Einen Picoballon herstellen – wikiHow

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:19

Was ist ein Picoballon und warum sollte ich ihn bauen wollen?! Ich höre dich fragen. Lassen Sie mich erklären. Sie alle wissen wahrscheinlich, was ein HAB (High Altitude Balloon) ist. Es ist ein Haufen seltsamer Elektronik, die mit einem Ballon verbunden ist. Es gibt soooo viele Tutorials zu HABs hier auf Instructables.

ABER, und das ist ein sehr großes ABER, was sie Ihnen im Tutorial meistens nicht sagen, sind die Kosten für das Füllgas. Jetzt können Sie einen anständigen HAB-Tracker unter 50 € bauen, aber wenn er 200 g wiegt (was eine ziemlich optimistische Schätzung mit den Batterien, Kameras usw. ist), kann das Helium zum Befüllen des Ballons 200 € oder mehr kosten, was ist für viele Hersteller wie mich einfach zu viel.

Wie Sie sich vorstellen können, lösen Picoballons dieses Problem, indem sie einfach nicht sperrig und schwer sind. Picoballoon ist nur ein Wort für ein leichtes HAB. Licht, was meine ich mit Licht? Im Allgemeinen sind Picoballons leichter als 20 g. Stellen Sie sich jetzt einen Prozessor, einen Sender, ein PCB, GPS, Antennen, ein Solarpanel und auch eine Batterie mit der Masse einer Einwegkaffeetasse oder eines Löffels vor. Ist das nicht einfach verrückt?

Ein weiterer Grund (abgesehen von den Kosten), warum Sie dies bauen möchten, ist seine Reichweite und Ausdauer. Classic HAB kann bis zu 4 Stunden fliegen und bis zu 200 km zurücklegen. Ein Picoballoon hingegen kann bis zu ein paar Monate fliegen und bis zu Zehntausende von Kilometern zurücklegen. Ein Pole hat seinen Picoballon mehrmals um den Globus fliegen lassen. Dies bedeutet natürlich auch, dass Sie Ihren Picoballoon nach dem Start nie wieder sehen werden. Deshalb möchten Sie alle benötigten Daten übermitteln und natürlich die Kosten so gering wie möglich halten.

Hinweis: Dieses Projekt ist eine Zusammenarbeit mit MatejHantabal. Schauen Sie sich auch sein Profil an

WARNUNG: Dies ist ein schwieriges, fortgeschrittenes, aber auch sehr lustiges Projekt. Hier wird alles vom PCB-Design über SMD bis zum Löten erklärt. Das heißt, machen wir uns an die Arbeit

UPDATE: Wir mussten das GPS-Modul wegen seines hohen Stromverbrauchs in letzter Minute entfernen. Es kann wahrscheinlich behoben werden, aber wir hatten keine Zeit dafür. Ich werde es im instructable verlassen, aber Vorsicht, es ist ungetestet. Sie können den Standort immer noch aus den TTN-Metadaten abrufen, sodass Sie sich darüber keine Sorgen machen sollten

Schritt 1: Das Prinzip

Beim Bau eines solchen Geräts gibt es also viele Variationen und Möglichkeiten, aber jeder Tracker benötigt einen Sender und eine Stromversorgung. Die meisten Tracker enthalten wahrscheinlich diese Komponenten:

- ein Solarpanel

- eine Batterie (Lipo oder Superkondensator)

- ein Prozessor/Mikrocontroller

- ein GPS-Modul

- ein oder mehrere Sensoren (Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, UV, Sonneneinstrahlung…)

- ein Sender (433MHz, LoRa, WSPR, APRS, LoRaWAN, Iridium)

Wie Sie sehen, gibt es viele Sensoren und Sender, die Sie verwenden können. Welche Sensoren Sie verwenden, ist Ihnen überlassen. Es spielt keine Rolle, aber am häufigsten sind die Sensoren für Temperatur und Druck. Die Auswahl eines Senders ist jedoch viel schwieriger. Jede Technologie hat einige Vor- und Nachteile. Ich werde es hier nicht aufschlüsseln, weil das eine sehr lange Diskussion wäre. Wichtig ist, dass ich mich für LoRaWAN entschieden habe und ich denke, dass es das Beste ist (weil ich die anderen noch nicht testen konnte). Ich weiß jedoch, dass LoRaWAN wahrscheinlich die beste Abdeckung hat. Du kannst mich gerne in den Kommentaren korrigieren.

