كيفية صنع Picoballoon: 16 خطوة (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:39

ما هو البيكوبالون ولماذا أرغب في بنائه ؟! أسمعك تسأل. دعني أشرح. ربما تعلمون جميعًا ما هو HAB (بالون عالي الارتفاع). إنها مجموعة من الأجهزة الإلكترونية الغريبة المتصلة ببالون. هناك الكثير من البرامج التعليمية المتعلقة بـ HABs هنا على Instructables.

ولكن ، وهذا أمر كبير جدًا ولكن ما لا يخبروك به في معظم الأوقات في البرنامج التعليمي هو تكلفة تعبئة الغاز. الآن ، يمكنك بناء متتبع HAB لائق أقل من 50 يورو ، ولكن إذا كان يزن 200 جرام (وهو تخمين متفائل جدًا مع البطاريات والكاميرات وما إلى ذلك) ، فقد يكلفك الهيليوم لملء البالون 200 يورو أو أكثر ، وهو ما يعني فقط كثيرًا بالنسبة للعديد من المصنّعين مثلي.

لذا ، كما يمكنك أن تتخيل ، فإن البيكوبالونات تحل هذه المشكلة من خلال عدم كونها ضخمة وثقيلة. Picoballoon هي مجرد كلمة ل HAB خفيف. الضوء ، ماذا أعني بالضوء؟ بشكل عام ، البيكوبالونات أخف من 20 جرام. الآن ، فقط تخيل أن معالجًا ، وجهاز إرسال ، وثنائي الفينيل متعدد الكلور ، ونظام تحديد المواقع العالمي ، وهوائيات ، ولوحة شمسية وأيضًا بطارية ذات كتلة مثل فنجان القهوة أو الملعقة. أليس هذا مجرد جنون؟

سبب آخر (بصرف النظر عن التكلفة) وراء رغبتك في بناء هذا هو النطاق والقدرة على التحمل. يمكن للطائرة الكلاسيكية HAB الطيران لمدة تصل إلى 4 ساعات والسفر لمسافة تصل إلى 200 كيلومتر. من ناحية أخرى ، يمكن لـ Picoballoon الطيران لمدة تصل إلى شهرين والسفر لما يصل إلى عشرات الآلاف من الكيلومترات. حصل رجل بولندي على بالون صغير خاص به ليطير حول العالم عدة مرات. هذا بالطبع يعني أيضًا أنك لن ترى Picoballoon مرة أخرى بعد إطلاقه. لهذا السبب تريد نقل جميع البيانات المطلوبة وبالطبع إبقاء التكاليف منخفضة قدر الإمكان.

ملاحظة: هذا المشروع هو تعاون مع MatejHantabal. تأكد من التحقق من ملفه الشخصي أيضًا

تحذير: هذا مستوى متقدم يصعب القيام به ولكنه أيضًا مشروع ممتع للغاية. سيتم شرح كل شيء من تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور إلى SMD إلى اللحام هنا. بعد قولي هذا ، دعنا نبدأ العمل

تحديث: اضطررنا إلى إزالة وحدة GPS في اللحظة الأخيرة بسبب استهلاكها الكبير للطاقة. ربما يمكن إصلاحه ولكن لم يكن لدينا الوقت لذلك. سأتركه في التعليمات ولكن احذر من أنه لم يتم اختباره. لا يزال بإمكانك الحصول على الموقع من بيانات TTN الوصفية لذلك لا داعي للقلق بشأن ذلك

الخطوة 1: المبدأ

لذلك ، عند إنشاء جهاز مثل هذا ، هناك العديد من الاختلافات والخيارات ولكن كل متتبع يحتاج إلى جهاز إرسال ومصدر طاقة. من المحتمل أن تتضمن معظم أجهزة التتبع هذه المكونات:

- لوحة شمسية

- بطارية (ليبو أو supercapacitor)

- معالج / متحكم دقيق

- وحدة GPS

- جهاز استشعار (درجة الحرارة ، الرطوبة ، الضغط ، الأشعة فوق البنفسجية ، الإشعاع الشمسي …)

