Como fazer um picobalão: 16 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

O que é um picobalão e por que eu iria querer construí-lo ?! Eu ouço você perguntar. Deixe-me explicar. Todos vocês provavelmente sabem o que é um HAB (Balão de Alta Altitude). É um monte de equipamentos eletrônicos estranhos conectados a um balão. Existem muitos tutoriais sobre HABs aqui no Instructables.

MAS, e isso é muito grande, MAS o que eles não dizem na maioria das vezes no tutorial é o custo do gás de enchimento. Agora, você pode construir um rastreador HAB decente por menos de 50 €, mas se pesar 200g (o que é um palpite bastante otimista com as baterias, câmeras, etc.) o hélio para encher o balão pode custar 200 € ou mais, que é demais para muitos fabricantes como eu.

Então, como você pode imaginar, os picobalões resolvem esse problema simplesmente não sendo volumosos e pesados. Picoballoon é apenas uma palavra para HAB leve. Luz, o que quero dizer com luz? Em geral, os picobalões são mais leves do que 20g. Agora, imagine que um processador, um transmissor, um PCB, GPS, antenas, um painel solar e também uma bateria com massa igual a um copo descartável de café ou uma colher. Isso não é loucura?

Outra razão (além do custo) pela qual você gostaria de construir isso é seu alcance e resistência. O HAB clássico pode voar por até 4 horas e viajar por até 200 km. Por outro lado, um Picobalão pode voar por até alguns meses e viajar por até dezenas de milhares de quilômetros. Um polonês fez seu picobalão voar ao redor do globo várias vezes. Isso, é claro, também significa que você nunca verá seu Picoballoon novamente depois de iniciá-lo. É por isso que você deseja transmitir todos os dados necessários e, claro, manter os custos os mais baixos possíveis.

Nota: Este projeto é uma colaboração com MatejHantabal. Certifique-se de verificar o perfil dele também

AVISO: Este é um projeto de nível avançado difícil de fazer, mas também muito divertido. Tudo, desde o design do PCB até o SMD e a soldagem, será explicado aqui. Dito isso, vamos trabalhar

ATUALIZAÇÃO: Tivemos que remover o módulo GPS de última hora devido ao seu grande consumo de energia. Provavelmente pode ser consertado, mas não tínhamos tempo para isso. Vou deixá-lo no instrutível, mas cuidado, pois não foi testado. Você ainda pode obter a localização dos metadados TTN, então não se preocupe com isso

Etapa 1: O Princípio

Portanto, ao construir um dispositivo como este, existem muitas variações e escolhas, mas cada rastreador precisa de um transmissor e uma fonte de alimentação. A maioria dos rastreadores provavelmente incluirá estes componentes:

- um painel solar

- uma bateria (lipo ou supercapacitor)

- um processador / microcontrolador

- um módulo GPS

- um sensor (es) (temperatura, umidade, pressão, UV, radiação solar …)

- um transmissor (433 MHz, LoRa, WSPR, APRS, LoRaWAN, Iridium)

Como você pode ver, existem muitos sensores e transmissores que você pode usar. Os sensores que você usa dependem de você. Realmente não importa, mas os mais comuns são os sensores de temperatura e pressão. Selecionar um transmissor é muito mais difícil. Cada tecnologia tem alguns prós e contras. Não vou quebrar aqui porque seria uma discussão muito longa. O importante é que escolhi o LoRaWAN e acho que é o melhor (porque ainda não tive a chance de testar os outros). Eu sei que o LoRaWAN provavelmente tem a melhor cobertura. Você é bem-vindo para me corrigir nos comentários.

Etapa 2: peças necessárias

Então, você precisará destas coisas para este projeto:

Adafruit Feather 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (não usamos isso no final)

Sensor de temperatura / umidade / pressão BME280

2x Supercapacitor 4.7F 2.7V

Painel solar com saída 5V

PCBs personalizados

Se estiver lançando sozinho, você também precisa disso:

Pelo menos 0,1m3 de hélio (pesquisa: "tanque de hélio para 15 balões") comprado localmente

Balão de folha autovedante Qualatex 36"

Custo estimado do projeto: 80 € (apenas o rastreador) / 100 € (incluindo balão e hélio)

Etapa 3: ferramentas recomendadas

Essas ferramentas podem ser úteis:

descascador de fios

ferro de solda

Ferro de solda SMD

alicate

chaves de fenda

pistola de cola

multímetro

microscópio

pistola de ar quente

Você também precisará de pasta de solda.

