高海拔气球跟踪器的制作图解

第1步：原则

因此，在构建这样的设备时，有许多变化和选择，但每个跟踪器都需要一个发射器和一个电源。大多数跟踪器可能包含这些组件：

- 太阳能电池板

- 电池（脂肪或超级电容器）

- 处理器/微控制器

- GPS模块

- 传感器/s（温度，湿度，压力，紫外线，太阳辐射。..。..）

- 发射器（433MHz，LoRa，WSPR，APRS，LoRaWAN，铱）

如您所见，您可以使用许多传感器和变送器。你使用什么传感器取决于你。它并不重要，但最常见的是温度和压力传感器。但是，选择发射器要困难得多。每种技术都有一些优点和缺点。我不会在这里分解，因为这是一个很长的讨论。重要的是我选择了LoRaWAN并且我认为它是最好的（因为我还没有机会测试其他人）。我知道LoRaWAN可能是最好的报道。

第2步：需要的部分

所以，你需要这些这个项目的事情：

Adafruit羽毛32u4 RFM95

Ublox MAX M8Q（最后我们没有使用它）

BME280温度/湿度/压力传感器

2xSupercapacitor 4.7F 2.7V

输出电压为5V的太阳能电池板

自定义PCB

如果您自己启动，您还需要：

至少0.1立方米的氦气（搜索：“15个气球的氦气罐”）在当地购买

Qualatex 36“自密封铝箔气囊

预计项目成本：80欧元（仅限跟踪器）/100欧元（包括气球和氦气）

第3步：推荐工具

这些工具可以派上用场：

剥线器

烙铁

SMD烙铁

钳子

螺丝刀

胶枪

万用表

显微镜

热风枪

您还需要焊膏。

第4步：Adafruit羽毛32U4

我们很难为气球选择合适的微控制器。 Adafruit Feather最适合这份工作。它符合所有要求的标准：

1）它具有所有必需的引脚：SDA/SCL，RX/TX，数字，模拟

2）它具有RFM95 LoRa发送器。

3）它很轻巧。它的质量仅为5.5g。

4）在睡眠模式下（仅30uA）它具有非常低的功耗。

因此，我们认为Adafruit羽毛是最佳微控制器。

步骤5：PCB设计与制造

我真的很抱歉我会告诉你的。我们需要制作定制PCB。这将是艰难和令人沮丧的，但这是必要的，所以让我们开始吧。另外，要正确理解以下文本，您应该阅读Instructables这个非常棒的PCB设计类。

因此，首先您需要制作原理图。我在Autodesk的EAGLE PCB设计软件中制作了原理图和电路板。它是免费的，所以请下载它！

这是我第一次设计PCB，我可以告诉你，这一切都是为了让Eagle接口挂起来。我在6个小时内设计了我的第一块板子，但是我的第二块板子花了不到一个小时。这是结果。我会说一个非常好的原理图和一块板。

准备好电路板文件后，需要创建gerber文件并将其发送给制造商。我从jlcpcb.com订购了我的主板，但你可以选择你喜欢的任何其他制造商。我将PCB厚度设置为0.8mm而不是标准的1.6mm，因为电路板需要很轻。您可以在屏幕截图中查看我对JLC PCB的设置。

如果您不想下载Eagle，可以下载“Ferdinand 1.0.zip”并将其上传到JLC PCB。

当您订购PCB时，只需坐在椅子上舒适地等待两周，然后再到达。然后我们可以继续。

注意：您可以注意到原理图与实际电路板略有不同。那是因为我注意到裸BME280 IC难以焊接，因此我更改了原理图以进行突破。

步骤6：SMD焊接

另一个令人遗憾的消息：SMD焊接并不容易。现在真的，它很难受。愿主与你同在。但本教程应该有所帮助。您可以使用烙铁和焊锡芯，焊膏和热风枪进行焊接。这些方法对我来说都不够方便。但是你应该在一小时内完成。

