PyonAir - monitor zanieczyszczenia powietrza typu Open Source: 10 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:28

PyonAir to tani system do monitorowania lokalnego poziomu zanieczyszczenia powietrza – w szczególności pyłu zawieszonego. Oparty na płycie Pycom LoPy4 i sprzęcie kompatybilnym z Grove, system może przesyłać dane zarówno przez LoRa, jak i WiFi.

Projekt ten podjąłem na Uniwersytecie w Southampton, pracując w zespole badaczy. Moim głównym obowiązkiem było zaprojektowanie i rozwój PCB. To był mój pierwszy raz, kiedy używałem Eagle, więc było to zdecydowanie doświadczenie edukacyjne!

Celem projektu PyonAir jest wdrożenie sieci tanich monitorów zanieczyszczeń IoT, które pozwolą nam zebrać kluczowe informacje o rozmieszczeniu i przyczynach zanieczyszczenia powietrza. Chociaż na rynku jest wiele monitorów zanieczyszczeń, większość z nich oferuje jedynie „Wskaźnik jakości powietrza”, a nie surowe dane dotyczące cząstek stałych – zwłaszcza w przystępnych cenach. Dzięki udostępnieniu projektu typu open source, z łatwymi instrukcjami konfiguracji, mamy nadzieję, że urządzenie PyonAir będzie dostępne dla każdego, kto jest zainteresowany jakością powietrza, zarówno osobiście, jak i zawodowo. Urządzenie to może być na przykład wykorzystywane do zbierania danych dotyczących projektów studenckich, doktorantów i niezależnych organizacji, dzięki czemu ważne badania, które cieszą się opinią rosnących kosztów, są znacznie bardziej osiągalne. Projekt może być również wykorzystywany do celów informacyjnych, komunikując się z członkami społeczeństwa na temat ich lokalnej jakości powietrza i kroków, które można podjąć w celu jej poprawy.

Nasze cele prostoty i łatwości użytkowania zainspirowały naszą decyzję o zastosowaniu systemu Grove jako kręgosłupa naszego projektu. Szeroka gama kompatybilnych modułów pozwoli użytkownikom systemu dostosować urządzenie PyonAir do swoich potrzeb, bez konieczności przeprojektowania podstawowego sprzętu. Tymczasem LoPy4 firmy Pycom oferuje wiele opcji komunikacji bezprzewodowej w jednym, zgrabnym pakiecie.

W tej instrukcji opiszę podróż projektową i etapy produkcji płytki drukowanej, a następnie instrukcje, jak złożyć pełną jednostkę PyonAir.

Kieszonkowe dzieci

Składniki:

• LoPy4: Płyta główna (https://pycom.io/product/lopy4/)
• PyonAirPCB: łatwe połączenie z czujnikami Grove
• Plantower PMS5003: Czujnik zanieczyszczenia powietrza (https://shop.pimoroni.com/products/pms5003-particu…
• Sensirion SPS30: czujnik zanieczyszczenia powietrza (https://www.mouser.co.uk/ProductDetail/Sensirion/SPS30?qs=lc2O%252bfHJPVbEPY0RBeZmPA==)
• Czujnik SHT35: czujnik temperatury i wilgotności (https://www.seeedstudio.com/Grove-I2C-High-Accurac…
• Zegar czasu rzeczywistego: zapasowa jednostka zegara (https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/hardware/…
• Moduł GPS: odbiornik GPS dla czasu i lokalizacji (https://www.seeedstudio.com/Grove-GPS-Module.html)
• Kable Grove:
• Antena Pycom: zdolność LoRa (https://pycom.io/product/lora-868mhz-915mhz-sigfox…
• Karta micro sd
• Zasilanie: Zasilanie podstawowe (zalecane:
• Obudowa: obudowa ABS odporna na warunki atmosferyczne IP66 115x90x65 mm (https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t…

Narzędzia:

• Lutownica
• Multimetr
• Mały śrubokręt
• Kabel FTDI (opcjonalnie):

Krok 1: O płytce drukowanej

Złącza Grove to coraz bardziej popularny standard w ekosystemie elektroniki hobbystycznej. Złącza plug-and-play umożliwiają łatwe i szybkie podłączanie i wymianę szerokiej gamy modułów, bez konieczności ponownego lutowania połączeń.

W międzyczasie płyta LoPy4 firmy Pycom została wybrana jako główny mikrokontroler dla PyonAir, ponieważ oferuje 4 tryby komunikacji bezprzewodowej: LoRa, Sigfox, WiFi i Bluetooth i jest programowana za pomocą MicroPythona.