- جهاز إرسال (433 ميجا هرتز ، LoRa ، WSPR ، APRS ، LoRaWAN ، إيريديوم)

كما ترى ، هناك العديد من أجهزة الاستشعار وأجهزة الإرسال التي يمكنك استخدامها. ما هي المستشعرات التي تستخدمها متروك لك. لا يهم حقًا ولكن الأكثر شيوعًا هي مستشعرات درجة الحرارة والضغط. ومع ذلك ، فإن اختيار جهاز الإرسال أكثر صعوبة. كل تقنية لها بعض الإيجابيات والسلبيات. لن أقسمها هنا لأن ذلك سيكون نقاشًا طويلاً للغاية. المهم هو أنني اخترت LoRaWAN وأعتقد أنه الأفضل (لأنه لم تتح لي الفرصة لاختبار الآخرين بعد). أعلم أن LoRaWAN ربما لديها أفضل تغطية على الرغم من ذلك. اهلا وسهلا بكم لتصحيح لي في التعليقات.

الخطوة 2: الأجزاء المطلوبة

لذلك ، ستحتاج إلى هذه الأشياء لهذا المشروع:

ريشة Adafruit 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (لم نستخدم هذا في النهاية)

جهاز استشعار درجة الحرارة / الرطوبة / الضغط BME280

2xSupercapacitor 4.7F 2.7 فولت

لوحة شمسية بإخراج 5 فولت

ثنائي الفينيل متعدد الكلور مخصص

إذا كنت تقوم بالتشغيل بنفسك ، فأنت بحاجة أيضًا إلى هذا:

ما لا يقل عن 0.1 م 3 من الهيليوم (ابحث عن: "خزان الهيليوم لـ 15 بالونًا") يُشترى محليًا

Qualatex 36 بالون رقائق ذاتية الغلق

التكلفة التقديرية للمشروع: 80 يورو (المتتبع فقط) / 100 يورو (بما في ذلك البالون والهيليوم)

الخطوة 3: الأدوات الموصى بها

يمكن أن تكون هذه الأدوات مفيدة:

متجرد الأسلاك

لحام حديد

لحام الحديد SMD

كماشة

مفكات البراغي

مسدس الغراء

المقياس المتعدد

مجهر

بندقية الهواء الساخن

ستحتاج أيضًا إلى معجون لحام.

الخطوة 4: Adafruit Feather 32U4

لقد واجهنا صعوبة في اختيار الميكروكونترولر المناسب للبالون. تحولت ريشة Adafruit إلى الأفضل لهذا المنصب. يناسب جميع المعايير المطلوبة:

1) يحتوي على جميع المسامير الضرورية: SDA / SCL ، RX / TX ، رقمي ، تمثيلي

2) لديها جهاز الإرسال RFM95 LoRa.

3) إنها خفيفة الوزن. كتلته 5.5 جرام فقط.

4) استهلاك الطاقة منخفض جدًا أثناء وجوده في وضع السكون (30uA فقط).

لهذا السبب ، نعتقد أن Adafruit Feather هو أفضل متحكم لهذه الوظيفة.

الخطوة 5: تصميم وتصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور

أنا آسف حقًا لما سأقوله لك. سنحتاج إلى صنع ثنائي الفينيل متعدد الكلور مخصص. سيكون الأمر صعبًا ومحبطًا ، لكنه ضروري ، فلنبدأ. أيضًا ، لفهم النص التالي بشكل صحيح ، يجب عليك قراءة فئة تصميم PCB الرائعة هذه بواسطة Instructables.

لذلك ، في البداية سوف تحتاج إلى عمل تخطيطي. لقد صنعت كلاً من التخطيطي واللوحة في برنامج تصميم EAGLE PCB بواسطة Autodesk. إنه مجاني ، لذا قم بتنزيله!

كانت المرة الأولى التي أصمم فيها PCB ويمكنني أن أخبرك أن الأمر كله يتعلق بالتعطل على واجهة Eagle. لقد صممت لوحتي الأولى في 6 ساعات ، لكن لوحتي الثانية استغرقت أقل من ساعة. ها هي النتيجة. تخطيطي جميل ولوحة أود أن أقول.