Etapa 4: Adafruit Feather 32U4

Tivemos muita dificuldade em selecionar o microcontrolador certo para o balão. A Pena de Adafruit resultou a melhor para o trabalho. Ele se encaixa em todos os critérios exigidos:

1) Possui todos os pinos necessários: SDA / SCL, RX / TX, digital, analógico

2) Possui transmissor RFM95 LoRa.

3) É leve. Sua massa é de apenas 5,5g.

4) Tem um consumo de energia muito baixo durante o modo de espera (apenas 30uA).

Por isso, pensamos que o Adafruit Feather é o melhor microcontrolador para o trabalho.

Etapa 5: Projeto e fabricação de PCB

Eu realmente sinto muito pelo que vou dizer a você. Precisaremos fazer um PCB personalizado. Vai ser difícil e frustrante, mas é necessário, então vamos começar. Além disso, para entender o texto a seguir corretamente, você deve ler esta incrível classe de design de PCB da Instructables.

Portanto, primeiro você precisará fazer um esquema. Fiz o esquema e a placa no software de design EAGLE PCB da Autodesk. É grátis, então faça o download!

Foi a primeira vez que projetei um PCB e posso dizer que o importante é aprender a usar a interface do Eagle. Desenhei minha primeira prancha em 6 horas, mas minha segunda prancha demorou menos de uma hora. Aqui está o resultado. Um belo esquema e uma placa, eu diria.

Quando tiver o arquivo da placa pronto, você precisará criar os arquivos gerber e enviá-los ao fabricante. Encomendei minhas placas em jlcpcb.com, mas você pode escolher qualquer outro fabricante de sua preferência. Defino a espessura do PCB em 0,8 mm em vez do padrão 1,6 mm porque a placa precisa ser leve. Você pode ver minhas configurações para JLC PCB na imagem.

Se você não quiser baixar o Eagle, basta baixar "Ferdinand 1.0.zip" e enviá-lo para o JLC PCB.

Ao fazer o pedido dos PCBs, apenas sente-se confortavelmente em sua cadeira e espere duas semanas até que eles cheguem. Então podemos continuar.

Nota: Você pode notar que o esquema é um pouco diferente da placa real. Isso porque percebi que o CI BME280 simples é muito difícil de soldar, então mudei o esquema para uma ruptura

Etapa 6: Solda SMD

Outro triste anúncio: a soldagem SMD não é fácil. Agora realmente, é malditamente difícil. Que o Senhor esteja com você. Mas este tutorial deve ajudar. Você pode soldar usando um ferro de solda e um pavio de solda ou uma pasta de solda e uma pistola de ar quente. Nenhum desses métodos foi conveniente o suficiente para mim. Mas você deve terminar em uma hora.

Coloque os componentes de acordo com a serigrafia na placa de circuito impresso ou de acordo com o esquema.

Etapa 7: Solda

Depois que a solda SMD é feita, o resto do trabalho de solda é basicamente um pedaço de bolo. Quase. Você provavelmente já soldou antes e espero que queira soldar novamente. Basta soldar o Adafruit Feather, as antenas, o painel solar e os supercapacitores. Muito simples, eu diria.

Coloque os componentes de acordo com a serigrafia na placa de circuito impresso ou de acordo com o esquema.

Etapa 8: Rastreador completo

É assim que o rastreador completo deve ser. Esquisito. Agradável. Interessante. Essas são as palavras que me vêm à mente imediatamente. Agora você só precisa atualizar o código e testar se está funcionando.

Etapa 9: Configuração TTN

A Things Network é uma rede LoRaWAN global centrada na cidade. Com mais de 6887 gateways (receptores) instalados e funcionando, é a maior rede IoT global do mundo. Ele usa o protocolo de comunicação LoRa (Long Range), geralmente nas frequências 868 (Europa, Rússia) ou 915 MHz (EUA, Índia). É mais amplamente usado por dispositivos IoT que enviam mensagens curtas nas cidades. Você só pode enviar até 51 bytes, mas pode facilmente obter um alcance de 2km a 15km. Isso é ideal para sensores simples ou outros dispositivos IoT. E o melhor de tudo, é grátis.

Agora, 2-15 certamente não é suficiente, mas se você chegar a um terreno mais alto, deverá ter uma conexão melhor. E nosso balão vai ficar muito alto. A 10 km acima do nível do mar, devemos conseguir uma conexão de 100 km. Um amigo lançou um HAB com LoRa 31 km no ar e conseguiu um ping a 450 km de distância. Então, isso é bastante razoável.