Arduino i Raspberry Pi obsługują już osłony złączy Grove, ale żadna z nich nie została jeszcze wydana dla systemu Pycom. Dlatego zaprojektowaliśmy własną płytkę rozszerzeń PCB, która pasuje do płytki LoPy4. PCB zawiera:

• 2 gniazda I2C (czujnik temperatury i RTC)
• 3 gniazda UART (2x czujnik PM i GPS)
• Piny do danych USB
• Obwody tranzystorowe do sterowania zasilaniem czujników PM
• Obwód tranzystorowy do sterowania zasilaniem odbiornika GPS
• Gniazdo Micro SD
• Przycisk użytkownika
• Złącza wejściowe zasilania (Barrel, JST lub zacisk śrubowy)
• Regulator napięcia

Krok 2: PCB V1-V3

PCB V1

Moja pierwsza próba płytki PCB opierała się na koncepcji „podkładki”, w której cienka płytka drukowana pasowałaby między płytkę LoPy a płytkę rozszerzeń Pycom, taką jak Pytrack (patrz rysunek CAD). W związku z tym nie było otworów montażowych, a płytka była bardzo prosta, zawierała tylko złącza i parę tranzystorów do włączania i wyłączania czujników PM.

Szczerze mówiąc, z tą płytą było wiele nie tak:

• Ślady były zbyt cienkie
• Brak płaszczyzny uziemienia
• Dziwne orientacje tranzystorów
• Niewykorzystane miejsce
• Etykieta wersji została napisana warstwą ścieżkową, a nie sitodrukiem

PCB V2

Do V2 stało się jasne, że potrzebujemy PyonAir do działania bez karty rozszerzeń, więc do projektu dodano wejścia zasilania, terminal UART i gniazdo SD.

Zagadnienia:

• Tory krzyżują się ze strefami otworów montażowych
• Brak przewodnika po orientacji LoPy
• Nieprawidłowa orientacja gniazda DC lufy

PCB V3

Stosunkowo niewielkie zmiany zostały wprowadzone między V2 i V3 - głównie poprawki do powyższych problemów.

Krok 3: PCB V4

V4 charakteryzował się całkowitym przeprojektowaniem całej płytki drukowanej, w której wprowadzono następujące zmiany:

• Prawie każdy element można lutować ręcznie lub wstępnie zmontować za pomocą PCBA
• Otwory montażowe w rogach
• Komponenty pogrupowane w strefy „Stałe”, „Zasilanie” i „Użytkownika”

• Etykiety dla:

  • Zakres napięcia wejściowego
  • Link do dokumentacji
  • Lokalizacja diody LED LoPy
• 2 opcje uchwytów SD
• Podkładki testowe
• Gniazdo baryłkowe DC można zamontować na górze lub pod deską
• Lepsze wyznaczanie tras
• Bardziej efektywnie pakowane komponenty
• Dodano dłuższe żeńskie rzędy nagłówków, dzięki czemu użytkownik będzie mógł użyć 4 x 8-stykowych nagłówków zamiast 2 par 8-stykowych i 6-stykowych nagłówków, co czyni go nieco tańszym.

Krok 4: PCB V5

Ostatnia wersja

Te ostatnie poprawki zostały wprowadzone do V5 przed przesłaniem go do produkcji PCBA przez Seeed Studio:

• Jeszcze bardziej uporządkowane wyznaczanie tras
• Ulepszone pozycjonowanie etykiet
• Zaktualizowany link do strony internetowej
• Podkładki sitodrukowe do oznaczania PCB podczas testów
• Bardziej zaokrąglone rogi (aby lepiej dopasować się do wybranej obudowy)
• Dostosowana długość PCB do szyn obudowy

Krok 5: Jak zrobić własne: PCBA

Jeśli planujesz wyprodukować mniej niż 5 płytek PCB, zobacz „Jak zrobić własne: lutowanie ręczne” (następny krok).

Zamawianie PCBA w Seeed Studio

1. Zaloguj się lub utwórz konto na
2. Kliknij „Zamów teraz”.
3. Prześlij pliki Gerber.
4. Dostosuj ustawienia (ilość PCB i wykończenie powierzchni: HASL Lead-Free).
5. Dodaj rysunek zespołu i wybierz i umieść plik.
6. Wybierz ilość PCBA.
7. Dodaj zestawienie komponentów. (Uwaga: Jeśli chcesz uniknąć samodzielnego lutowania i nie przeszkadza ci dłuższe oczekiwanie, możesz dodać regulator napięcia TSRN 1-2450 do BOM.
8. Dodaj do koszyka i zamów!