عندما يكون ملف اللوحة جاهزًا ، فأنت بحاجة إلى إنشاء ملفات جربر وإرسالها إلى الشركة المصنعة. لقد طلبت الألواح الخاصة بي من jlcpcb.com ولكن يمكنك اختيار أي مصنع آخر تريده. لقد قمت بتعيين سمك PCB على 0.8 مم بدلاً من 1.6 مم القياسي لأن اللوحة يجب أن تكون خفيفة. يمكنك رؤية الإعدادات الخاصة بي لـ JLC PCB في لقطة الشاشة.

إذا كنت لا تريد تنزيل Eagle ، يمكنك فقط تنزيل "Ferdinand 1.0.zip" وتحميله على JLC PCB.

عندما تطلب ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، فقط اجلس بشكل مريح على كرسيك وانتظر أسبوعين حتى يصلوا. ثم يمكننا الاستمرار.

ملاحظة: يمكنك ملاحظة أن التخطيطي يختلف قليلاً عن اللوحة الفعلية. هذا لأنني لاحظت أن BME280 IC العاري يصعب لحامه لذا قمت بتغيير التخطيطي للاختراق

الخطوة 6: لحام SMD

إعلان محزن آخر: لحام SMD ليس بالأمر السهل. الآن حقًا ، إنه مزعج بشدة. قد يكون الرب معك. لكن هذا البرنامج التعليمي يجب أن يساعد. يمكنك اللحام إما باستخدام مكواة اللحام وفتيل اللحام ، أو معجون اللحام ومسدس الهواء الساخن. لم تكن أي من هاتين الطريقتين ملائمتين بدرجة كافية بالنسبة لي. لكن يجب أن تنجزها في غضون ساعة.

ضع المكونات إما وفقًا للشاشة الحريرية على PCB أو وفقًا للتخطيط.

الخطوة 7: اللحام

بعد الانتهاء من لحام SMD ، فإن بقية مهمة اللحام هي في الأساس قطعة من الكعكة. تقريبيا. ربما تكون قد لحامت من قبل وآمل أن ترغب في اللحام مرة أخرى. تحتاج فقط إلى لحام Adafruit Feather والهوائيات واللوحة الشمسية والمكثفات الفائقة. بسيط جدا أود أن أقول.

ضع المكونات إما وفقًا للشاشة الحريرية على PCB أو وفقًا للتخطيط.

الخطوة 8: المتتبع الكامل

هذه هي الطريقة التي يجب أن يبدو عليها المتتبع الكامل. عجيب. لطيف - جيد. مثير للإعجاب. هذه هي الكلمات التي تتبادر إلى ذهني على الفور. الآن تحتاج فقط إلى وميض الكود واختبار ما إذا كان يعمل.

الخطوة 9: إعداد TTN

شبكة الأشياء هي شبكة مجتمع LoRaWAN العالمية المتمركزة حول المدينة. مع وجود أكثر من 6887 بوابة (مستقبلات) وتشغيلها ، تعد أكبر شبكة إنترنت الأشياء في العالم. يستخدم بروتوكول الاتصال LoRa (طويل المدى) وهو عمومًا على الترددات 868 (أوروبا ، روسيا) أو 915 ميجا هرتز (الولايات المتحدة الأمريكية ، الهند). يتم استخدامه على نطاق واسع بواسطة أجهزة إنترنت الأشياء التي ترسل رسائل قصيرة في المدن. يمكنك فقط إرسال ما يصل إلى 51 بايت ، ولكن يمكنك بسهولة الحصول على نطاق من 2 كم إلى 15 كم. هذا مثالي لأجهزة الاستشعار البسيطة أو أجهزة إنترنت الأشياء الأخرى. وأفضل للجميع، مجانا.

الآن ، 2-15 بالتأكيد ليست كافية ، ولكن إذا وصلت إلى أرض أعلى ، فيجب أن يكون لديك اتصال أفضل. وسيكون منطادنا مرتفعًا جدًا. عند ارتفاع 10 كم فوق مستوى سطح البحر ، يجب أن نحصل على اتصال من 100 كم. أطلق أحد الأصدقاء HAB مع LoRa 31km في الهواء وحصل على ping على بعد 450 كم. لذا ، هذا معقول جدًا.

