PyonAir - monitor zagađenja zraka s otvorenim kodom: 10 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:33

PyonAir je jeftin sustav za praćenje lokalnih razina onečišćenja zraka - konkretno, čestica. Temeljen na ploči Pycom LoPy4 i hardveru kompatibilnom s Groveom, sustav može prenositi podatke i preko LoRa-e i WiFi-a.

Ovaj sam projekt poduzeo na Sveučilištu Southampton, radeći u timu istraživača. Moja primarna odgovornost bila je projektiranje i razvoj PCB -a. Ovo je bio moj prvi put da koristim Eagle pa je to definitivno bilo iskustvo učenja!

Cilj PyonAir projekta je uspostaviti mrežu jeftinih, IoT monitora zagađenja koji će nam omogućiti prikupljanje ključnih informacija o distribuciji i uzrocima zagađenja zraka. Iako na tržištu postoji mnogo monitora zagađenja, većina nudi samo "Indeks kvalitete zraka", a ne sirove podatke o PM -u - osobito po pristupačnim cijenama. Učinivši projekt otvorenim kodom, s jednostavnim uputama za postavljanje, nadamo se da ćemo PyonAir uređaj učiniti dostupnim svima koji su osobno ili profesionalno zainteresirani za kvalitetu zraka. Na primjer, ovaj uređaj može se koristiti za prikupljanje podataka o studentskim projektima, doktoratima i neovisnim stranama, čineći vitalno istraživanje koje ima reputaciju visokih troškova mnogo dostupnijim. Projekt se također može koristiti u terenske svrhe, komunicirajući s građanima o njihovoj lokalnoj kvaliteti zraka i koracima koji se mogu poduzeti kako bi se poboljšala.

Naši ciljevi jednostavnosti i lakoće uporabe inspirirali su našu odluku da upotrijebimo sustav Grove kao okosnicu našeg dizajna. Širok raspon kompatibilnih modula omogućit će korisnicima sustava da prilagode PyonAir uređaj svojim potrebama, bez prisile na redizajn temeljnog hardvera. U međuvremenu, Pycom -ov LoPy4 nudi više opcija za bežičnu komunikaciju u jednom, urednom paketu.

U ovom uputstvu opisat ću putovanje dizajna i korake za proizvodnju PCB -a, nakon čega slijede upute o tome kako sastaviti cijelu jedinicu PyonAir.

Pribor

Komponente:

• LoPy4: Glavna ploča (https://pycom.io/product/lopy4/)
• PyonAirPCB: Jednostavno povezivanje s Grove senzorima
• Plantower PMS5003: Senzor zagađenja zraka (https://shop.pimoroni.com/products/pms5003-particu…
• Sensirion SPS30: Senzor zagađenja zraka (https://www.mouser.co.uk/ProductDetail/Sensirion/SPS30?qs=lc2O%252bfHJPVbEPY0RBeZmPA==)
• Senzor SHT35: Senzor temperature i vlage (https://www.seeedstudio.com/Grove-I2C-High-Accurac…
• Sat u stvarnom vremenu: Rezervna jedinica sata (https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/hardware/…
• GPS modul: GPS prijamnik za vrijeme i lokaciju (https://www.seeedstudio.com/Grove-GPS-Module.html)
• Grove kablovi:
• Pycom antena: mogućnost LoRa (https://pycom.io/product/lora-868mhz-915mhz-sigfox…
• MicroSD kartica
• Napajanje: Primarno napajanje (preporučeno:
• Kućište: IP66 115x90x65 mm ABS kutija otporna na vremenske uvjete (https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t…

Alati:

• Lemilica
• Multimetar
• Mali odvijač
• FTDI kabel (izborno):

Korak 1: O PCB -u

Konektori Grove sve su popularniji standard u ekosustavu elektronike za ljubitelje. Plug-and-play konektori omogućuju jednostavno i brzo postavljanje i zamjenu širokog raspona modula, bez potrebe za ponovnim lemljenjem spojeva.

U međuvremenu, Pycom -ova LoPy4 ploča odabrana je kao glavni mikrokontroler za PyonAir jer nudi 4 načina bežične komunikacije: LoRa, Sigfox, WiFi i Bluetooth i programirana je pomoću MicroPythona.