Proszę odwiedzić: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… dla wymaganych plików.

Lutowanie regulatora napięcia

Jedyną częścią wymagającą lutowania przy korzystaniu z serwisu PCBA Seeed jest regulator napięcia TSRN 1-2450. Jak wspomniano powyżej, można to uwzględnić w zestawieniu komponentów zespołu, ale może to wydłużyć czas realizacji zamówienia.

Jeśli jesteś zadowolony z lutowania ręcznego, po prostu dodaj regulator w miejscu wskazanym przez sitodruk, upewniając się, że orientacja jest prawidłowa. Biała kropka na sitodruku powinna zrównać się z białą kropką na regulatorze (patrz zdjęcie).

Krok 6: Jak zrobić własne: lutowanie ręczne

Jeśli planujesz wyprodukować dużą liczbę płytek PCB, zobacz „Jak zrobić własne: PCBA” (poprzedni krok).

Zamawianie płytek drukowanych

Możesz kupić płytki PCB z wielu stron internetowych, w tym Seeed Studio, a niektóre są w stanie dostarczyć w ciągu tygodnia. Użyliśmy Seeed Fusion, ale te kroki powinny być bardzo podobne do innych witryn.

1. Zaloguj się lub utwórz konto na
2. Kliknij „Zamów teraz”.
3. Prześlij pliki Gerber.
4. Dostosuj ustawienia (ilość PCB i wykończenie powierzchni: HASL Lead-Free)
5. Dodaj do koszyka i zamów!

Proszę odwiedzić: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… dla wymaganych plików.

Zamawianie części

Ponieważ płyta ma dodatkowe podkładki do opcji montażu SMD/otworowego, nie musisz wypełniać każdej części. Jeśli lutujesz ręcznie, najłatwiej jest uniknąć wszystkich SMD, wypełniając płytkę zgodnie z tabelą pokazaną na zdjęciach.

Uwaga Jeśli masz pewność co do lutownicy, bardziej oszczędne i tańsze jest użycie gniazda Micro SD do montażu powierzchniowego zamiast 8-pinowego złącza i płytki zaciskowej.

Krok 7: Jak zrobić własny: montaż

Modyfikacje kabli Grove

Aby podłączyć czujniki PM do złączy Grove, musisz połączyć kable czujników z kablami Grove, jak pokazano na powyższym obrazku. Możesz to zrobić za pomocą zacisków lub lutu i koszulki termokurczliwej. W zależności od czujnika, którego używasz, musisz upewnić się, że pinout pasuje do wejść do płytki drukowanej.

Etapy montażu

1. Wybierz, którego z wejść zasilania chcesz użyć (gniazdo baryłkowe / JST / zacisk śrubowy) i podłącz odpowiednie zasilanie.
2. Użyj multimetru, aby sprawdzić pady testowe V_IN i 5 V z tyłu płytki drukowanej.
3. Gdy jesteś zadowolony, że płyta jest prawidłowo zasilana, odłącz zasilacz. (Jeśli nie, wypróbuj alternatywne źródło zasilania)
4. Podłącz LoPy4 do 16-pinowych złączy, upewniając się, że dioda LED znajduje się na górze (jak pokazano na sitodruku). Dolne 4 otwory w głowicach są nieużywane.
5. Podłącz każde z urządzeń Grove do pasujących gniazd na płytce drukowanej.
6. Podłącz kartę micro SD.
7. Podłącz ponownie zasilanie. Diody LED na LoPy4 i GPS powinny się włączyć.
8. Użyj multimetru, aby sprawdzić pozostałe pola testowe z tyłu płytki drukowanej.
9. Twój PyonAir powinien być teraz gotowy do programowania!

Uwaga Upewnij się, że opróżniłeś kartę SD i sformatowałeś ją jako FAT32 przed podłączeniem jej do płyty.

OSTRZEŻENIE: Zawsze podłączaj tylko jedno źródło zasilania na raz. Podłączenie wielu zasilaczy w tym samym czasie może spowodować zwarcie baterii lub zasilania sieciowego!