根据PCB上的丝印或原理图放置组件。

步骤7：焊接

SMD焊接完成后，其余的焊接工作基本上是小菜一碟。几乎。你可能以前焊过了，我希望你再次焊接。你只需要焊接Adafruit羽毛，天线，太阳能电池板和超级电容器。我会说非常简单。

根据PCB上的丝印或原理图放置组件。

步骤8：完成跟踪器

这是完整跟踪器的外观。奇怪的。尼斯。有趣。这些是我马上想到的话。现在你只需要刷新代码并测试它是否正常工作。

步骤9：TTN设置

物联网是以全球城市为中心的社区LoRaWAN网络。超过6887个网关（接收器）启动并运行它是世界上最大的全球物联网网络。它使用LoRa（长距离）通信协议，通常频率为868（欧洲，俄罗斯）或915MHz（美国，印度）。物联网设备在城市中发送短消息的应用最为广泛。您最多只能发送51个字节，但您可以轻松获得2km到15km的范围。这对于简单的传感器或其他物联网设备来说是理想的选择。最重要的是，它是免费的。

现在，2-15肯定是不够的，但如果你达到更高的地位，你应该有更好的联系。我们的气球会非常高。在海平面以上10公里处，我们应该从100公里处获得连接。一位朋友在空中飞行了31公里的LoRa，他在450公里外开了一个地方。所以，这是非常合理的。

设置TTN应该很容易。您只需要使用电子邮件创建一个帐户，然后您需要注册该设备。首先，您必须创建一个应用程序。应用程序是整个项目主页。从这里，您可以更改解码器代码，查看传入数据和添加/删除设备。只要选一个名字就可以了。完成后，您必须在应用程序中注册设备。您需要输入Adafruit羽毛的MAC地址（包装中有羽毛）。然后你应该将激活方法设置为ABP，你应该禁用帧计数器检查。您的设备现在应该在应用程序中注册。复制设备地址，网络会话密钥和应用会话密钥。您将在下一步中使用它们。

有关更健康的解释，请访问本教程。

步骤10：编码

Adafruit羽毛32U4配有ATmega32U4 AVR处理器。这意味着它没有单独的USB通信芯片（如Arduino UNO），芯片包含在处理器中。这意味着与典型的Arduino板相比，上传到Adafruit Feather可能会有点困难，但它适用于Arduino IDE，因此如果您按照本教程进行操作就应该没问题。

设置完Arduino IDE之后并成功上传“blink”草图，您可以移动到实际代码。下载“LoRa_Test.ino”。相应地更改设备地址，网络会话密钥和应用会话密钥。上传草图。出去。将天线指向市中心或最近的网关方向。您现在应该看到TTN控制台上弹出的数据。如果没有，请在下面评论。我不想把所有可能发生的事情都放在这里，我不知道Instructables服务器是否可以处理这样的大量文本。

继续前进。如果上一个草图有效，您可以下载“Ferdinand_1.0.ino”并更改上一个草图中您应该更改的内容。现在再试一次。

如果你在TTN控制台上获得一些随机的HEX数据，不要担心，它应该这样做。所有值都以HEX编码。您将需要不同的解码器代码。下载“decoder.txt”。复制它的内容。现在去TTN控制台。转到您的应用程序/有效负载格式/解码器。现在删除原始解码器代码并粘贴到您的代码中。您现在应该看到所有读数。

步骤11：测试

现在这应该是项目中最长的部分。测试。在各种条件下进行测试。在极端高温，压力和强光（或在太阳外面）模仿那里的条件。这应该至少花费一周时间，因此在跟踪器行为方面不会出现意外。但这是一个理想的世界，我们没有那段时间，因为追踪器是为比赛而建的。我们做了一些最后一分钟的修改（字面意思是发布前40分钟）所以我们不知道会发生什么。这不太好。但是你知道，我们仍然赢得了比赛。