Schritt 2: Benötigte Teile

Sie benötigen diese Dinge für dieses Projekt:

Adafruchtfeder 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (Wir haben das am Ende nicht verwendet)

BME280 Temperatur-/Feuchte-/Drucksensor

2xSuperkondensator 4.7F 2.7V

Solarpanel mit Ausgang 5V

Kundenspezifische Leiterplatten

Wenn Sie selbst starten, benötigen Sie auch dies:

Mindestens 0,1m3 Helium (Suche: "Heliumtank für 15 Ballons") vor Ort gekauft

Qualatex 36 selbstdichtender Folienballon

Geschätzte Projektkosten: 80€ (nur der Tracker) / 100€ (inklusive Ballon und Helium)

Schritt 3: Empfohlene Werkzeuge

Diese Tools könnten sich als nützlich erweisen:

Abisolierzange

Lötkolben

SMD-Lötkolben

Zange

Schraubendreher

Klebepistole

Multimeter

Mikroskop

Heiße Luft Pistole

Außerdem brauchst du Lötpaste.

Schritt 4: Adafruit-Feder 32U4

Es fiel uns schwer, den richtigen Mikrocontroller für den Ballon auszuwählen. Die Adafruit Feather erwies sich als die beste für den Job. Es erfüllt alle erforderlichen Kriterien:

1) Es hat alle notwendigen Pins: SDA/SCL, RX/TX, digital, analog

2) Es hat den RFM95 LoRa-Sender.

3) Es ist leicht. Seine Masse beträgt nur 5,5 g.

4) Es hat einen sehr geringen Stromverbrauch im Schlafmodus (nur 30uA).

Aus diesem Grund denken wir, dass der Adafruit Feather der beste Mikrocontroller für diesen Job ist.

Schritt 5: PCB-Design und Herstellung

Es tut mir wirklich leid, was ich Ihnen sagen werde. Wir müssen eine benutzerdefinierte Leiterplatte herstellen. Es wird hart und frustrierend, aber es ist notwendig, also fangen wir an. Um den folgenden Text richtig zu verstehen, sollten Sie diese großartige PCB-Designklasse von Instructables lesen.

Zuerst müssen Sie also einen Schaltplan erstellen. Ich habe sowohl den Schaltplan als auch die Platine in der EAGLE PCB-Designsoftware von Autodesk erstellt. Es ist kostenlos, also laden Sie es herunter!

Es war das erste Mal, dass ich eine Leiterplatte entwarf und ich kann Ihnen sagen, dass es nur darum geht, die Eagle-Schnittstelle zu beherrschen. Ich habe mein erstes Board in 6 Stunden entworfen, aber mein zweites Board hat weniger als eine Stunde gebraucht. Hier ist das Ergebnis. Ein ziemlich schöner Schaltplan und eine Platine würde ich sagen.

Wenn Sie die Board-Datei fertig haben, müssen Sie die Gerber-Dateien erstellen und an den Hersteller senden. Ich habe meine Boards bei jlcpcb.com bestellt, aber Sie können jeden anderen Hersteller auswählen, den Sie mögen. Ich habe die Leiterplattendicke auf 0,8 mm anstelle der standardmäßigen 1,6 mm eingestellt, da die Platine leicht sein muss. Sie können meine Einstellungen für JLC PCB im Screenshot sehen.

Wenn Sie Eagle nicht herunterladen möchten, können Sie einfach "Ferdinand 1.0.zip" herunterladen und auf JLC PCB hochladen.

Wenn Sie die Leiterplatten bestellen, setzen Sie sich einfach bequem in Ihren Stuhl und warten Sie zwei Wochen, bis sie ankommen. Dann können wir weitermachen.

Hinweis: Sie können feststellen, dass sich der Schaltplan etwas von der tatsächlichen Platine unterscheidet. Das liegt daran, dass mir aufgefallen ist, dass der blanke BME280-IC zu schwer zu löten ist, also habe ich den Schaltplan für einen Breakout geändert

Schritt 6: SMD-Löten

Eine weitere traurige Meldung: SMD-Löten ist nicht einfach. Jetzt ist es wirklich verdammt schwer. Möge der Herr mit dir sein. Aber dieses Tutorial soll helfen. Sie können entweder mit einem Lötkolben und einem Lötdocht oder einer Lötpaste und einer Heißluftpistole löten. Keine dieser Methoden war für mich bequem genug. Aber Sie sollten es innerhalb einer Stunde erledigen.

Platzieren Sie die Bauteile entweder gemäß Siebdruck auf der Platine oder gemäß Schaltplan.

