PyonAir - un monitor de poluare a aerului cu sursă deschisă: 10 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:42

PyonAir este un sistem low-cost pentru monitorizarea nivelurilor locale de poluare a aerului - în special, a particulelor. Bazat pe placa Pycom LoPy4 și hardware compatibil Grove, sistemul poate transmite date atât prin LoRa, cât și prin WiFi.

Am întreprins acest proiect la Universitatea din Southampton, lucrând într-o echipă de cercetători. Responsabilitatea mea principală a fost proiectarea și dezvoltarea PCB-ului. Aceasta a fost prima dată când foloseam Eagle, deci a fost cu siguranță o experiență de învățare!

Scopul proiectului PyonAir este de a implementa o rețea de monitoare de poluare IoT cu costuri reduse care ne va permite să adunăm informații cruciale despre distribuția și cauzele poluării aerului. În timp ce există multe monitoare de poluare pe piață, majoritatea oferă doar „Indicele calității aerului”, mai degrabă decât date brute PM - în special la prețuri accesibile. Făcând proiectul open-source, cu instrucțiuni de configurare ușoare, sperăm să facem dispozitivul PyonAir accesibil oricui este interesat de calitatea aerului, fie personal, fie profesional. De exemplu, acest dispozitiv poate fi utilizat pentru a colecta date pentru proiecte studențești, doctoranzi și părți independente, făcând mult mai ușor de realizat cercetarea vitală care are reputația de a crește costurile. Proiectul poate fi, de asemenea, utilizat în scopuri de informare, comunicând cu membrii publicului despre calitatea aerului local și pașii care pot fi luați pentru îmbunătățirea acestuia.

Obiectivele noastre de simplitate și ușurință în utilizare au inspirat decizia noastră de a folosi sistemul Grove ca coloană vertebrală a designului nostru. Gama largă de module compatibile va permite utilizatorilor sistemului să personalizeze dispozitivul PyonAir în funcție de nevoile lor, fără a fi obligați să reproiecteze hardware-ul fundamental. Între timp, LoPy4 al Pycom oferă mai multe opțiuni pentru comunicații wireless într-un singur pachet elegant.

În acest instructable, voi descrie călătoria de proiectare și pașii pentru fabricarea PCB-ului, urmate de instrucțiuni despre cum să asamblați unitatea PyonAir completă.

Provizii

Componente:

• LoPy4: Placă principală (https://pycom.io/product/lopy4/)
• PyonAirPCB: Conexiune ușoară la senzorii Grove
• Plantower PMS5003: Senzor de poluare a aerului (https://shop.pimoroni.com/products/pms5003-particu…
• Sensirion SPS30: senzor de poluare a aerului (https://www.mouser.co.uk/ProductDetail/Sensirion/SPS30?qs=lc2O%252bfHJPVbEPY0RBeZmPA==)
• Senzor SHT35: Senzor de temperatură și umiditate (https://www.seeedstudio.com/Grove-I2C-High-Accurac…
• Ceas în timp real: unitate de ceas de rezervă (https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/hardware/…
• Modul GPS: receptor GPS pentru timp și locație (https://www.seeedstudio.com/Grove-GPS-Module.html)
• Cabluri Grove:
• Antena Pycom: capacitate LoRa (https://pycom.io/product/lora-868mhz-915mhz-sigfox…
• Card microSD
• Alimentare: Alimentare primară (Recomandat:
• Carcasă: IP66 115x90x65 mm cutie ABS rezistentă la intemperii (https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t…

Instrumente:

• Ciocan de lipit
• Multimetru
• Șurubelniță mică
• Cablu FTDI (opțional):

Pasul 1: Despre PCB

Conectorii Grove sunt un standard din ce în ce mai popular în ecosistemul electronic al pasionaților. Conectorii plug-and-play fac ca atașarea și schimbarea unei game largi de module să fie ușoară și rapidă, fără a fi nevoie să resoldați îmbinările.

