PyonAir - open source monitor znečistenia ovzdušia: 10 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:56

PyonAir je nízkonákladový systém na monitorovanie miestnych úrovní znečistenia ovzdušia - konkrétne pevných častíc. Systém je založený na doske Pycom LoPy4 a hardvéri kompatibilnom s Grove a môže prenášať údaje cez LoRa aj WiFi.

Tento projekt som realizoval na univerzite v Southamptone a pracoval som v tíme výskumníkov. Mojou primárnou zodpovednosťou bol návrh a vývoj DPS. Eagle som používal prvýkrát, takže to bola určite vzdelávacia skúsenosť!

Cieľom projektu PyonAir je nasadiť sieť nízkonákladových monitorov znečistenia internetu vecí, ktoré nám umožnia zhromaždiť kľúčové informácie o distribúcii a príčinách znečistenia ovzdušia. Aj keď je na trhu mnoho monitorov znečistenia, väčšina ponúka iba „index kvality ovzdušia“, nie surové údaje o PM - obzvlášť za dostupné ceny. Dúfame, že vďaka tomu, že sa z projektu stane zdrojový kód, s jednoduchými pokynmi na nastavenie, sprístupníme zariadenie PyonAir každému, koho zaujíma kvalita vzduchu, či už osobne alebo profesionálne. Toto zariadenie je možné napríklad použiť na zber údajov pre študentské projekty, doktorandov a nezávislé strany, vďaka čomu je životne dôležitý výskum, ktorý má povesť vysokých nákladov, oveľa dostupnejší. Projekt možno použiť aj na informačné účely, komunikáciu s verejnosťou o ich miestnej kvalite ovzdušia a krokoch, ktoré je možné vykonať na jej zlepšenie.

Naše ciele v oblasti jednoduchosti a jednoduchosti použitia nás inšpirovali k rozhodnutiu použiť systém Grove ako chrbticu nášho dizajnu. Široká škála kompatibilných modulov umožní používateľom systému prispôsobiť zariadenie PyonAir svojim potrebám bez toho, aby boli nútení prepracovať základný hardvér. Medzitým LoPy4 spoločnosti Pycom ponúka viacero možností bezdrôtovej komunikácie v jednom úhľadnom balení.

V tomto návode budem opisovať cestu návrhu a kroky k výrobe DPS a potom pokyny na zostavenie celej jednotky PyonAir.

Zásoby

Komponenty:

• LoPy4: základná doska (https://pycom.io/product/lopy4/)
• PyonAirPCB: Jednoduché pripojenie k senzorom Grove
• Plantower PMS5003: Senzor znečistenia ovzdušia (https://shop.pimoroni.com/products/pms5003-particu…
• Sensirion SPS30: snímač znečistenia ovzdušia (https://www.mouser.co.uk/ProductDetail/Sensirion/SPS30?qs=lc2O%252bfHJPVbEPY0RBeZmPA==)
• Senzor SHT35: Snímač teploty a vlhkosti (https://www.seeedstudio.com/Grove-I2C-High-Accurac…
• Hodiny v reálnom čase: Záložná hodinová jednotka (https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/hardware/…
• GPS modul: GPS prijímač pre čas a polohu (https://www.seeedstudio.com/Grove-GPS-Module.html)
• Káble Grove:
• Anténa Pycom: schopnosť LoRa (https://pycom.io/product/lora-868mhz-915mhz-sigfox…
• MicroSD karta
• Napájanie: Primárny napájací zdroj (odporúčané:
• Kryt: IP66 115x90x65 mm ABS box odolný voči poveternostným vplyvom (https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t…

Náradie:

• Spájkovačka
• Multimeter
• Malý skrutkovač
• Kábel FTDI (voliteľný):

Krok 1: O DPS

Konektory Grove sú čoraz obľúbenejším štandardom v ekosystéme domácich majstrov v oblasti elektroniky. Vďaka konektorom typu plug-and-play je pripojenie a výmena širokej škály modulov jednoduchá a rýchla bez toho, aby bolo potrebné prekladať spoje.

