Cara Membuat Picoballoon: 16 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:56

Apa itu picoballoon dan mengapa saya ingin membuatnya?! Saya mendengar Anda bertanya. Mari saya jelaskan. Anda semua mungkin tahu apa itu HAB (Balon Ketinggian Tinggi). Ini adalah sekumpulan barang elektronik aneh yang terhubung ke balon. Ada begitu banyak tutorial tentang HAB di sini di Instructables.

NAMUN, dan itu sangat besar TETAPI apa yang paling sering tidak mereka katakan kepada Anda dalam tutorial adalah biaya pengisian gas. Sekarang, Anda dapat membuat pelacak HAB yang layak di bawah 50€, tetapi jika beratnya 200g (yang merupakan tebakan yang cukup optimis dengan baterai, kamera, dll.) helium untuk mengisi balon dapat dikenakan biaya 200€ atau lebih, yaitu terlalu banyak untuk banyak pembuat seperti saya.

Jadi, seperti yang bisa Anda tebak, picoballoons memecahkan masalah ini dengan tidak menjadi besar dan berat. Picoballoon hanyalah sebuah kata untuk HAB ringan. Cahaya, apa yang saya maksud dengan cahaya? Secara umum, picoballoons lebih ringan dari 20g. Sekarang, bayangkan saja sebuah prosesor, pemancar, PCB, GPS, antena, panel surya dan juga baterai dengan massa yang sama dengan cangkir atau sendok kopi sekali pakai. Bukankah itu hanya gila?

Alasan lain (terlepas dari biaya) mengapa Anda ingin membangun ini adalah jangkauan dan daya tahannya. Classic HAB dapat terbang hingga 4 jam dan menempuh jarak hingga 200 km. Picoballoon di sisi lain, dapat terbang hingga beberapa bulan dan menempuh jarak hingga puluhan ribu kilometer. Seorang pria Polandia membuat picoballoon-nya terbang keliling dunia beberapa kali. Ini tentu saja juga berarti bahwa Anda tidak akan pernah melihat Picoballoon Anda lagi setelah meluncurkannya. Itu sebabnya Anda ingin mengirimkan semua data yang diperlukan dan tentu saja menjaga biaya serendah mungkin.

Catatan: Proyek ini merupakan kolaborasi dengan MatejHantabal. Pastikan untuk memeriksa profilnya juga

PERINGATAN: Ini adalah proyek tingkat lanjutan yang sulit dilakukan tetapi juga sangat menyenangkan. Semuanya mulai dari desain PCB hingga SMD hingga penyolderan akan dijelaskan di sini. Yang mengatakan, mari kita mulai bekerja

PEMBARUAN: Kami harus menghapus modul GPS menit terakhir karena konsumsi dayanya yang besar. Mungkin bisa diperbaiki tapi kami tidak punya waktu untuk itu. Saya akan membiarkannya dalam instruksi tetapi berhati-hatilah karena itu belum diuji. Anda masih bisa mendapatkan lokasi dari metadata TTN sehingga Anda tidak perlu khawatir tentang itu

Langkah 1: Prinsip

Jadi, ketika membangun perangkat seperti ini, ada banyak variasi dan pilihan, tetapi setiap pelacak membutuhkan pemancar dan catu daya. Sebagian besar pelacak kemungkinan akan menyertakan komponen ini:

- panel surya

- baterai (lipo atau superkapasitor)

- prosesor/mikrokontroler

- modul GPS

- sensor/s (suhu, kelembaban, tekanan, UV, radiasi matahari…)

- pemancar (433MHz, LoRa, WSPR, APRS, LoRaWAN, Iridium)

Seperti yang Anda lihat, ada banyak sensor dan pemancar yang dapat Anda gunakan. Sensor apa yang Anda gunakan terserah Anda. Itu tidak terlalu penting tetapi yang paling umum adalah sensor suhu dan tekanan. Memilih pemancar jauh lebih sulit sekalipun. Setiap teknologi memiliki beberapa pro dan kontra. Saya tidak akan menguraikannya di sini karena itu akan menjadi diskusi yang sangat panjang. Yang penting saya memilih LoRaWAN dan menurut saya itu yang terbaik (karena saya belum sempat menguji yang lain). Saya tahu bahwa LoRaWAN mungkin memiliki cakupan terbaik. Anda dipersilakan untuk mengoreksi saya di komentar.