Între timp, placa LoPy4 a Pycom a fost selectată ca microcontroler principal pentru PyonAir, deoarece oferă 4 moduri de comunicații fără fir: LoRa, Sigfox, WiFi și Bluetooth și este programată folosind MicroPython.

Arduino și Raspberry Pi acceptă deja ecranele de conectare Grove, dar niciunul nu fusese încă lansat pentru sistemul Pycom. Prin urmare, am proiectat propria noastră placă de expansiune PCB, care se potrivește pe placa LoPy4. PCB conține:

• 2 prize I2C (senzor de temperatură și RTC)
• 3 prize UART (2x senzor PM și GPS)
• Pinii pentru date USB
• Circuite cu tranzistor pentru controlul puterii senzorilor PM
• Un circuit de tranzistor pentru controlul puterii receptorului GPS
• Slot micro SD
• Buton utilizator
• Conectori de intrare de alimentare (butoi, JST sau terminal cu șurub)
• Regulator de voltaj

Pasul 2: PCB V1-V3

PCB V1

Prima mea încercare la PCB s-a bazat pe un concept „shim”, unde un PCB subțire s-ar încadra între placa LoPy și o placă de expansiune Pycom, cum ar fi Pytrack (vezi desenul CAD). Ca atare, nu existau găuri de montare și placa era foarte simplă, având doar conectori și o pereche de tranzistori pentru pornirea sau oprirea senzorilor PM.

Pentru a fi sincer, a existat o greșeală la acest forum:

• Urmele erau mult prea subțiri
• Niciun avion de sol
• Orientări ciudate ale tranzistorilor
• Spațiu neutilizat
• Eticheta versiunii a fost scrisă într-un strat de pistă, nu în serigrafie

PCB V2

Prin V2, devenise evident că aveam nevoie de PyonAir pentru a funcționa fără o placă de expansiune, astfel încât intrările de alimentare, un terminal UART și un slot SD au fost adăugate la proiectare.

Probleme:

• Urmele au traversat zonele orificiului de montare
• Fără ghid de orientare LoPy
• Orientare incorectă a mufului cilindric DC

PCB V3

Au fost făcute modificări relativ minore între V2 și V3 - în principal corecții la problemele de mai sus.

Pasul 3: PCB V4

V4 a prezentat o reproiectare completă a întregului PCB, în care au fost făcute următoarele modificări:

• Aproape fiecare componentă poate fi lipită manual sau pre-asamblată folosind PCBA
• Montarea găurilor la colțuri
• Componente grupate în zone „Permanent”, „Putere” și „Utilizator”

• Etichete pentru:

  • Gama de tensiune de intrare
  • Link de documentare
  • Locație LED LoPy
• 2 opțiuni pentru suport SD
• Tampoane de testare
• Mufa cilindrică DC poate fi montată deasupra sau dedesubtul plăcii
• Rutare mai bună
• Componente ambalate mai eficient
• Au fost adăugate rânduri de antet feminin mai lungi, astfel încât un utilizator să poată folosi 4x anteturi cu 8 pini, în loc de 2 perechi de anteturi cu 8 pini și 6 pini, făcându-l puțin mai ieftin.

Pasul 4: PCB V5

Versiunea finală

Aceste ultime ajustări au fost făcute la V5 înainte ca acesta să fie trimis pentru fabricarea PCBA de către Seeed Studio:

• Rutare chiar mai ordonată
• Poziționare îmbunătățită a etichetei
• Link actualizat pentru site-ul web
• Tampoane de serigrafie pentru etichetarea PCB-urilor în timpul testării
• Colțuri mai rotunjite (pentru a se potrivi mai bine în incinta selectată)
• Lungimea ajustată a PCB-ului pentru a se potrivi șinelor carcasei

Pasul 5: Cum să vă faceți propriul: PCBA

Dacă intenționați să fabricați mai puțin de 5 PCB-uri, consultați în schimb „Cum să vă creați propriul: lipire manuală” (pasul următor).

