me uitleggen. Als de opwaartse kracht te laag is, zal de ballon (uiteraard) niet omhoog komen. MAAR, en dit is de vangst, als de opwaartse kracht te hoog is, zal de ballon te hoog vliegen, zullen de krachten op de ballon te groot zijn en zal hij knappen en op de grond vallen. Dat is de belangrijkste reden waarom u deze berekeningen echt wilt doen.

Als je natuurkunde een beetje kent, zou het geen probleem moeten zijn om de bovenstaande formules te begrijpen. Er zijn enkele variabelen die u in de formule moet invoeren. Dit omvat: vulgasconstante, thermodynamische temperatuur, druk, massa van de sonde en massa van de ballon. Als je deze tutorial volgt en dezelfde ballon (Qualatex microfoil 36 ) en hetzelfde vulgas (helium) gebruikt, is het enige dat daadwerkelijk zal verschillen de massa van de sonde.

Deze formules zouden u dan moeten geven: het volume helium dat nodig is om de ballon te vullen, de snelheid waarmee de ballon stijgt, de hoogte waarop de ballon vliegt en ook het vrije hefgewicht. Dit zijn allemaal zeer bruikbare waarden. De stijgsnelheid is belangrijk zodat de ballon geen obstakels raakt omdat hij te langzaam is en het is erg leuk om te weten hoe hoog de ballon zal vliegen. Maar de belangrijkste daarvan is waarschijnlijk de gratis lift. De gratis lift is vereist wanneer u de ballon gaat vullen in stap 14.

Met dank aan TomasTT7 voor hulp bij de formules. Bekijk hier zijn blog.

Stap 13: Risico's

Dus je tracker werkt. Dat stuk stront waar je twee maanden aan hebt gewerkt, werkt echt! Gefeliciteerd.

Laten we dus eens kijken welke risico's uw sondekind kan tegenkomen in de lucht:

1) Er zal niet genoeg zonlicht op het zonnepaneel vallen. De supercondensatoren zullen leeglopen. De sonde zal stoppen met werken.

2) De sonde raakt buiten bereik en er worden geen gegevens ontvangen.

3) Sterke windstoten zullen de sonde vernietigen.

4) De sonde zal tijdens het stijgen door een storm gaan en regen zal het circuit kortsluiten.

5) Er zal zich een ijslaag vormen op het zonnepaneel. De supercondensatoren zullen leeglopen. De sonde zal stoppen met werken.

6) Een deel van de sonde zal onder mechanische belasting breken.

7) Een deel van de sonde zal breken bij extreme hitte en druk.

8) Er zal zich een elektrostatische lading vormen tussen de ballon en de lucht en een vonk vormen die de sonde zal beschadigen.

9) De sonde wordt geraakt door de bliksem.

10) De sonde wordt geraakt door een vliegtuig.

11) De sonde wordt geraakt door een vogel.

12) Aliens zullen je sonde kapen. Dit kan vooral gebeuren als de ballon zich boven gebied 51 bevindt.

Stap 14: Lancering

Dus dat is het. Het is D-day en je gaat je geliefde picoballon lanceren. Het is altijd goed om het terrein en alle mogelijke obstakels te kennen. Ook moet u het weer (voornamelijk de windsnelheid en -richting) constant in de gaten houden. Op die manier minimaliseert u de kans dat uw € 100 aan apparatuur en 2 maanden van uw tijd tegen een boom of tegen een muur botst. Dat zou jammer zijn.

Steek een pijp in de ballon. Bind de ballon aan iets zwaars met nylon. Zet het zware ding op een weegschaal. Stel de weegschaal opnieuw in. Bevestig het andere uiteinde van de pijp op uw heliumtank. Begin langzaam de klep te openen. Je zou nu negatieve getallen op de schaal moeten zien. Dit is het moment om de waarde van de vrije heffing te gebruiken die u in stap 12 hebt berekend. Sluit de klep wanneer het negatieve getal de massa van de ballon + vrije heffing bereikt. In mijn geval was het 15 g + 2,4 g, dus ik sloot de klep af op precies -17,4 g op de schaal. Verwijder de pijp. De ballon is zelfsluitend, deze zou automatisch moeten afsluiten. Maak het zware voorwerp los en vervang het door de sonde. U bent nu klaar om te starten.

Bekijk de video voor alle details.

Stap 15: De gegevens ontvangen

Ohh, ik herinner me het gevoel dat we hadden na de lancering. De stress, de frustratie, veel hormonen. Zal het werken? Zal ons werk waardeloos zijn? Hebben we net zoveel geld uitgegeven aan iets dat niet werkt? Dit zijn het soort vragen dat we ons na de lancering stelden.

Gelukkig reageerde de sonde ongeveer 20 minuten na de lancering. En toen kregen we elke 10 minuten een pakje. We verloren het contact met de sonde om 17:51:09 GMT. Het had beter gekund, maar het is nog steeds goed.

Stap 16: Verdere plannen

Dit was een van onze moeilijkste projecten tot nu toe. Niet alles was perfect, maar dat is oké, zo is het altijd. Het was nog steeds zeer succesvol. De tracker werkte perfect. Dat had veel langer gekund, maar dat maakt niet uit. En we eindigden als tweede in de Picoballoon-competitie. Nu zou je kunnen zeggen dat tweede worden in een wedstrijd met 17 mensen niet zo'n succes is, MAAR houd er rekening mee dat dit een engineering/constructiewedstrijd voor volwassenen is. We zijn 14 jaar oud. Degenen met wie we streden waren volwassenen met technische en mogelijk zelfs ruimtevaartachtergrond en met veel meer ervaring. Dus ja, over het algemeen zou ik zeggen dat het een groot succes was. We kregen 200 €, wat ongeveer het dubbele was van onze uitgaven.

Ik ga zeker een versie 2.0 bouwen. Het wordt veel beter, met kleinere componenten (barebone-processor, RFM95) en het zal betrouwbaarder zijn, dus houd ons in de gaten voor de volgende instructable.

Ons belangrijkste doel is nu om de Epilog X-wedstrijd te winnen. Collega-makers, als je dit instructable leuk vond, overweeg dan om ervoor te stemmen. Het zou ons echt helpen. Super bedankt!

Tweede plaats in de Epilog X-wedstrijd