Medzitým bola doska Pycom LoPy4 vybraná ako hlavný mikrokontrolér pre PyonAir, pretože ponúka 4 režimy bezdrôtovej komunikácie: LoRa, Sigfox, WiFi a Bluetooth a je naprogramovaná pomocou programu MicroPython.

Arduino a Raspberry Pi už podporujú štíty konektorov Grove, ale žiadny ešte nebol vydaný pre systém Pycom. Preto sme navrhli vlastnú PCB rozširujúcej dosky, ktorá sa zmestí na dosku LoPy4. DPS obsahuje:

• 2 zásuvky I2C (snímač teploty a RTC)
• 3 zásuvky UART (2x snímač PM a GPS)
• Piny pre USB dáta
• Tranzistorové obvody na riadenie výkonu senzorov PM
• Tranzistorový obvod na ovládanie napájania prijímača GPS
• Micro SD slot
• Používateľské tlačidlo
• Vstupné konektory (sudový, JST alebo skrutkový terminál)
• Regulátor napätia

Krok 2: DPS V1-V3

DPS V1

Môj prvý pokus o PCB bol založený na koncepte „shim“, kde sa tenký PCB zmestí medzi dosku LoPy a rozširujúcu dosku Pycom, napríklad Pytrack (pozri výkres CAD). Neexistovali teda žiadne montážne otvory a doska bola veľmi jednoduchá a mala iba konektory a pár tranzistorov na zapínanie a vypínanie senzorov PM.

Aby som bol úprimný, s touto doskou bolo veľa chýb:

• Stopy boli príliš tenké
• Žiadna pozemná rovina
• Divné tranzistorové orientácie
• Nevyužitý priestor
• Štítok verzie bol napísaný vo sledovacej vrstve, nie v sieťotlači

DPS V2

Vo verzii V2 už bolo zrejmé, že potrebujeme, aby PyonAir fungoval bez rozširujúcej dosky, takže do konštrukcie boli pridané napájacie vstupy, terminál UART a slot SD.

Problémy:

• Pásy prechádzajú zónami montážnych dier
• Žiadny sprievodca orientáciou LoPy
• Nesprávna orientácia valcového konektora DC

DPS V3

Medzi V2 a V3 boli vykonané relatívne malé zmeny - väčšinou opravy vyššie uvedených problémov.

Krok 3: PCB V4

V4 predstavoval kompletný redizajn celej DPS, v ktorom boli vykonané nasledujúce zmeny:

• Takmer každý komponent je možné spájkovať ručne alebo predmontovať pomocou PCBA
• Upevňovacie otvory v rohoch
• Komponenty zoskupené do zón „Trvalé“, „Napájanie“a „Používateľ“

• Štítky pre:

  • Rozsah vstupného napätia
  • Odkaz na dokumentáciu
  • Poloha LED diódy LoPy
• 2 možnosti držiaka SD
• Testovacie podložky
• Hlavný konektor DC je možné namontovať na dosku alebo pod ňu
• Lepšie smerovanie
• Efektívnejšie zabalené komponenty
• Boli pridané dlhšie riadky ženských hlavičiek, takže užívateľ by mohol používať 4 x 8-kolíkové hlavičky namiesto 2 párov 8-kolíkových a 6-kolíkových hlavičiek, čo je o niečo lacnejšie.

Krok 4: PCB V5

Konečná verzia

Týchto posledných pár úprav bolo vykonaných na V5 predtým, ako ho Seeed Studio predložilo na výrobu PCBA:

• Ešte prehľadnejšie smerovanie
• Vylepšené umiestnenie štítkov
• Aktualizovaný odkaz na webovú stránku
• Silkscreen podložky na označovanie PCB počas testovania
• Viac zaoblených rohov (aby lepšie zapadli do vybraného krytu)
• Upravená dĺžka DPS tak, aby zodpovedala lištám rozvádzača

Krok 5: Ako si vytvoriť vlastný: PCBA

Ak plánujete vyrábať menej ako 5 plošných spojov, pozrite si miesto toho „Ako si vyrobiť vlastné: Ručné spájkovanie“(ďalší krok).