Comandă PCBA de la Seeed Studio

1. Conectați-vă sau creați un cont la
2. Faceți clic pe „Comandați acum”.
3. Încărcați fișiere Gerber.
4. Reglați setările (cantitatea PCB și finisarea suprafeței: HASL fără plumb).
5. Adăugați desen asamblare și alegeți și plasați fișierul.
6. Selectați cantitatea PCBA.
7. Adăugați BOM. (N. B.: Dacă doriți să evitați lipirea personală și nu vă deranjează așteptarea mai lungă, puteți adăuga regulatorul de tensiune TSRN 1-2450 la distanța de sarcină.
8. Adaugă în coș și comandă!

Vă rugăm să vizitați: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… pentru fișierele necesare.

Lipirea regulatorului de tensiune

Singura parte care necesită lipire atunci când se utilizează serviciul PCBA al Seeed este regulatorul de tensiune TSRN 1-2450. Așa cum s-a menționat mai sus, puteți include acest lucru în BOM-ul ansamblului, dar poate adăuga mult mai mult timp la comandă.

Dacă sunteți fericit să-l lipiți manual, pur și simplu adăugați regulatorul în locul indicat de serigrafie, asigurându-vă că orientarea este corectă. Punctul alb de pe serigrafie trebuie să se alinieze cu punctul alb de pe regulator (vezi imaginea).

Pasul 6: Cum să vă faceți propriul: lipirea manuală

Dacă intenționați să fabricați un număr mare de PCB-uri, consultați „Cum să vă creați propriul: PCBA” (pasul anterior).

Comandarea PCB-urilor

Puteți achiziționa PCB-uri de pe multe site-uri web, inclusiv Seeed Studio, iar unele pot livra în mai puțin de o săptămână. Am folosit Seeed Fusion, dar acești pași ar trebui să fie foarte asemănători cu alte site-uri.

1. Conectați-vă sau creați un cont la
2. Faceți clic pe „Comandați acum”.
3. Încărcați fișiere Gerber.
4. Reglați setările (cantitatea PCB și finisarea suprafeței: HASL fără plumb)
5. Adaugă în coș și comandă!

Vă rugăm să vizitați: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… pentru fișierele necesare.

Comandarea pieselor

Deoarece placa are tampoane suplimentare pentru opțiunile de montare SMD / prin gaură, nu este nevoie să completați fiecare parte. Dacă lipiți manual, este mai ușor să evitați toate SMD-urile prin popularea plăcii în conformitate cu tabelul prezentat în imagini.

N. B. Dacă sunteți încrezător cu un fier de lipit, este mai eficient din punct de vedere spațial și mai ieftin să utilizați un slot Micro SD de montare pe suprafață în loc de antetul cu 8 pini + placa de rupere.

Pasul 7: Cum să vă faceți propriul: Asamblare

Modificări ale cablului Grove

Pentru a vă conecta senzorii PM la conectorii de grove, va trebui să împingeți cablurile senzorului pe cablurile de grove, așa cum se arată în imaginea de mai sus. Puteți face acest lucru folosind fie sertizări, fie lipire și termocontractare. În funcție de senzorul pe care îl utilizați, va trebui să vă asigurați că pinout-ul se potrivește cu intrările la PCB.