Schritt 7: Löten

Nach dem SMD-Löten ist der Rest der Lötarbeit im Grunde ein Kinderspiel. Schon fast. Sie haben wahrscheinlich schon einmal gelötet und ich hoffe, Sie wollen wieder löten. Sie müssen nur die Adafruit Feather, die Antennen, das Solarpanel und die Superkondensatoren verlöten. Ziemlich einfach würde ich sagen.

Platzieren Sie die Bauteile entweder gemäß Siebdruck auf der Platine oder gemäß Schaltplan.

Schritt 8: Kompletter Tracker

So sollte der komplette Tracker aussehen. Seltsam. Schön. Interessant. Das sind die Worte, die mir sofort in den Sinn kommen. Jetzt müssen Sie nur noch den Code flashen und testen, ob er funktioniert.

Schritt 9: TTN-Setup

Das Things Network ist ein globales LoRaWAN-Community-Netzwerk in der Stadt. Mit mehr als 6887 Gateways (Empfängern) ist es das größte globale IoT-Netzwerk der Welt. Es verwendet das Kommunikationsprotokoll LoRa (Long Range), das im Allgemeinen bei den Frequenzen 868 (Europa, Russland) oder bei 915 MHz (USA, Indien) verwendet wird. Es wird am häufigsten von IoT-Geräten verwendet, die Kurznachrichten in Städten senden. Sie können nur bis zu 51 Byte senden, aber Sie können problemlos eine Reichweite von 2 km bis 15 km erreichen. Das ist ideal für einfache Sensoren oder andere IoT-Geräte. Und das Beste: Es ist kostenlos.

Nun, 2-15 ist sicherlich nicht genug, aber wenn Sie auf höheres Gelände gelangen, sollten Sie eine bessere Verbindung haben. Und unser Ballon wird sehr hoch sein. Auf 10km über dem Meeresspiegel sollten wir ab 100km eine Verbindung bekommen. Ein Freund startete einen HAB mit LoRa in 31 km Höhe und er bekam einen Ping in 450 km Entfernung. Das ist also ziemlich vernünftig.

Das Einrichten des TTN sollte einfach sein. Sie müssen nur ein Konto mit Ihrer E-Mail erstellen und dann das Gerät registrieren. Zuerst müssen Sie eine Anwendung erstellen. Eine Anwendung ist die gesamte Projekthomepage. Von hier aus können Sie den Decodercode ändern, die eingehenden Daten anzeigen und Geräte hinzufügen/entfernen. Wählen Sie einfach einen Namen und Sie können loslegen. Danach müssen Sie ein Gerät in der Anwendung registrieren. Sie müssen die MAC-Adresse der Adafruit Feather (mit der Feather in der Verpackung) eingeben. Dann sollten Sie die Aktivierungsmethode auf ABP setzen und die Framezählerprüfungen deaktivieren. Ihr Gerät sollte nun in der Anwendung registriert sein. Kopieren Sie die Geräteadresse, den Netzwerksitzungsschlüssel und den App-Sitzungsschlüssel. Sie werden im nächsten Schritt benötigt.

Eine umfassendere Erklärung finden Sie in diesem Tutorial.

Schritt 10: Codierung

Das Adafruit Feather 32U4 verfügt über einen ATmega32U4 AVR-Prozessor. Das bedeutet, dass es keinen separaten Chip für die USB-Kommunikation (wie Arduino UNO) hat, der Chip ist im Prozessor enthalten. Das bedeutet, dass das Hochladen auf Adafruit Feather im Vergleich zu einem typischen Arduino-Board etwas schwieriger sein kann, aber es funktioniert mit der Arduino IDE. Wenn Sie also diesem Tutorial folgen, sollte es in Ordnung sein.

Nachdem Sie die Arduino IDE eingerichtet und die "blink" -Skizze erfolgreich hochgeladen haben, können Sie mit dem eigentlichen Code fortfahren. Laden Sie "LoRa_Test.ino" herunter. Ändern Sie die Geräteadresse, den Netzwerksitzungsschlüssel und den App-Sitzungsschlüssel entsprechend. Laden Sie die Skizze hoch. Geh raus. Richten Sie die Antenne auf das Stadtzentrum oder in Richtung des nächsten Gateways. Sie sollten jetzt Daten auf der TTN-Konsole sehen. Wenn nicht, kommentieren Sie unten. Ich möchte nicht alles hier ablegen, was hätte passieren können, ich weiß nicht, ob der Instructables-Server mit einer solchen Textmenge umgehen könnte.

Weiter geht's. Wenn die vorherige Skizze funktioniert, können Sie "Ferdinand_1.0.ino" herunterladen und die Dinge ändern, die Sie in der vorherigen Skizze ändern sollten. Teste es jetzt noch einmal.