Objednávka PCBA z programu Seeed Studio

1. Prihláste sa alebo si vytvorte účet na
2. Kliknite na položku „Objednať teraz“.
3. Odovzdajte súbory Gerber.
4. Upravte nastavenia (množstvo PCB a povrchová úprava: HASL bez olova).
5. Pridajte výkres zostavy a vyberte a umiestnite súbor.
6. Vyberte množstvo PCBA.
7. Pridať kusovník. (Poznámka: Ak sa chcete vyhnúť spájkovaniu sami a nevadí vám dlhšie čakanie, môžete do kusovníka pridať regulátor napätia TSRN 1-2450.
8. Vložiť do košíka a objednať!

Potrebné súbory nájdete na stránke:

Spájkovanie regulátora napätia

Jediná časť, ktorá vyžaduje spájkovanie pri použití služby PCBA spoločnosti Seeed, je regulátor napätia TSRN 1-2450. Ako bolo uvedené vyššie, môžete to zahrnúť do kusovníka montáže, ale môže to priniesť oveľa viac času na objednávku.

Ak ho radi spájkujete ručne, jednoducho pridajte regulátor na miesto označené silkscreenom a uistite sa, že je orientácia správna. Biela bodka na sieťotlači by mala byť v súlade s bielou bodkou na regulátore (pozri obrázok).

Krok 6: Ako si vytvoriť vlastný: Ručné spájkovanie

Ak plánujete vyrábať veľký počet PCB, pozrite si namiesto toho „Ako si vyrobiť vlastný: PCBA“(predchádzajúci krok).

Objednávka PCB

Dosky plošných spojov si môžete kúpiť z mnohých webových stránok, vrátane Seeed Studio, pričom niektoré sú schopné dodať do týždňa. Použili sme Seeed Fusion, ale tieto kroky by mali byť veľmi podobné ako na iných stránkach.

1. Prihláste sa alebo si vytvorte účet na
2. Kliknite na položku „Objednať teraz“.
3. Odovzdajte súbory Gerber.
4. Upraviť nastavenia (množstvo DPS a povrchová úprava: HASL bezolovnaté)
5. Vložiť do košíka a objednať!

Potrebné súbory nájdete na stránke:

Objednávka dielov

Pretože doska má ďalšie podložky pre možnosti montáže SMD/priechodných otvorov, nemusíte vyplňovať každú časť. Ak spájkujete ručne, je najľahšie vyhnúť sa všetkým SMD osadením dosky podľa tabuľky na obrázkoch.

N. B. Ak ste si istí spájkovačkou, je priestorovo efektívnejšie a lacnejšie použiť povrchový slot Micro SD namiesto 8-kolíkového konektora + oddeľovacej dosky.

Krok 7: Ako si vytvoriť vlastný: Zostava

Úpravy káblov Grove

Aby ste mohli pripojiť svoje snímače PM ku konektorom grove, budete musieť prepojiť káble senzorov s káblami grove, ako je to znázornené na obrázku vyššie. Môžete to urobiť buď krimpovaním alebo spájkovaním a zmršťovaním za tepla. V závislosti od použitého snímača sa budete musieť uistiť, že pinový výstup zodpovedá vstupom na doske plošných spojov.

Kroky montáže

1. Vyberte si, ktorý zo vstupov napájania chcete použiť (sudový konektor / JST / skrutkový terminál) a zapojte príslušný zdroj.
2. Pomocou multimetra skontrolujte testovacie podložky V_IN a 5V na zadnej strane dosky plošných spojov.
3. Keď ste radi, že je doska správne napájaná, odpojte napájanie. (Ak nie, vyskúšajte alternatívne napájanie)
4. Zapojte LoPy4 do 16-kolíkových konektorov a uistite sa, že LED dióda je v hornej časti (ako je znázornené na silkscreen). Spodné 4 otvory v hlavičkách sú nepoužívané.
5. Pripojte každé zariadenie Grove do zodpovedajúcich zásuviek na doske plošných spojov.
6. Pripojte kartu micro SD.
7. Znovu zapojte napájanie. LED diódy na LoPy4 a GPS by sa mali rozsvietiť.
8. Pomocou multimetra skontrolujte zostávajúce testovacie podložky na zadnej strane dosky plošných spojov.
9. Váš PyonAir by mal byť teraz pripravený na programovanie!