يجب أن يكون إعداد TTN أمرًا سهلاً. تحتاج فقط إلى إنشاء حساب بالبريد الإلكتروني الخاص بك وبعد ذلك تحتاج إلى تسجيل الجهاز. في البداية ، عليك إنشاء تطبيق. التطبيق هو الصفحة الرئيسية للمشروع بالكامل. من هنا يمكنك تغيير كود وحدة فك التشفير ، وعرض البيانات الواردة وإضافة / إزالة الأجهزة. ما عليك سوى اختيار اسم وستكون جاهزًا للانطلاق. بعد الانتهاء من ذلك ، سيتعين عليك تسجيل جهاز في التطبيق. تحتاج إلى إدخال عنوان MAC الخاص بريشة Adafruit (مع الريش في العبوة). ثم يجب عليك ضبط طريقة التنشيط على ABP ويجب عليك تعطيل عمليات فحص عداد الإطارات. يجب أن يتم تسجيل جهازك الآن في التطبيق. انسخ عنوان الجهاز ومفتاح جلسة الشبكة ومفتاح جلسة التطبيق. ستحتاجهم في الخطوة التالية.

للحصول على شرح أكثر فائدة ، قم بزيارة هذا البرنامج التعليمي.

الخطوة 10: البرمجة

يحتوي Adafruit Feather 32U4 على معالج ATmega32U4 AVR. هذا يعني أنه لا يحتوي على شريحة منفصلة لاتصالات USB (مثل Arduino UNO) ، يتم تضمين الشريحة في المعالج. هذا يعني أن التحميل إلى Adafruit Feather يمكن أن يكون أصعب قليلاً مقارنة بلوحة Arduino النموذجية ، لكنه يعمل مع Arduino IDE لذا إذا اتبعت هذا البرنامج التعليمي ، فيجب أن يكون جيدًا.

بعد قيامك بإعداد Arduino IDE وتحميل رسم "الوميض" بنجاح ، يمكنك الانتقال إلى الكود الفعلي. تنزيل "LoRa_Test.ino". قم بتغيير عنوان الجهاز ومفتاح جلسة الشبكة ومفتاح جلسة التطبيق وفقًا لذلك. قم بتحميل الرسم التخطيطي. اخرج. وجه الهوائي إلى وسط المدينة أو في اتجاه أقرب بوابة. يجب أن تشاهد الآن البيانات تظهر على وحدة تحكم TTN. إذا لم يكن كذلك ، قم بالتعليق أدناه. لا أريد وضع كل ما يمكن أن يحدث هنا ، لا أعرف ما إذا كان خادم Instructables يمكنه التعامل مع مثل هذا الكم من النص.

المضي قدما. إذا كان الرسم السابق يعمل ، فيمكنك تنزيل "Ferdinand_1.0.ino" وتغيير الأشياء التي كان من المفترض تغييرها في الرسم السابق. الآن اختبرها مرة أخرى.

إذا كنت تحصل على بعض بيانات HEX العشوائية على وحدة التحكم TTN ، فلا تقلق ، فمن المفترض أن تفعل ذلك. يتم ترميز جميع القيم في HEX. ستحتاج إلى رمز فك ترميز مختلف. تنزيل "decoder.txt". انسخ محتوياته. انتقل الآن إلى وحدة تحكم TTN. انتقل إلى التطبيق / تنسيقات / وحدة فك التشفير. الآن قم بإزالة رمز وحدة فك الترميز الأصلي ولصقه في رمزك. يجب أن تشاهد الآن كل القراءات هناك.

الخطوة 11: الاختبار

الآن يجب أن يكون هذا هو أطول جزء من المشروع. اختبارات. الاختبار في جميع الظروف. في درجات الحرارة الشديدة والتوتر ومع وجود ضوء قوي (أو في الخارج على الشمس) لتقليد الظروف هناك. يجب أن يستغرق هذا أسبوعًا على الأقل حتى لا تكون هناك مفاجآت من حيث سلوك المتعقب. لكن هذا عالم مثالي ولم يكن لدينا ذلك الوقت لأن جهاز التتبع مصمم للمنافسة. لقد أجرينا بعض التغييرات في اللحظة الأخيرة (مثل 40 دقيقة قبل الإطلاق) لذلك لم نكن نعرف ما يمكن توقعه. هذا ليس جيدًا. لكن كما تعلم ، ما زلنا فزنا بالمنافسة.