Langkah 2: Bagian yang Dibutuhkan

Jadi, Anda memerlukan hal-hal ini untuk proyek ini:

Adafruit Feather 32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q (Kami tidak menggunakan ini di akhir)

BME280 suhu/kelembaban/sensor tekanan

2xSuperkapasitor 4.7F 2.7V

Panel surya dengan output 5V

PCB khusus

Jika diluncurkan sendiri, Anda juga membutuhkan ini:

Setidaknya 0,1m3 helium (cari: "tangki helium untuk 15 balon") dibeli secara lokal

Balon foil penyegelan diri Qualatex 36"

Perkiraan biaya proyek: 80€ (hanya pelacak) / 100€ (termasuk balon dan helium)

Langkah 3: Alat yang Direkomendasikan

Alat-alat ini bisa berguna:

penari telanjang kawat

besi solder

Besi solder SMD

Tang

obeng

lem tembak

multimeter

mikroskop

pistol udara panas

Anda juga membutuhkan pasta solder.

Langkah 4: Adafruit Feather 32U4

Kami mengalami kesulitan memilih mikrokontroler yang tepat untuk balon. Adafruit Feather ternyata yang terbaik untuk pekerjaan itu. Ini memenuhi semua kriteria yang diperlukan:

1) Memiliki semua pin yang diperlukan: SDA/SCL, RX/TX, digital, analog

2) Memiliki pemancar RFM95 LoRa.

3) Ini ringan. Massanya hanya 5.5g.

4) Ini memiliki konsumsi daya yang sangat rendah saat dalam mode tidur (hanya 30uA).

Karena itu, kami berpikir bahwa Adafruit Feather adalah mikrokontroler terbaik untuk pekerjaan itu.

Langkah 5: Desain dan Manufaktur PCB

Aku benar-benar minta maaf atas apa yang akan kukatakan padamu. Kita akan perlu membuat PCB kustom. Ini akan sulit dan membuat frustrasi, tetapi itu perlu, jadi mari kita mulai. Juga, untuk memahami teks berikut dengan benar, Anda harus membaca kelas desain PCB yang mengagumkan ini dari Instructables.

Jadi, pada awalnya Anda perlu membuat skema. Saya membuat skema dan papan dalam perangkat lunak desain EAGLE PCB oleh Autodesk. Ini gratis, jadi unduhlah!

Ini adalah pertama kalinya saya mendesain PCB dan saya dapat memberi tahu Anda bahwa ini semua tentang memahami antarmuka Eagle. Saya mendesain papan pertama saya dalam 6 jam, tetapi papan kedua saya membutuhkan waktu kurang dari satu jam. Inilah hasilnya. Skema dan papan yang cukup bagus menurut saya.

Ketika file papan sudah siap, Anda perlu membuat file gerber dan mengirimkannya ke produsen. Saya memesan papan saya dari jlcpcb.com tetapi Anda dapat memilih produsen lain yang Anda suka. Saya mengatur ketebalan PCB ke 0.8mm, bukan standar 1.6mm karena papan harus ringan. Anda dapat melihat pengaturan saya untuk JLC PCB di tangkapan layar.

Jika Anda tidak ingin mengunduh Eagle, Anda cukup mengunduh "Ferdinand 1.0.zip" dan mengunggahnya ke JLC PCB.

Saat Anda memesan PCB, duduklah dengan nyaman di kursi Anda dan tunggu dua minggu sampai mereka tiba. Kemudian kita bisa melanjutkan.

Catatan: Anda dapat melihat bahwa skemanya sedikit berbeda dari papan sebenarnya. Itu karena saya perhatikan bahwa IC BME280 yang telanjang terlalu sulit untuk disolder jadi saya mengubah skema untuk breakout

Langkah 6: Solder SMD

Pengumuman menyedihkan lainnya: menyolder SMD tidak mudah. Sekarang benar-benar, itu sangat sulit. Semoga tuan bersamamu. Tapi tutorial ini akan membantu. Anda dapat menyolder menggunakan besi solder dan sumbu solder, atau pasta solder dan pistol udara panas. Tak satu pun dari metode ini cukup nyaman bagi saya. Tetapi Anda harus menyelesaikannya dalam waktu satu jam.

Tempatkan komponen sesuai dengan sablon pada PCB atau sesuai skema.