Configurar o TTN deve ser fácil. Você só precisa criar uma conta com seu e-mail e depois registrar o dispositivo. Em primeiro lugar, você deve criar um aplicativo. Um aplicativo é toda a página inicial do projeto. A partir daqui, você pode alterar o código do decodificador, visualizar os dados recebidos e adicionar / remover dispositivos. Basta escolher um nome e você estará pronto para prosseguir. Feito isso, você terá que registrar um dispositivo no aplicativo. Você precisa inserir o endereço MAC do Adafruit Feather (com o Feather na embalagem). Em seguida, você deve definir o método de ativação para ABP e desabilitar as verificações do contador de quadros. Seu dispositivo agora deve estar registrado no aplicativo. Copie o endereço do dispositivo, a chave de sessão de rede e a chave de sessão de aplicativo. Você precisará deles na próxima etapa.

Para obter uma explicação mais completa, visite este tutorial.

Etapa 10: codificação

O Adafruit Feather 32U4 possui um processador ATmega32U4 AVR. Isso significa que ele não possui um chip separado para comunicação USB (como o Arduino UNO), o chip está incluso no processador. Isso significa que o upload para o Adafruit Feather pode ser um pouco mais difícil em comparação com uma placa Arduino típica, mas funciona com o IDE do Arduino, portanto, se você seguir este tutorial, não terá problemas.

Depois de configurar o IDE do Arduino e fazer o upload do esboço "intermitente" com sucesso, você pode mover para o código real. Baixe "LoRa_Test.ino". Altere o endereço do dispositivo, a chave de sessão de rede e a chave de sessão do aplicativo de acordo. Faça upload do esboço. Vá lá fora. Aponte a antena para o centro da cidade ou na direção do gateway mais próximo. Agora você deve ver os dados aparecendo no console TTN. Se não, comente abaixo. Não quero colocar aqui tudo o que poderia ter acontecido, não sei se o servidor Instructables aguentaria tamanha quantidade de texto.

Se movendo. Se o esboço anterior funcionar, você pode baixar "Ferdinand_1.0.ino" e alterar as coisas que deveria alterar no esboço anterior. Agora teste novamente.

Se você estiver obtendo alguns dados HEX aleatórios no console TTN, não se preocupe, ele deve fazer isso. Todos os valores são codificados em HEX. Você vai precisar de um código de decodificador diferente. Baixe "decoder.txt". Copie seu conteúdo. Agora vá para o console TTN. Acesse seu aplicativo / formatos de carga útil / decodificador. Agora remova o código do decodificador original e cole no seu. Agora você deve ver todas as leituras lá.

Etapa 11: Teste

Agora, esta deve ser a parte mais longa do projeto. Testando. Testando em todos os tipos de condições. No calor extremo, estresse e com uma luz forte (ou ao ar livre no sol) para imitar as condições lá em cima. Isso deve levar pelo menos uma semana para que não haja surpresas em termos de comportamento do rastreador. Mas esse é um mundo ideal e não tínhamos esse tempo porque o rastreador foi construído para uma competição. Fizemos algumas alterações de última hora (literalmente, 40 minutos antes do lançamento), por isso não sabíamos o que esperar. Isso não é bom. Mas você sabe, ainda vencemos a competição.

Você provavelmente precisará fazer esta parte do lado de fora porque o sol não está brilhando dentro e porque o LoRa não terá a melhor recepção em seu escritório.

Etapa 12: algumas fórmulas divertidas

Os picobalões são muito sensíveis. Você não pode simplesmente enchê-los com hélio e lançá-los. Eles realmente não gostam disso. Deixe-me explicar. Se a força de empuxo for muito baixa, o balão não subirá (obviamente). MAS, e este é o problema, se a força de empuxo for muito alta, o balão voará muito alto, as forças no balão serão muito grandes e ele estourará e cairá no chão. Essa é a principal razão pela qual você realmente deseja fazer esses cálculos.

Se você conhece um pouco de física, não deve ter problemas para entender as fórmulas acima. Existem algumas variáveis que você precisa inserir na fórmula. Isso inclui: enchimento constante do gás, temperatura termodinâmica, pressão, massa da sonda e massa do balão. Se você seguir este tutorial e usar o mesmo balão (microfoil Qualatex 36 ) e o mesmo gás de enchimento (hélio), a única coisa que realmente vai diferir é a massa da sonda.

Essas fórmulas devem fornecer: o volume de hélio necessário para encher o balão, a velocidade com que o balão sobe, a altitude em que o balão voa e também o peso de sustentação livre. Todos esses valores são muito úteis. A velocidade de subida é importante para que o balão não bata nos obstáculos porque é muito lento e é muito bom saber a que altura o balão voará. Mas o mais importante deles é provavelmente o elevador gratuito. A elevação gratuita é necessária quando você estiver enchendo o balão na etapa 14.