Etape de asamblare

1. Alegeți una dintre intrările de putere pe care doriți să o utilizați (mufa baril / JST / borna cu șurub) și conectați alimentarea corespunzătoare.
2. Folosiți un multimetru pentru a verifica tampoanele de testare V_IN și 5V de pe partea din spate a PCB-ului.
3. Când vă bucurați că placa este alimentată corect, scoateți sursa de alimentare. (Dacă nu încercați o sursă de alimentare alternativă)
4. Conectați LoPy4 la anteturile cu 16 pini, asigurându-vă că LED-ul se află în partea de sus (așa cum se arată pe ecranul de serigrafie). Cele 4 găuri inferioare din capete sunt neutilizate.
5. Conectați fiecare dintre dispozitivele Grove la prizele potrivite de pe PCB.
6. Conectați cardul micro SD.
7. Reconectați sursa de alimentare. LED-urile de pe LoPy4 și GPS ar trebui să se aprindă.
8. Folosiți un multimetru pentru a verifica tampoanele de test rămase pe spatele PCB-ului.
9. PyonAir-ul dvs. ar trebui să fie acum gata de programare!

N. B. Asigurați-vă că goliți cardul SD și îl formatați ca FAT32 înainte de al conecta la placă.

AVERTISMENT: Conectați doar o singură sursă de alimentare la un moment dat. Conectarea mai multor consumabile în același timp poate duce la scurtcircuitarea bateriei sau la rețea!

Pasul 8: Cum să vă faceți propriul: Software

Pentru dezvoltarea software-ului nostru, am folosit Atom și pymakr. Ambele sunt open-source și ar trebui să funcționeze pe majoritatea computerelor. Vă recomandăm să le instalați înainte de a descărca codul pentru placa LoPy4.

Pycom recomandă actualizarea firmware-ului dispozitivelor lor înainte de a încerca să le utilizeze. Instrucțiuni complete despre cum se face acest lucru pot fi găsite aici:

Instalare

1. Pentru a pune în funcțiune dispozitivul dvs. senzor PM, descărcați cea mai recentă versiune a codului nostru de pe GitHub: https://github.com/pyonair/PyonAir-pycom Asigurați-vă că extrageți toate fișierele într-o locație convenabilă de pe computer sau laptop și evitați redenumirea oricărui fișier.
2. Deschideți Atom și închideți toate fișierele curente făcând clic dreapta pe folderul de nivel superior și făcând clic pe „Remove Project Folder” din meniul care apare.
3. Accesați Fișier> Deschideți folderul și selectați folderul „lopy”. Toate fișierele și folderele conținute ar trebui să apară în panoul „Proiect” din stânga în Atom.
4. Conectați PCB-ul PyonAir la computer sau laptop folosind un cablu FTDI-USB și pinii RX, TX și GND de pe antet în partea dreaptă a plăcii.
5. Placa ar trebui să apară în Atom și să se conecteze automat.
6. Pentru a încărca codul, faceți clic pe butonul „Încărcați” din panoul de jos. Procesul poate dura câteva minute, în funcție de câte fișiere trebuie eliminate și instalate. Odată ce încărcarea a reușit, apăsați Ctrl + c pe tastatură pentru a opri codul, apoi deconectați cablul FTDI-USB.

Configurare

Când configurați un dispozitiv nou pentru prima dată sau dacă doriți să modificați setările, va trebui să îl configurați prin WiFi.

1. Scoateți monitorul de poluare a aerului din orice caz, astfel încât să puteți accesa butonul utilizator.
2. Pregătiți un telefon sau computer care se poate conecta la rețelele WiFi locale.
3. Alimentați dispozitivul PyonAir.
4. La configurarea dispozitivului pentru prima dată, acesta ar trebui să treacă automat în modul de configurare, indicat de LED-ul albastru intermitent. În caz contrar, apăsați și țineți apăsat butonul utilizator de pe placa de priză Grove (etichetată CONFIG) timp de 3 secunde. LED-ul RGB ar trebui să devină albastru continuu.
5. Conectați-vă la WiFi-ul dispozitivului PyonAir. (Acesta va fi denumit „NewPyonAir” sau orice alt nume ați numit anterior dispozitivul.) Parola este „newpyonair”.
6. Introduceți https://192.168.4.10/ în browserul dvs. web. Ar trebui să apară pagina de configurare.
7. Completați toate câmpurile obligatorii din pagină și faceți clic pe „Salvați” când ați terminat. (Va trebui să furnizați detaliile conexiunii la LoRa și WiFi, să atribuiți un ID unic fiecărui senzor și să specificați preferințele dvs. în ceea ce privește achiziția de date.)
8. Dispozitivul PyonAir ar trebui să repornească acum și va utiliza setările pe care le-ați furnizat.