Langkah 7: Menyolder

Setelah penyolderan SMD selesai, sisa pekerjaan penyolderan pada dasarnya adalah sepotong kue. Hampir. Anda mungkin pernah menyolder sebelumnya dan saya harap Anda ingin menyolder lagi. Anda hanya perlu menyolder Adafruit Feather, antena, panel surya dan superkapasitor. Cukup mudah saya akan mengatakan.

Tempatkan komponen sesuai dengan sablon pada PCB atau sesuai skema.

Langkah 8: Pelacak Lengkap

Beginilah tampilan pelacak lengkap. Aneh. Bagus. Menarik. Itulah kata-kata yang langsung muncul di benak saya. Sekarang Anda hanya perlu mem-flash kode dan menguji apakah itu berfungsi.

Langkah 9: Pengaturan TTN

The Things Network adalah jaringan LoRaWAN komunitas global yang berpusat di kota. Dengan lebih dari 6887 gateway (penerima) dan menjalankannya, ini adalah jaringan IoT global terbesar di dunia. Ini menggunakan protokol komunikasi LoRa (Jarak Jauh) yang umumnya pada frekuensi 868 (Eropa, Rusia) atau pada 915MHz (AS, India). Ini paling banyak digunakan oleh perangkat IoT yang mengirim pesan singkat di kota-kota. Anda hanya dapat mengirim hingga 51 byte, tetapi Anda dapat dengan mudah mendapatkan jarak dari 2 km hingga 15 km. Itu sangat ideal untuk sensor sederhana atau perangkat IoT lainnya. Dan yang terbaik dari semuanya, gratis.

Sekarang, 2-15 tentu saja tidak cukup, tetapi jika Anda mencapai tempat yang lebih tinggi, Anda harus memiliki koneksi yang lebih baik. Dan balon kita akan sangat tinggi. Pada 10km di atas permukaan laut, kita harus mendapatkan koneksi dari 100km. Seorang teman meluncurkan HAB dengan LoRa 31km di udara dan dia mendapat ping 450km jauhnya. Jadi, itu cukup masuk akal.

Menyiapkan TTN seharusnya mudah. Anda hanya perlu membuat akun dengan email Anda dan kemudian Anda perlu mendaftarkan perangkat. Pada awalnya, Anda harus membuat aplikasi. Aplikasi adalah seluruh halaman beranda proyek. Dari sini Anda dapat mengubah kode dekoder, melihat data yang masuk dan menambah/menghapus perangkat. Hanya memilih nama dan Anda siap untuk pergi. Setelah itu selesai, Anda harus mendaftarkan perangkat di aplikasi. Anda perlu memasukkan alamat MAC dari Adafruit Feather (dengan Feather dalam kemasan). Kemudian Anda harus mengatur metode aktivasi ke ABP dan Anda harus menonaktifkan pemeriksaan penghitung bingkai. Perangkat Anda sekarang harus terdaftar di aplikasi. Salin Alamat Perangkat, Kunci Sesi Jaringan, dan kunci Sesi Aplikasi. Anda akan membutuhkannya di langkah berikutnya.

Untuk penjelasan yang lebih sehat, kunjungi tutorial ini.

Langkah 10: Pengkodean

Adafruit Feather 32U4 memiliki prosesor ATmega32U4 AVR. Artinya tidak memiliki chip terpisah untuk komunikasi USB (seperti Arduino UNO), chip tersebut disertakan dalam prosesor. Itu berarti mengunggah ke Adafruit Feather bisa menjadi sedikit lebih sulit dibandingkan dengan papan Arduino biasa, tetapi berfungsi dengan Arduino IDE jadi jika Anda mengikuti tutorial ini, itu akan baik-baik saja.

Setelah Anda menyiapkan Arduino IDE dan berhasil mengunggah sketsa "berkedip", Anda dapat beralih ke kode yang sebenarnya. Unduh "LoRa_Test.ino". Ubah Alamat Perangkat, Kunci Sesi Jaringan, dan kunci Sesi Aplikasi yang sesuai. Unggah sketsa. Pergi ke luar. Arahkan antena ke pusat kota atau ke arah gerbang terdekat. Anda sekarang akan melihat data muncul di konsol TTN. Jika tidak, komentar di bawah. Saya tidak ingin meletakkan semua yang bisa terjadi di sini, saya tidak tahu apakah server Instructables dapat menangani jumlah teks seperti itu.