Obrigado a TomasTT7 pela ajuda com as fórmulas. Consulte o blog dele aqui.

Etapa 13: Riscos

Então, seu rastreador funciona. Aquele pedaço de merda em que você trabalhou por dois meses realmente funciona! Parabéns.

Então, vamos revisar quais riscos seu filho da sonda pode encontrar no ar:

1) Não haverá luz solar suficiente atingindo o painel solar. Os supercondensadores irão drenar. A sonda irá parar de funcionar.

2) A sonda ficará fora do alcance e nenhum dado será recebido.

3) Fortes rajadas de vento destruirão a sonda.

4) A sonda passará por uma tempestade durante a subida e a chuva causará um curto-circuito.

5) Uma camada de gelo se formará no painel solar. Os supercondensadores irão drenar. A sonda irá parar de funcionar.

6) Parte da sonda irá quebrar sob estresse mecânico.

7) Parte da sonda irá quebrar sob condições extremas de calor e pressão.

8) Uma carga eletrostática se formará entre o balão e o ar formando uma faísca, que danificará a sonda.

9) A sonda será atingida por um raio.

10) A sonda será atingida por um avião.

11) A sonda será atingida por um pássaro.

12) Os alienígenas irão sequestrar sua sonda. Pode acontecer especialmente se o balão estiver acima da área 51.

Etapa 14: lançar

Então é isso. É o dia D e você vai lançar seu amado picobalão. É sempre bom conhecer o terreno e todos os obstáculos possíveis. Além disso, você deve monitorar o tempo (principalmente a velocidade e direção do vento) constantemente. Desta forma, minimiza as hipóteses de os seus 100 € em equipamento e 2 meses do seu tempo bater numa árvore ou parede. Isso seria triste.

Insira um tubo no balão. Amarre o balão em algo pesado com náilon. Coloque a coisa pesada em uma balança. Reinicie a escala. Prenda a outra extremidade do tubo em seu tanque de hélio. Comece abrindo lentamente a válvula. Agora você deve ver números negativos na escala. Agora é a hora de usar o valor de elevação livre que você calculou na etapa 12. Desligue a válvula quando o número negativo atingir a massa do balão + elevação livre. No meu caso, era 15g + 2,4g, então fechei a válvula exatamente a -17,4g na escala. Remova o tubo. O balão é autovedante, deve selar automaticamente. Desamarre o objeto pesado e substitua-o pela sonda. Agora você está pronto para o lançamento.

Basta assistir ao vídeo para todos os detalhes.

Etapa 15: Recebendo os dados

Ohh, lembro-me da sensação que tivemos após o lançamento. O estresse, a frustração, muitos hormônios. será que vai dar certo? Nosso trabalho será inútil? Acabamos de gastar tanto dinheiro em algo que não funciona? Esse é o tipo de pergunta que nos perguntamos após o lançamento.

Felizmente, a sonda respondeu cerca de 20 minutos após o lançamento. E então recebemos um pacote a cada 10 minutos. Perdemos contato com a sonda às 17:51:09 GMT. Poderia ter sido melhor, mas ainda está bem.

Etapa 16: Planos adicionais

Este foi um dos nossos projetos mais difíceis até hoje. Nem tudo foi perfeito, mas tudo bem, é sempre assim. Ainda assim, foi muito bem-sucedido. O rastreador funcionou perfeitamente. Poderia ter feito isso por muito mais tempo, mas isso não importa. E terminamos em segundo lugar na competição Picoballoon. Agora você pode dizer que ser o segundo em um concurso com 17 pessoas não é um sucesso, MAS tenha em mente que este é um concurso adulto de engenharia / construção. Temos 14 anos. Os que estávamos competindo eram adultos com formação em engenharia e possivelmente até mesmo aeroespacial e com muito mais experiência. Então sim, no geral, eu diria que foi um grande sucesso. Conseguimos 200 €, o que foi aproximadamente o dobro das nossas despesas.

Certamente vou construir uma versão 2.0. Vai ser muito melhor, com componentes menores (processador barebone, RFM95) e vai ser mais confiável, então fique atento para o próximo instrutível.

Nosso principal objetivo agora é vencer o concurso Epilog X. Companheiros fabricantes, se você gostou deste instrutível, por favor, considere votar nele. Isso realmente nos ajudaria. Muito obrigado!

Vice-campeão no Epilog X Contest