Arduino i Raspberry Pi već podržavaju štitove Grove konektora, ali još nijedan nije objavljen za Pycom sustav. Stoga smo dizajnirali vlastitu PCB ploču za proširenje koja se uklapa u ploču LoPy4. PCB sadrži:

• 2 I2C utičnice (osjetnik temperature i RTC)
• 3 UART utičnice (2x PM senzor i GPS)
• Igle za USB podatke
• Tranzistorski krugovi za kontrolu napajanja PM senzora
• Tranzistorski krug za upravljanje napajanjem GPS prijamnika
• Utor za Micro SD
• Korisnički gumb
• Ulazni priključci za napajanje (cijev, JST ili vijčani terminal)
• Regulator napona

Korak 2: PCB V1-V3

PCB V1

Moj prvi pokušaj na PCB -u temeljio se na "shim" konceptu, gdje bi tanka PCB stala između LoPy ploče i Pycom ploče za proširenje, poput Pytracka (vidi CAD crtež). Kao takva, nije bilo rupa za montažu, a ploča je bila vrlo osnovna, sadržavala je samo konektore i par tranzistora za uključivanje ili isključivanje PM senzora.

Da budem iskren, s ovom pločom nije bilo puno u redu:

• Tragovi su bili pretanki
• Nema ravnine tla
• Čudne orijentacije tranzistora
• Neiskorišteni prostor
• Oznaka verzije napisana je u sloju zapisa, a ne na sitotisku

PCB V2

Do V2 postalo je očito da nam je PyonAir potreban za rad bez ploče za proširenje, pa su dizajnu dodani ulazi za napajanje, UART terminal i SD utor.

Pitanja:

• Gusjenice su prešle zone montažnih rupa
• Nema LoPy orijentacijskog vodiča
• Neispravna orijentacija priključnice istosmjerne cijevi

PCB V3

Relativno su male izmjene napravljene između V2 i V3 - uglavnom ispravci gornjih pitanja.

Korak 3: PCB V4

V4 predstavio je potpuni redizajn cijele PCB -a, u kojem su napravljene sljedeće promjene:

• Gotovo svaka komponenta može se lemiti ručno ili prethodno sastaviti pomoću PCBA
• Montažne rupe na uglovima
• Komponente grupirane u "Stalne", "Napajanje" i "Korisničke" zone

• Oznake za:

  • Raspon ulaznog napona
  • Veza na dokumentaciju
  • LoPy LED lokacija
• 2 mogućnosti SD držača
• Jastučići za testiranje
• DC utičnica može se montirati na vrh ili ispod ploče
• Bolje usmjeravanje
• Učinkovitije pakirane komponente
• Dodani su duži redovi ženskih zaglavlja, pa bi korisnik mogao koristiti 4x 8-pinska zaglavlja, umjesto 2 para 8-pinskih i 6-pinskih zaglavlja, što bi učinilo nešto jeftinijim.

Korak 4: PCB V5

Konačna verzija

Zadnjih nekoliko prilagodbi napravljeno je na V5 prije nego što ga je Seeed Studio dostavio za proizvodnju PCBA -e:

• Još urednije usmjeravanje
• Poboljšano pozicioniranje naljepnica
• Ažurirana veza na web stranicu
• Ulošci od sitotiska za označavanje PCB -a tijekom ispitivanja
• Zaobljeniji uglovi (za bolje uklapanje u odabrano kućište)
• Prilagođena duljina PCB -a kako bi odgovarala ogradama

Korak 5: Kako sami napraviti: PCBA

Ako namjeravate proizvoditi manje od 5 PCB -a, umjesto toga pogledajte "Kako sami izraditi: Ručno lemljenje" (sljedeći korak).

PCBA naručivanje iz Seeed Studija

1. Prijavite se ili stvorite račun na
2. Kliknite na "Naruči odmah".
3. Prenesite Gerber datoteke.
4. Prilagodite postavke (količina PCB-a i površinska obrada: HASL bez olova).
5. Dodajte crtež montaže i datoteku odabira i postavljanja.
6. Odaberite količinu PCBA.
7. Dodajte BOM. (Napomena: Ako želite sami izbjeći lemljenje i ne smeta vam duže čekanje, možete dodati regulator napona TSRN 1-2450 u BOM.
8. Dodaj u košaricu i naruči!

Za potrebne datoteke posjetite:

Lemljenje regulatora napona

Jedini dio koji zahtijeva lemljenje pri korištenju Seeed-ove PCBA usluge je regulator napona TSRN 1-2450. Kao što je gore spomenuto, ovo možete uključiti u sastavni dio dokumenta, ali to može dodati puno više vremena narudžbi.

Ako ga rado lemite ručno, jednostavno dodajte regulator na mjesto označeno svilenom mrežom, pazeći da je orijentacija ispravna. Bijela točka na sitotisku trebala bi se poravnati s bijelom točkom na regulatoru (vidi sliku).

Korak 6: Kako sami napraviti: Ručno lemljenje

Ako planirate proizvodnju velikog broja PCB -a, umjesto toga pogledajte "Kako sami izraditi: PCBA" (prethodni korak).

Naručivanje PCB -a

PCB -e možete kupiti na mnogim web stranicama, uključujući Seeed Studio, a neke se mogu isporučiti za manje od tjedan dana. Koristili smo Seeed Fusion, ali ovi bi koraci trebali biti vrlo slični drugim web mjestima.