ربما ستحتاج إلى القيام بهذا الجزء في الخارج لأن الشمس لا تشرق في الداخل ولأن LoRa لن يكون لها أفضل استقبال في مكتبك.

الخطوة 12: بعض الصيغ غير التقليدية

Picoballoons حساسة للغاية. لا يمكنك فقط ملؤها بالهيليوم وإطلاقها. هم حقا لا يحبون ذلك. دعني أشرح. إذا كانت قوة الطفو منخفضة جدًا ، فلن يرتفع البالون (من الواضح). ولكن ، وهذا هو المصيد ، إذا كانت قوة الطفو عالية جدًا ، فإن البالون سوف يطير عالياً للغاية ، وستكون القوى المؤثرة على البالون كبيرة جدًا وسوف تنفجر وتسقط على الأرض. هذا هو السبب الرئيسي وراء رغبتك حقًا في إجراء هذه الحسابات.

إذا كنت تعرف الفيزياء قليلاً ، فلن تواجه مشكلة في فهم الصيغ أعلاه. هناك بعض المتغيرات التي تحتاج إلى إدخالها في الصيغة. ويشمل ذلك: ملء ثابت للغاز ، ودرجة الحرارة الديناميكية الحرارية ، والضغط ، وكتلة المسبار وكتلة البالون. إذا اتبعت هذا البرنامج التعليمي واستخدمت نفس البالون (Qualatex microfoil 36 ) ونفس غاز التعبئة (الهيليوم) ، فإن الشيء الوحيد الذي سيختلف في الواقع هو كتلة المسبار.

يجب أن تمنحك هذه الصيغ بعد ذلك: حجم الهيليوم اللازم لملء البالون ، والسرعة التي يرتفع بها البالون ، والارتفاع الذي يطير به البالون ، وكذلك وزن الرفع الحر. هذه كلها قيم مفيدة للغاية. تعد السرعة المتزايدة مهمة حتى لا يصطدم البالون بالعقبات لأنه بطيء جدًا ومن الجيد حقًا معرفة الارتفاع الذي سيطير فيه البالون. لكن أهمها ربما يكون المصعد المجاني. الرفع المجاني مطلوب عندما تملأ البالون في الخطوة 14.

بفضل TomasTT7 للمساعدة في الصيغ. تحقق من بلوق له هنا.

الخطوة 13: المخاطر

لذلك ، يعمل المتعقب الخاص بك. قطعة الهراء التي عملت عليها لمدة شهرين تعمل بالفعل! تهانينا.

لذلك دعونا نراجع المخاطر التي يمكن أن يواجهها طفلك المجس في الهواء:

1) لن يكون هناك ما يكفي من ضوء الشمس على الألواح الشمسية. سوف تستنزف المكثفات الفائقة. سيتوقف المسبار عن العمل.

2) سيخرج المسبار عن النطاق ولن يتم تلقي أي بيانات.

3) هبوب الرياح القوية ستدمر المسبار.

4) سيمر المسبار عبر عاصفة أثناء الصعود وسيؤدي المطر إلى قصر الدائرة.

5) سوف يتشكل طلاء جليدي على الألواح الشمسية. سوف تستنزف المكثفات الفائقة. سيتوقف المسبار عن العمل.

6) جزء من المسبار سوف ينكسر تحت الضغط الميكانيكي.

7) سوف ينكسر جزء من المسبار تحت ظروف الحرارة والضغط الشديدة.

8) سوف تتشكل شحنة إلكتروستاتيكية بين البالون والهواء مكونة شرارة ، مما يؤدي إلى إتلاف المسبار.

9) سيضرب البرق المسبار.

10) سيصطدم المسبار بطائرة.

11) سيصطدم طائر بالمسبار.