N. B. Pred vložením karty SD do pamäte najskôr vyprázdnite kartu SD a naformátujte ju na FAT32.

VAROVANIE: Vždy pripájajte iba jeden zdroj napájania. Pripojenie viacerých spotrebných materiálov súčasne môže spôsobiť skrat batérie alebo napájania zo siete!

Krok 8: Ako si vytvoriť vlastný: softvér

Na vývoj softvéru sme použili Atom a pymakr. Oba sú open source a mali by fungovať na väčšine počítačov. Odporúčame ich nainštalovať pred stiahnutím kódu pre dosku LoPy4.

Spoločnosť Pycom odporúča aktualizovať firmvér svojich zariadení pred tým, ako sa ich pokúsite použiť. Úplný návod, ako na to, nájdete tu:

Inštalácia

1. Ak chcete, aby bolo vaše zariadenie so senzorom PM v prevádzke, stiahnite si najnovšiu verziu nášho kódu z webu GitHub: https://github.com/pyonair/PyonAir-pycom Uistite sa, že rozbalíte všetky súbory na vhodné miesto v počítači alebo prenosnom počítači. a vyhnite sa premenovaniu akýchkoľvek súborov.
2. Otvorte Atom a zatvorte všetky aktuálne súbory kliknutím pravým tlačidlom myši na priečinok najvyššej úrovne a v zobrazenej ponuke kliknite na položku „Odstrániť priečinok projektu“.
3. Prejdite na položku Súbor> Otvoriť priečinok a vyberte priečinok „lopy“. Všetky obsiahnuté súbory a priečinky by sa mali objaviť na table „Projekt“vľavo v Atome.
4. Zapojte dosku PC PyonAir do počítača alebo prenosného počítača pomocou kábla FTDI-USB a pinov RX, TX a GND v záhlaví napravo od dosky.
5. Doska by sa mala objaviť v Atome a pripojiť sa automaticky.
6. Ak chcete nahrať kód, jednoducho kliknite na tlačidlo „Nahrať“v dolnom paneli. Tento proces môže trvať niekoľko minút, v závislosti od počtu súborov, ktoré je potrebné odstrániť a nainštalovať. Akonáhle je nahrávanie úspešné, zastavte kód stlačením klávesov Ctrl + c na klávesnici a potom odpojte kábel FTDI-USB.

Konfigurácia

Pri prvom nastavovaní nového zariadenia alebo ak chcete zmeniť akékoľvek nastavenia, budete ho musieť nakonfigurovať cez WiFi.

1. Odstráňte svoj monitor znečistenia ovzdušia zo všetkých prípadov, aby ste mali prístup k používateľskému tlačidlu.
2. Pripravte si telefón alebo počítač, ktorý sa dokáže pripojiť k miestnym sieťam WiFi.
3. Napájajte zariadenie PyonAir.
4. Pri prvom nastavení by sa zariadenie malo automaticky prepnúť do konfiguračného režimu, ktorý je signalizovaný blikaním modrej diódy LED. V opačnom prípade stlačte a podržte používateľské tlačidlo na PCB zásuvky Grove (označené CONFIG) po dobu 3 sekúnd. LED dióda RGB by mala svietiť na modro.
5. Pripojte sa k sieti Wi -Fi zariadenia PyonAir. (Bude pomenovaný „NewPyonAir“alebo ako ste predtým pomenovali zariadenie.) Heslo je „newpyonair“.
6. Do webového prehliadača zadajte https://192.168.4.10/. Mala by sa objaviť konfiguračná stránka.
7. Vyplňte všetky povinné polia na stránke a po dokončení kliknite na „Uložiť“. (Budete musieť poskytnúť podrobnosti o pripojení k LoRa a WiFi, priradiť každému senzoru jedinečné ID a špecifikovať svoje preferencie týkajúce sa získavania údajov.)
8. Zariadenie PyonAir by sa teraz malo reštartovať a bude používať nastavenia, ktoré ste zadali.