1. Prijavite se ili stvorite račun na
2. Kliknite na "Naruči odmah".
3. Učitajte Gerber datoteke.
4. Prilagodite postavke (količina PCB-a i površinska obrada: HASL bez olova)
5. Dodajte u košaricu i naručite!

Za potrebne datoteke posjetite:

Naručivanje dijelova

Budući da ploča ima dodatne jastučiće za mogućnosti montaže SMD-a/provrta, ne morate popunjavati svaki dio. Ako lemite ručno, najlakše je izbjeći sve SMD -ove popunjavanjem ploče prema tablici prikazanoj na slikama.

N. B. Ako ste sigurni u lemilicu, učinkovitije je prostora i jeftinije je koristiti Micro SD utor za površinsko montiranje umjesto 8-pinskog zaglavlja + razvodne ploče.

Korak 7: Kako sami napraviti: Montaža

Modifikacije kabela Grove

Da biste povezali svoje PM senzore s konektorima utora, morate spojiti kabele senzora na kabele utora, kao što je prikazano na gornjoj slici. To možete učiniti pomoću presavijača ili lemljenja i termoskupljanja. Ovisno o senzoru koji koristite, morate se pobrinuti da pinout odgovara ulazima na PCB -u.

Koraci montaže

1. Odaberite jedan od ulaza za napajanje koji želite koristiti (bačvasta utičnica / JST / vijčani terminal) i spojite odgovarajuće napajanje.
2. Pomoću multimetra provjerite V_IN i 5V testne pločice na stražnjoj strani PCB -a.
3. Kad budete zadovoljni što je ploča pravilno napajana, uklonite napajanje. (Ako ne probate alternativno napajanje)
4. Uključite LoPy4 u 16-polna zaglavlja, pazeći da LED bude na vrhu (kao što je prikazano na sitotisku). Donje 4 rupe u zaglavljima su neiskorištene.
5. Spojite svaki od Grove uređaja u odgovarajuće utičnice na PCB -u.
6. Priključite mikro SD karticu.
7. Ponovno spojite napajanje. LED diode na LoPy4 i GPS -u trebale bi se uključiti.
8. Pomoću multimetra provjerite preostale testne pločice na stražnjoj strani PCB -a.
9. Vaš PyonAir sada bi trebao biti spreman za programiranje!

N. B. Prije priključivanja na ploču, ispraznite SD karticu i formatirajte je kao FAT32.

UPOZORENJE: Priključite samo jedan izvor napajanja odjednom. Priključivanje više izvora napajanja istovremeno moglo bi uzrokovati nestanak baterije ili napajanja!

Korak 8: Kako napraviti vlastiti: softver

Za razvoj softvera koristili smo Atom i pymakr. Obje su otvorenog koda i trebale bi raditi na većini računala. Preporučujemo da ih instalirate prije preuzimanja koda za LoPy4 ploču.

Pycom preporučuje ažuriranje firmvera svojih uređaja prije nego što ih pokušaju koristiti. Cjelovite upute o tome kako to učiniti možete pronaći ovdje:

Montaža

1. Da biste pokrenuli svoj PM senzorski uređaj, preuzmite najnoviju verziju našeg koda s GitHub-a: https://github.com/pyonair/PyonAir-pycom Provjerite jeste li izdvojili sve datoteke na prikladno mjesto na svom računalu ili prijenosnom računalu i izbjegavajte preimenovanje bilo koje datoteke.
2. Otvorite Atom i zatvorite sve trenutne datoteke tako da desnom tipkom miša kliknete mapu najviše razine i kliknete "Ukloni mapu projekta" na izborniku koji se pojavi.
3. Idite na Datoteka> Otvori mapu i odaberite mapu "lopy". Sve sadržane datoteke i mape trebale bi se pojaviti u oknu "Projekt" s lijeve strane u Atomu.
4. Uključite PyonAir PCB u računalo ili prijenosno računalo pomoću FTDI-USB kabela i pinova RX, TX i GND na zaglavlju s desne strane ploče.
5. Ploča bi se trebala pojaviti u Atomu i automatski se povezati.
6. Za prijenos koda, jednostavno kliknite gumb "Upload" u donjem oknu. Postupak može potrajati nekoliko minuta, ovisno o tome koliko datoteka treba ukloniti i instalirati. Kad prijenos uspije, pritisnite Ctrl + c na tipkovnici da zaustavite kôd, a zatim odspojite FTDI-USB kabel.

Konfiguracija

Prilikom prvog postavljanja novog uređaja ili ako želite promijeniti bilo koje postavke, morat ćete ga konfigurirati putem WiFi -ja.