12) سيختطف الأجانب المسبار الخاص بك. يمكن أن يحدث خاصة إذا كان البالون فوق المنطقة 51.

الخطوة 14: الإطلاق

هذا كل شيء. إنه يوم D وستطلق البيكوبالون المحبوب. من الجيد دائمًا معرفة التضاريس وكل العوائق المحتملة. كما يجب عليك مراقبة الطقس (بشكل أساسي سرعة الرياح واتجاهها) باستمرار. بهذه الطريقة ، تقلل من فرص اصطدام معداتك بقيمة 100 يورو وشهرين من وقتك في الاصطدام بشجرة أو في الحائط. سيكون ذلك محزنًا.

أدخل أنبوبًا في البالون. اربط البالون بشيء ثقيل بالنايلون. ضع الشيء الثقيل في الميزان. أعد ضبط المقياس. قم بتأمين الطرف الآخر من الأنبوب على خزان الهيليوم. ابدأ بفتح الصمام ببطء. يجب أن تشاهد الآن أرقامًا سالبة على المقياس. حان الوقت الآن لاستخدام قيمة الرفع المجانية التي حسبتها في الخطوة 12. أغلق الصمام عندما يصل الرقم السالب إلى كتلة البالون + الرفع الحر. في حالتي كان 15 جم + 2.4 جم لذا أغلقت الصمام عند -17.4 جم بالضبط على المقياس. قم بإزالة الأنبوب. البالون ذاتية الغلق ، يجب أن تغلق تلقائيًا. قم بفك الجسم الثقيل واستبدله بالمسبار. أنت الآن جاهز للإطلاق.

فقط شاهد الفيديو لجميع التفاصيل.

الخطوة الخامسة عشر: استلام البيانات

أوه ، أتذكر الشعور الذي ساد بعد الإطلاق. التوتر ، الإحباط ، الكثير من الهرمونات. هل ستعمل؟ هل سيكون عملنا بلا قيمة؟ هل أنفقنا الكثير من المال على شيء لا يعمل؟ هذه هي نوعية الأسئلة التي كنا نطرحها على أنفسنا بعد الإطلاق.

لحسن الحظ ، استجاب المسبار بعد حوالي 20 دقيقة من الإطلاق. وبعد ذلك تلقينا رزمة كل 10 دقائق. فقدنا الاتصال بالمسبار الساعة 17:51:09 بتوقيت جرينتش. كان من الممكن أن يكون أفضل ، لكنه لا يزال على ما يرام.

الخطوة 16: خطط أخرى

كان هذا من أصعب مشاريعنا حتى الآن. لم يكن كل شيء مثاليًا ولكن هذا جيد ، دائمًا ما يكون كذلك. كانت لا تزال ناجحة للغاية. المتعقب عمل بلا عيب. كان من الممكن أن تفعل ذلك لفترة أطول ولكن هذا لا يهم. وانتهى بنا المطاف في المركز الثاني في مسابقة Picoballoon. الآن يمكنك القول أن احتلالك المركز الثاني في مسابقة مع 17 شخصًا ليس بهذا النجاح ولكن ضع في اعتبارك أن هذه مسابقة هندسة / إنشاءات للبالغين. نحن 14 سنة. الأشخاص الذين كنا نتنافس معهم كانوا من البالغين ذوي الخلفية الهندسية وربما حتى في مجال الطيران ولديهم خبرة أكبر بكثير. حسنًا ، بشكل عام ، أود أن أقول إنه كان نجاحًا كبيرًا. حصلنا على 200 يورو ، وهو ما يعادل ضعف نفقاتنا تقريبًا.

سأقوم بالتأكيد ببناء الإصدار 2.0. سيكون أفضل بكثير ، مع مكونات أصغر (معالج مجردة ، RFM95) وستكون أكثر موثوقية ، لذا ترقبوا التعليمات التالية.

هدفنا الرئيسي الآن هو الفوز بمسابقة Epilog X. زملائي صناع ، إذا كنت تحب هذه التعليمات ، فيرجى التفكير في التصويت لها. سوف يساعدنا حقا شكرا جزيلا لك!

الوصيف في مسابقة Epilog X.