Ak chcete svoje zariadenie pripojiť k sieti LoRa, zaregistrujte ho prostredníctvom siete The Things Network. Vytvorte nové zariadenie pomocou zariadenia EUI zobrazeného na konfiguračnej stránke a skopírujte EUI aplikácie a kľúč aplikácie z TTN do konfigurácií.

Pybytes je online IoT hub spoločnosti Pycom, prostredníctvom ktorého môžete aktualizovať firmvér, vykonávať aktualizácie OTA a vizualizovať údaje z pripojených zariadení. Najprv sa budete musieť prihlásiť alebo si vytvoriť účet tu: https://pyauth.pybytes.pycom.io/login a potom podľa pokynov zaregistrujte nové zariadenie.

Testovanie

Najľahší spôsob, ako otestovať, či váš monitor znečistenia ovzdušia funguje správne, je použiť kábel FTDI-USB a kolíkové konektory RX, TX a GND na doske Grove Socket PCB. Pripojenie zariadenia týmto spôsobom vám umožní zobraziť všetky správy a čítania v Atome.

LED dióda RGB na doske LoPy zobrazuje stav dosky:

• Inicializácia = jantár
• Inicializácia prebehla úspešne = zelené svetlo dvakrát zabliká
• Nedá sa získať prístup na kartu SD = červené svetlo bliká bezprostredne po zavedení
• Iný problém = počas inicializácie bliká červené svetlo
• Chyby runtime = červená bliká

Štandardne sa údaje zo systému PyonAir budú odosielať na server University of Southampton. Kód môžete pred nasadením zariadenia upraviť a presmerovať ho na vami zvolené miesto.

Krok 9: Ako si vytvoriť vlastný: nasadenie

Teraz, keď je váš monitor znečistenia ovzdušia plne nakonfigurovaný, mali by ste byť pripravení zariadenie nasadiť!

Prípadová rada

Prípad, ktorý sme vybrali pre naše zariadenia, bol: https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t… Môžete si však kúpiť iné puzdro alebo si vytvoriť vlastné. Súbory SolidWorks pre väčšinu hardvéru, ktorý sme použili, sú uvedené v sekcii Extra informácie, ktoré vám pomôžu s návrhom vlastných prípadov. Jeden z navrhovaných spôsobov usporiadania senzorov a vyrezávania otvorov v puzdre je tiež zobrazený na obrázku vyššie.

Nezabudnite, že váš prípad by mal:

• Chráňte elektroniku pred vodou a prachom
• Povoľte montáž zariadenia na mieste
• Nechajte vzduch dosiahnuť senzory PM
• Zabráňte prehriatiu elektroniky
• Držte elektroniku bezpečne vo vnútri puzdra

Poradenstvo ohľadom umiestnenia

Ideálne miesto nasadenia bude spĺňať nasledujúce kritériá:

• V oblasti záujmu o znečistenie ovzdušia
• Mimo priameho slnečného svetla
• V dosahu brány LoRa
• V dosahu WiFi
• V blízkosti zdroja energie
• Zaistite upevňovacie body
• Dokáže prijímať signály GPS

Krok 10: Súbory a kredity

Všetky súbory, ktoré potrebujete na vytvorenie vlastného úplného systému PyonAir, nájdete na adrese: https://su-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… (Súbory ZIP nie je možné nahrať do programu Instructables, ospravedlňujeme sa!) Gitbook tiež obsahuje ďalšie informácie o hardvéri a softvéri.

Kredity

Projekt pod dohľadom doktora Stevena J Ossonta, doktora Phila Basforda a Florentina Bulota

Kód Daneil Hausner a Peter Varga

Návrh obvodu a pokyny Hazel Mitchell