Bergerak. Jika sketsa sebelumnya berhasil, Anda dapat mengunduh "Ferdinand_1.0.ino" dan mengubah hal-hal yang seharusnya Anda ubah pada sketsa sebelumnya. Sekarang uji lagi.

Jika Anda mendapatkan beberapa data HEX acak di konsol TTN, jangan khawatir, itu seharusnya dilakukan. Semua nilai dikodekan dalam HEX. Anda akan memerlukan kode dekoder yang berbeda. Unduh "decoder.txt". Salin isinya. Sekarang pergi ke konsol TTN. Buka aplikasi/format payload/decoder Anda. Sekarang hapus kode dekoder asli dan tempel di kode Anda. Anda sekarang harus melihat semua bacaan di sana.

Langkah 11: Pengujian

Sekarang ini harus menjadi bagian terpanjang dari proyek. Pengujian. Pengujian dalam semua jenis kondisi. Dalam panas yang ekstrim, stres dan dengan cahaya yang kuat (atau di luar di bawah sinar matahari) untuk meniru kondisi di sana. Ini akan memakan waktu setidaknya seminggu sehingga tidak akan ada kejutan dalam hal perilaku pelacak. Tapi itu adalah dunia yang ideal dan kami tidak punya waktu karena pelacak dibuat untuk sebuah kompetisi. Kami melakukan beberapa perubahan menit terakhir (secara harfiah seperti 40 menit sebelum peluncuran) jadi kami tidak tahu apa yang diharapkan. Itu tidak baik. Tapi Anda tahu, kami masih memenangkan kompetisi.

Anda mungkin perlu melakukan bagian ini di luar karena matahari tidak bersinar di dalam dan karena LoRa tidak akan memiliki penerimaan terbaik di kantor Anda.

Langkah 12: Beberapa Rumus Funky

Picoballoons sangat sensitif. Anda tidak bisa hanya mengisinya dengan helium dan meluncurkannya. Mereka benar-benar tidak suka itu. Mari saya jelaskan. Jika gaya apung terlalu rendah, balon tidak akan naik (jelas). TAPI, dan inilah tangkapannya, jika gaya apung terlalu tinggi, balon akan terbang terlalu tinggi, gaya pada balon akan terlalu besar dan akan meletus dan jatuh ke tanah. Itulah alasan utama mengapa Anda benar-benar ingin melakukan perhitungan ini.

Jika Anda tahu fisika sedikit, Anda tidak akan kesulitan memahami rumus di atas. Ada beberapa variabel yang perlu Anda masukkan ke dalam rumus. Ini termasuk: konstanta pengisian gas, suhu termodinamika, tekanan, massa probe dan massa balon. Jika Anda mengikuti tutorial ini dan menggunakan balon yang sama (Qualatex microfoil 36 ) dan gas pengisi yang sama (helium), satu-satunya hal yang akan benar-benar berbeda adalah massa probe.

Rumus ini kemudian akan memberi Anda: volume helium yang dibutuhkan untuk mengisi balon, kecepatan balon naik, ketinggian di mana balon terbang dan juga berat angkat bebas. Ini semua adalah nilai yang sangat berguna. Kecepatan naik itu penting agar balon tidak menabrak rintangan karena terlalu lambat dan sangat menyenangkan mengetahui seberapa tinggi balon akan terbang. Tetapi yang paling penting dari mereka mungkin adalah lift gratis. Pengangkatan gratis diperlukan saat Anda akan mengisi balon di langkah 14.

Terima kasih kepada TomasTT7 untuk bantuan dengan formula. Lihat blognya di sini.

Langkah 13: Risiko

Jadi, pelacak Anda berfungsi. Bagian omong kosong yang telah Anda kerjakan selama dua bulan benar-benar berhasil! Selamat.

Jadi mari kita tinjau risiko apa yang dapat dihadapi anak probe Anda di udara:

1) Tidak akan ada cukup sinar matahari yang mengenai panel surya. Superkapasitor akan terkuras. Probe akan berhenti bekerja.

2) Probe akan keluar dari jangkauan dan tidak ada data yang akan diterima.

3) Hembusan angin kencang akan menghancurkan probe.

4) Probe akan melewati badai selama pendakian dan hujan akan mempersingkat sirkuit.