Wenn Sie zufällige HEX-Daten auf der TTN-Konsole erhalten, machen Sie sich keine Sorgen, das soll dies tun. Alle Werte sind in HEX kodiert. Sie benötigen einen anderen Decodercode. Laden Sie "decoder.txt" herunter. Kopieren Sie den Inhalt. Gehen Sie nun zur TTN-Konsole. Rufen Sie Ihre Anwendung/Nutzlastformate/Decoder auf. Entfernen Sie nun den ursprünglichen Decodercode und fügen Sie Ihren ein. Sie sollten jetzt alle Messwerte dort sehen.

Schritt 11: Testen

Dies sollte nun der längste Teil des Projekts sein. Testen. Testen unter allen möglichen Bedingungen. Bei extremer Hitze, Stress und bei starkem Licht (oder draußen in der Sonne) sollen die Bedingungen dort oben nachgeahmt werden. Dies sollte mindestens eine Woche dauern, damit es keine Überraschungen in Bezug auf das Tracker-Verhalten gibt. Aber das ist eine ideale Welt und wir hatten diese Zeit nicht, weil der Tracker für einen Wettbewerb gebaut wurde. Wir haben einige Änderungen in letzter Minute vorgenommen (wörtlich etwa 40 Minuten vor dem Start), sodass wir nicht wussten, was uns erwarten würde. Das ist nicht gut. Aber wissen Sie, wir haben den Wettbewerb trotzdem gewonnen.

Sie müssen diesen Teil wahrscheinlich draußen machen, weil die Sonne drinnen nicht scheint und der LoRa nicht den besten Empfang in Ihrem Büro hat.

Schritt 12: Einige Funky Formeln

Picoballons sind sehr empfindlich. Sie können sie nicht einfach mit Helium füllen und starten. Das mögen sie wirklich nicht. Lassen Sie mich erklären. Wenn die Auftriebskraft zu gering ist, steigt der Ballon (offensichtlich) nicht auf. ABER, und das ist der Haken, wenn der Auftrieb zu hoch ist, fliegt der Ballon zu hoch, die Kräfte auf den Ballon werden zu groß und er platzt und fällt auf den Boden. Das ist der Hauptgrund, warum Sie diese Berechnungen wirklich durchführen möchten.

Wenn Sie sich ein wenig mit Physik auskennen, sollten Sie keine Probleme haben, die obigen Formeln zu verstehen. Es gibt einige Variablen, die Sie in die Formel eingeben müssen. Dazu gehören: Füllgaskonstante, thermodynamische Temperatur, Druck, Masse der Sonde und Masse des Ballons. Wenn Sie diesem Tutorial folgen und den gleichen Ballon (Qualatex Mikrofolie 36 ) und das gleiche Füllgas (Helium) verwenden, unterscheidet sich nur die Masse der Sonde.

Diese Formeln sollten Ihnen dann geben: die Heliummenge, die zum Auffüllen des Ballons benötigt wird, die Geschwindigkeit, mit der der Ballon aufsteigt, die Höhe, in der der Ballon fliegt und auch das freie Auftriebsgewicht. Das sind alles sehr nützliche Werte. Die Steiggeschwindigkeit ist wichtig, damit der Ballon nicht auf Hindernisse trifft, weil er zu langsam ist und es ist wirklich schön zu wissen, wie hoch der Ballon fliegen wird. Aber die wichtigste davon ist wohl der Freiaufzug. Der Freihub ist erforderlich, wenn Sie den Ballon in Schritt 14 füllen.

Danke an TomasTT7 für die Hilfe bei den Formeln. Schauen Sie sich hier seinen Blog an.

Schritt 13: Risiken

Ihr Tracker funktioniert also. Das Stück Scheiße, an dem Sie zwei Monate lang gearbeitet haben, funktioniert tatsächlich! Herzliche Glückwünsche.

Sehen wir uns also an, welchen Risiken Ihr Sondenkind in der Luft ausgesetzt sein kann:

1) Es wird nicht genügend Sonnenlicht auf das Solarpanel fallen. Die Superkondensatoren werden entleert. Die Sonde funktioniert nicht mehr.

2) Die Sonde gerät außer Reichweite und es werden keine Daten empfangen.

3) Starke Windböen zerstören die Sonde.

4) Die Sonde durchläuft während des Aufstiegs einen Sturm und Regen schließt den Stromkreis kurz.

5) Auf dem Solarpanel bildet sich eine Eisschicht. Die Superkondensatoren werden entleert. Die Sonde funktioniert nicht mehr.