你可能需要在外面做这个部分，因为太阳没有在里面照射，因为LoRa在你的办公室里没有最好的接收。

第12步：一些时髦的公式

Picoballoons非常敏感。你不能只用氦气填充它们并启动它们。他们真的不喜欢那样。让我解释。如果浮力太低，气球就不会上升（显然）。但是，这就是问题，如果浮力过高，气球飞得太高，气球上的力就会太大，它会弹出并落在地上。这就是你真正想要进行这些计算的主要原因。

如果你对物理学有所了解，那么理解上面的公式应该没有问题。您需要在公式中输入一些变量。这包括：填充气体常数，热力学温度，压力，探针质量和球囊质量。如果您按照本教程使用相同的气球（Qualatex microfoil 36“）和相同的填充气体（氦气），实际上唯一不同的是探针的质量。

这些公式应该给出你：填充气球所需的氦气量，气球上升的速度，气球飞行的高度以及自由升力的重量。这些都是非常有用的值。上升的速度很重要所以气球没有碰到障碍物，因为它太慢了，知道气球飞得多高真的很好。但最重要的可能是自由升力。当你在步骤14中填充气球时需要自由升力。

感谢TomasTT7提供有关公式的帮助。请查看他的博客。

第13步：风险

所以，你的跟踪工作。你已经工作了两个月的那块狗屎真的有效！祝贺。

那么让我们回顾一下你的探究孩子在a中遇到的风险ir：

1）没有足够的阳光照射太阳能电池板。超级电容器将耗尽。探针将停止工作。

2）探头将超出范围，不会收到任何数据。

3）强阵风会破坏探头。

4）探头将通过在上升和下雨期间的风暴会使电路短路。

5）太阳能电池板上会形成冰涂层。超级电容器将耗尽。探头将停止工作。

6）部分探头会在机械应力下断裂。

7）部分探头在极端高温和高压条件下会断裂。

8）气球和空气之间会形成静电，形成火花，这会损坏探头。

9）探头会受到雷击。

10）探测器将被飞机击中。

11）探测器将被一只鸟击中。

12）外星人将劫持你的探测器。特别是如果气球将在51区域之上，就会发生。

步骤14：启动！

所以，就是这样。这是D日，你将推出你心爱的picoballoon。了解地形和所有可能的障碍总是好的。此外，您必须不断监测天气（主要是风速和风向）。这样，您可以最大限度地减少100欧元的设备和2个月的时间撞到树上或墙上的可能性。那太可悲了。

在气球中插入一根管子。用尼龙将气球绑在重物上。把重物放在一个秤上。重置比例。将管道的另一端固定在氦气罐上。开始慢慢打开阀门。您现在应该在比例尺上看到负数。现在是时候使用您在步骤12中计算的自由升程值。当负数达到气球质量+自由升力时关闭阀门。在我的情况下，它是15克+ 2.4克，所以我在秤上准确地关闭阀门-17.4克。拆下管道。气球是自密封的，应自动密封。解开重物并用探头更换。您现在已准备好发布。

只需观看视频即可查看所有详细信息。

步骤15：接收数据

哦，我记得发射后的感觉。压力，挫折，激素很多。它会起作用吗？我们的工作会毫无价值吗？我们只是花了那么多钱在一些不起作用的东西上吗？这些是我们在发布后问自己的问题。

幸运的是，探测器在发布后约20分钟响应。然后我们每10分钟收到一个数据包。我们在格林威治标准时间17:51:09失去了与探测器的联系。它可能会更好，但它仍然很好。

第16步：进一步计划

这是我们迄今为止最困难的项目之一。并非一切都很完美，但没关系，它总是那样。它仍然非常成功。跟踪器完美无瑕地工作。它可能已经做了很长时间但是没关系。而且，我们在Picoballoon比赛中获得第二名。现在你可能会说在与17人的比赛中排名第二并不是那么成功但请记住这是一场成人工程/建筑比赛。我们14岁。我们与之竞争的是成年人，他们具有工程学，甚至可能具有航空航天背景，并且拥有更多的经验。所以，总的来说，我会说这是一个巨大的成功。我们得到200欧元，这大约是我们费用的两倍。