5) Lapisan es akan terbentuk pada panel surya. Superkapasitor akan terkuras. Probe akan berhenti bekerja.

6) Bagian dari probe akan pecah di bawah tekanan mekanis.

7) Bagian dari probe akan pecah di bawah kondisi panas dan tekanan yang ekstrim.

8) Muatan elektrostatik akan terbentuk antara balon dan udara membentuk percikan api, yang akan merusak probe.

9) Probe akan tersambar petir.

10) Probe akan tertabrak pesawat.

11) Probe akan terkena burung.

12) Alien akan membajak probe Anda. Bisa terjadi terutama jika balon berada di atas area 51.

Langkah 14: Luncurkan

Jadi, itu saja. Ini hari-H dan kamu akan meluncurkan picoballoon kesayanganmu. Itu selalu baik untuk mengetahui medan dan semua kemungkinan rintangan. Anda juga harus memantau cuaca (terutama kecepatan dan arah angin) secara konstan. Dengan begitu, Anda meminimalkan kemungkinan peralatan senilai 100€ dan 2 bulan waktu Anda menabrak pohon atau dinding. Itu akan menyedihkan.

Masukkan pipa ke dalam balon. Ikat balon ke sesuatu yang berat dengan nilon. Letakkan benda yang berat di atas timbangan. Atur ulang skala. Amankan ujung pipa yang lain pada tangki helium Anda. Mulailah membuka katup secara perlahan. Anda sekarang akan melihat angka negatif pada skala. Sekarang saatnya menggunakan nilai gaya angkat bebas yang Anda hitung pada langkah 12. Matikan katup ketika angka negatif mencapai massa balon + gaya angkat bebas. Dalam kasus saya itu adalah 15g + 2.4g jadi saya mematikan katup tepat -17,4g pada skala. Lepaskan pipa. Balon itu menyegel sendiri, itu harus menyegel secara otomatis. Lepaskan ikatan benda berat dan ganti dengan probe. Anda sekarang siap untuk meluncurkan.

Lihat saja video untuk semua detailnya.

Langkah 15: Menerima Data

Ohh, saya ingat perasaan kami setelah peluncuran. Stres, frustrasi, banyak hormon. Apakah ini akan berhasil? Apakah pekerjaan kita akan sia-sia? Apakah kita baru saja menghabiskan begitu banyak uang untuk sesuatu yang tidak berhasil? Ini adalah jenis pertanyaan yang kami ajukan kepada diri kami sendiri setelah peluncuran.

Untungnya, probe merespons sekitar 20 menit setelah peluncuran. Dan kemudian kami menerima paket setiap 10 menit. Kami kehilangan kontak dengan probe pada 17:51:09 GMT. Itu bisa lebih baik, tapi masih baik-baik saja.

Langkah 16: Rencana Lebih Lanjut

Ini adalah salah satu proyek kami yang paling sulit hingga saat ini. Tidak semuanya sempurna tapi tidak apa-apa, selalu seperti itu. Itu masih sangat sukses. Pelacak bekerja dengan sempurna. Itu bisa dilakukan lebih lama tapi itu tidak masalah. Dan, kami berakhir di urutan kedua dalam kompetisi Picoballoon. Sekarang Anda mungkin mengatakan bahwa menjadi yang kedua dalam kontes dengan 17 orang tidak begitu sukses TETAPI perlu diingat bahwa ini adalah kontes rekayasa/konstruksi dewasa. Kami berusia 14 tahun. Yang kami lawan adalah orang dewasa dengan latar belakang teknik dan bahkan mungkin kedirgantaraan dan dengan lebih banyak pengalaman. Jadi ya, secara keseluruhan, saya akan mengatakan bahwa itu adalah sukses besar. Kami mendapat € 200, yang kira-kira dua kali lipat dari pengeluaran kami.

Saya pasti akan membangun versi 2.0. Ini akan menjadi jauh lebih baik, dengan komponen yang lebih kecil (prosesor barebone, RFM95) dan akan lebih andal, jadi tetap ikuti petunjuk selanjutnya.

Tujuan utama kami sekarang adalah memenangkan kontes Epilog X. Rekan pembuat, jika Anda menyukai instruksi ini, silakan pertimbangkan untuk memilihnya. Itu akan sangat membantu kami. Terima kasih banyak!

Runner Up dalam Kontes Epilog X