6) Ein Teil der Sonde bricht bei mechanischer Belastung.

7) Ein Teil der Sonde bricht unter extremen Hitze- und Druckbedingungen.

8) Zwischen dem Ballon und der Luft bildet sich eine elektrostatische Ladung, die einen Funken bildet, der die Sonde beschädigt.

9) Die Sonde wird vom Blitz getroffen.

10) Die Sonde wird von einem Flugzeug getroffen.

11) Die Sonde wird von einem Vogel getroffen.

12) Außerirdische werden Ihre Sonde entführen. Kann vor allem passieren, wenn sich der Ballon über Bereich 51 befindet.

Schritt 14: Starten

Das war's. Es ist der D-Day und du wirst deinen geliebten Picoballon starten. Es ist immer gut, das Gelände und alle möglichen Hindernisse zu kennen. Außerdem müssen Sie das Wetter (hauptsächlich die Windgeschwindigkeit und -richtung) ständig überwachen. Auf diese Weise minimieren Sie die Wahrscheinlichkeit, dass Ihre Ausrüstung im Wert von 100 € und 2 Monate Ihrer Zeit gegen einen Baum oder eine Wand stoßen. Das wäre traurig.

Führen Sie ein Rohr in den Ballon ein. Binde den Ballon mit Nylon an etwas Schweres. Stellen Sie das schwere Ding auf eine Waage. Setzen Sie die Waage zurück. Befestigen Sie das andere Ende des Rohres an Ihrem Heliumtank. Beginnen Sie langsam, das Ventil zu öffnen. Sie sollten jetzt negative Zahlen auf der Skala sehen. Jetzt ist es an der Zeit, den in Schritt 12 berechneten Freihubwert zu verwenden. Schließen Sie das Ventil, wenn die negative Zahl die Masse des Ballons + Freihub erreicht. In meinem Fall waren es 15g + 2,4g, also habe ich das Ventil bei genau -17,4g auf der Skala abgestellt. Entfernen Sie das Rohr. Der Ballon ist selbstversiegelnd, er sollte automatisch versiegeln. Lösen Sie das schwere Objekt und ersetzen Sie es durch die Sonde. Sie können jetzt starten.

Sehen Sie sich einfach das Video an, um alle Details zu erfahren.

Schritt 15: Empfangen der Daten

Ohh, ich erinnere mich an das Gefühl, das wir nach dem Start hatten. Der Stress, die Frustration, viele Hormone. Wird es funktionieren? Wird unsere Arbeit wertlos sein? Haben wir gerade so viel Geld für etwas ausgegeben, das nicht funktioniert? Das sind die Fragen, die wir uns nach dem Launch gestellt haben.

Glücklicherweise reagierte die Sonde etwa 20 Minuten nach dem Start. Und dann haben wir alle 10 Minuten ein Paket bekommen. Um 17:51:09 GMT verloren wir den Kontakt zur Sonde. Es hätte besser sein können, aber es ist immer noch in Ordnung.

Schritt 16: Weitere Pläne

Dies war bisher eines unserer schwierigsten Projekte. Nicht alles war perfekt, aber das ist in Ordnung, es ist immer so. Es war trotzdem sehr erfolgreich. Der Tracker funktionierte einwandfrei. Das hätte man noch viel länger machen können, aber das macht nichts. Und wir wurden Zweiter im Picoballoon-Wettbewerb. Nun könnte man sagen, dass es kein so großer Erfolg ist, Zweiter in einem Wettbewerb mit 17 Personen zu sein, ABER bedenken Sie, dass dies ein Ingenieur- / Konstruktionswettbewerb für Erwachsene ist. Wir sind 14 Jahre alt. Diejenigen, mit denen wir konkurrierten, waren Erwachsene mit technischem und möglicherweise sogar Luft- und Raumfahrthintergrund und mit viel mehr Erfahrung. Also ja, insgesamt würde ich sagen, dass es ein großer Erfolg war. Wir bekamen 200€, was ungefähr das Doppelte unserer Ausgaben war.

Ich werde auf jeden Fall eine Version 2.0 bauen. Es wird viel besser sein, mit kleineren Komponenten (Barebone-Prozessor, RFM95) und es wird zuverlässiger sein, also bleiben Sie für das nächste instructable dran.

Unser Hauptziel ist es jetzt, den Epilog X-Wettbewerb zu gewinnen. Mitmacher, wenn Sie dieses instructable mochten, erwägen Sie bitte, dafür zu stimmen. Es würde uns wirklich helfen. Vielen Dank!

Zweiter im Epilog X-Wettbewerb