Pentru a vă conecta dispozitivul la LoRa, înregistrați-l prin The Things Network. Creați un dispozitiv nou cu dispozitivul EUI afișat în pagina de configurare și copiați aplicația EUI și cheia aplicației din TTN în configurații.

Pybytes este hub-ul IoT online al Pycom, prin intermediul căruia puteți actualiza firmware-ul, efectua actualizări OTA și vizualiza date de pe dispozitivele conectate. Mai întâi, va trebui să vă conectați sau să creați un cont aici: https://pyauth.pybytes.pycom.io/login, apoi urmați pașii pentru a înregistra un dispozitiv nou.

Testarea

Cel mai simplu mod de a testa dacă monitorul dvs. de poluare a aerului funcționează corect este utilizarea unui cablu FTDI-USB și a anteturilor pin RX, TX și GND de pe placa Grove Socket. Conectarea dispozitivului în acest mod vă permite să vizualizați toate mesajele și citirile din Atom.

LED-ul RGB de pe placa LoPy arată starea plăcii:

• Inițializare = Chihlimbar
• Initializarea a reușit = Semaforul verde clipește de două ori
• Nu se poate accesa cardul SD = Lumina roșie clipește imediat după pornire
• Altă problemă = Lumină roșie intermitentă în timpul inițializării
• Erori de execuție = roșu intermitent

În mod implicit, datele de pe PyonAir vor fi trimise către serverul Universității din Southampton. Puteți edita codul înainte de a implementa dispozitivul pentru al redirecționa către o locație la alegere.

Pasul 9: Cum să vă personalizați: implementarea

Acum că monitorul dvs. de poluare a aerului este complet configurat, ar trebui să fiți gata să implementați dispozitivul!

Sfaturi de caz

Cazul pe care l-am selectat pentru dispozitivele noastre a fost: https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t… Cu toate acestea, nu ezitați să achiziționați o carcasă diferită sau să vă proiectați propria. Fișierele SolidWorks pentru majoritatea componentelor hardware pe care le-am folosit sunt furnizate în secțiunea Informații suplimentare, pentru a ajuta la proiectarea carcaselor personalizate. O metodă propusă de aranjare a senzorilor și tăierea găurilor în carcasă este, de asemenea, prezentată în imaginea de mai sus.

Amintiți-vă că cazul dvs. ar trebui:

• Protejați aparatele electronice de apă și praf
• Permiteți montarea dispozitivului la fața locului
• Permiteți aerului să ajungă la senzorii PM
• Împiedicați supraîncălzirea electronice
• Țineți componentele electronice în interiorul carcasei

Sfat de localizare

O locație ideală de implementare va îndeplini următoarele criterii:

• Într-o regiune de interes pentru poluarea aerului
• În afara razelor solare directe
• În raza de acțiune a unui gateway LoRa
• În raza de acțiune a WiFi-ului
• Aproape de o sursă de alimentare
• Puncte de montare sigure
• Capabil să primească semnale GPS

Pasul 10: Fișiere și credite

Toate fișierele de care ar trebui să aveți nevoie pentru a vă crea propriul PyonAir complet pot fi găsite la: https://su-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… (Fișierele Zip nu pot fi încărcate în Instructables, scuze!) Gitbook include, de asemenea, informații suplimentare despre hardware și software.

credite

Proiect supravegheat de Dr. Steven J Ossont, Dr. Phil Basford și Florentin Bulot

Cod de Daneil Hausner și Peter Varga

Proiectarea și instrucțiunile circuitului de Hazel Mitchell