1. Uklonite monitor zagađenja zraka iz svih slučajeva tako da možete pristupiti korisničkom gumbu.
2. Pripremite telefon ili računalo koje se može povezati s lokalnim WiFi mrežama.
3. Uključite PyonAir uređaj.
4. Prilikom prvog postavljanja uređaja, on bi se trebao automatski prebaciti u konfiguracijski način, što označava treperenje plave LED diode. U protivnom pritisnite i zadržite korisnički gumb na PCB -u utičnice Grove (označen CONFIG) 3 sekunde. RGB LED dioda trebala bi svijetliti plavo.
5. Povežite se s WiFi mrežom PyonAir uređaja. (To će se zvati 'NewPyonAir' ili kako god već nazvali uređaj.) Lozinka je 'newpyonair'.
6. Unesite https://192.168.4.10/ u svoj web preglednik. Trebala bi se prikazati stranica s konfiguracijom.
7. Ispunite sva obavezna polja na stranici i po završetku kliknite "Spremi". (Morat ćete pružiti pojedinosti o povezivanju s LoRa -om i WiFi -om, dodijeliti jedinstveni ID svakom senzoru i odrediti svoje postavke u vezi s prikupljanjem podataka.)
8. Uređaj PyonAir sada bi se trebao ponovno pokrenuti i koristit će postavke koje ste naveli.

Da biste svoj uređaj povezali s LoRom, registrirajte ga putem mreže The Things Network. Izradite novi uređaj s EUI -jem uređaja prikazanim na konfiguracijskoj stranici i kopirajte EUI -je aplikacije i ključ aplikacije iz TTN -a u konfiguracije.

Pybytes je Pycom -ovo internetsko IoT čvorište putem kojeg možete ažurirati firmver, vršiti OTA ažuriranja i vizualizirati podatke sa povezanih uređaja. Prvo ćete se morati prijaviti ili stvoriti račun ovdje: https://pyauth.pybytes.pycom.io/login, a zatim slijedite korake za registraciju novog uređaja.

Testiranje

Najjednostavniji način da provjerite radi li vaš monitor zagađenja zraka ispravno je pomoću FTDI-USB kabela i RX, TX & GND zaglavlja pinova na tiskanoj ploči Grove Socket. Povezivanje uređaja na ovaj način omogućuje vam pregled svih poruka i čitanja u Atomu.

RGB LED na LoPy ploči prikazuje status ploče:

• Inicijalizacija = Jantar
• Inicijalizacija je uspjela = Zeleno svjetlo trepće dva puta
• Nije moguće pristupiti SD kartici = Crveno svjetlo treperi odmah nakon pokretanja
• Drugi problem = Crveno svjetlo treperi tijekom inicijalizacije
• Pogreške tijekom izvođenja = Crveno treperi

Prema zadanim postavkama, podaci iz PyonAira šalju se na poslužitelj Sveučilišta Southampton. Kôd možete urediti prije postavljanja uređaja kako biste ga preusmjerili na mjesto po vašem izboru.

Korak 9: Kako sami postići: Implementacija

Sada kada je vaš monitor zagađenja zraka potpuno konfiguriran, trebali biste biti spremni za postavljanje uređaja!

Savjet za slučaj

Slučaj koji smo odabrali za naše uređaje bio je: https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t… Međutim, slobodno kupite drugo kućište ili dizajnirajte svoje. Datoteke SolidWorks za većinu hardvera koji smo koristili nalaze se u odjeljku Dodatne informacije za pomoć pri dizajniranju prilagođenih kućišta. Jedna od predloženih metoda postavljanja senzora i izrezivanja rupa u kućištu također je prikazana na gornjoj slici.

Samo zapamtite da bi vaš slučaj trebao:

• Zaštitite elektroniku od vode i prašine
• Dopustite montažu uređaja na licu mjesta
• Dopustite zraku da dođe do PM senzora
• Spriječite pregrijavanje elektronike
• Čvrsto držite elektroniku unutar kućišta

Lokacijskenadvice

Idealno mjesto za implementaciju zadovoljit će sljedeće kriterije:

• U regiji od interesa za onečišćenje zraka
• Od izravnog sunčevog svjetla
• U dometu LoRa pristupnika
• U dometu WiFi
• Blizina izvora napajanja
• Osigurajte točke ugradnje
• Sposobnost primanja GPS signala

Korak 10: Datoteke i krediti

Sve datoteke koje bi vam trebale da napravite svoj vlastiti potpuni PyonAir mogu se pronaći na: https://su-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… (Zip datoteke se ne mogu učitati u Instructables, nažalost!) Gitbook također uključuje dodatne informacije o hardveru i softveru.

Zasluge

Projekt nadziru dr. Steven J Ossont, dr. Phil Basford & Florentin Bulot

Kod Daneil Hausner & Peter Varga

Dizajn i upute Hazel Mitchell