Krok 8: Jak zrobić własne: oprogramowanie

Do tworzenia oprogramowania wykorzystaliśmy Atom i pymakr. Oba są open-source i powinny działać na większości komputerów. Zalecamy zainstalowanie ich przed pobraniem kodu dla płyty LoPy4.

Firma Pycom zaleca aktualizację oprogramowania sprzętowego swoich urządzeń przed próbą ich użycia. Pełne instrukcje, jak to zrobić, można znaleźć tutaj:

Instalacja

1. Aby uruchomić i uruchomić urządzenie z czujnikiem PM, pobierz najnowszą wersję naszego kodu z GitHub: https://github.com/pyonair/PyonAir-pycom Upewnij się, że wszystkie pliki zostały rozpakowane w dogodnej lokalizacji na komputerze lub laptopie i unikaj zmieniania nazw plików.
2. Otwórz Atom i zamknij wszystkie bieżące pliki, klikając prawym przyciskiem myszy folder najwyższego poziomu i klikając „Usuń folder projektu” w wyświetlonym menu.
3. Przejdź do Plik> Otwórz folder i wybierz folder „lopy”. Wszystkie zawarte pliki i foldery powinny pojawić się w okienku „Projekt” po lewej stronie w Atom.
4. Podłącz płytkę PCB PyonAir do komputera lub laptopa za pomocą kabla FTDI-USB i pinów RX, TX i GND na złączu po prawej stronie płyty.
5. Płytka powinna pojawić się w Atom i połączyć się automatycznie.
6. Aby przesłać kod, po prostu kliknij przycisk „Prześlij” w dolnym okienku. Proces może potrwać kilka minut, w zależności od tego, ile plików trzeba usunąć i zainstalować. Gdy przesyłanie się powiedzie, naciśnij Ctrl + c na klawiaturze, aby zatrzymać kod, a następnie odłącz kabel FTDI-USB.

Konfiguracja

Gdy konfigurujesz nowe urządzenie po raz pierwszy lub chcesz zmienić jakiekolwiek ustawienia, musisz skonfigurować je przez Wi-Fi.

1. Usuń monitor zanieczyszczenia powietrza z wszelkich przypadków, aby uzyskać dostęp do przycisku użytkownika.
2. Przygotuj telefon lub komputer, który może łączyć się z lokalnymi sieciami WiFi.
3. Włącz zasilanie urządzenia PyonAir.
4. Przy pierwszym konfigurowaniu urządzenie powinno automatycznie przejść w tryb konfiguracji, co sygnalizowane jest miganiem niebieskiej diody LED. W przeciwnym razie naciśnij i przytrzymaj przycisk użytkownika na płytce PCB gniazda Grove (oznaczony CONFIG) przez 3 sekundy. Dioda RGB powinna świecić na niebiesko.
5. Połącz się z Wi-Fi urządzenia PyonAir. (Będzie to nazwane „NewPyonAir” lub jakkolwiek wcześniej nazwałeś urządzenie.) Hasło to „newpyonair”.
6. Wpisz https://192.168.4.10/ w przeglądarce internetowej. Powinna pojawić się strona konfiguracji.
7. Wypełnij wszystkie wymagane pola na stronie i po zakończeniu kliknij „Zapisz”. (Będziesz musiał podać szczegóły połączenia do LoRa i Wi-Fi, przypisać unikalny identyfikator do każdego czujnika i określić swoje preferencje dotyczące pozyskiwania danych.)
8. Urządzenie PyonAir powinno się teraz zrestartować i użyć podanych przez Ciebie ustawień.

Aby podłączyć urządzenie do LoRa, zarejestruj je za pośrednictwem The Things Network. Utwórz nowe urządzenie z EUI urządzenia pokazanym na stronie konfiguracji i skopiuj EUI aplikacji i klucz aplikacji z TTN do konfiguracji.

Pybytes to internetowe centrum IoT firmy Pycom, za pomocą którego można aktualizować oprogramowanie układowe, przeprowadzać aktualizacje OTA i wizualizować dane z podłączonych urządzeń. Najpierw musisz się zalogować lub utworzyć konto tutaj: https://pyauth.pybytes.pycom.io/login, a następnie postępować zgodnie z instrukcjami, aby zarejestrować nowe urządzenie.

Testowanie

Najłatwiejszym sposobem sprawdzenia, czy monitor zanieczyszczenia powietrza działa poprawnie, jest użycie kabla FTDI-USB i złączy pinowych RX, TX i GND na płytce drukowanej Grove Socket. Podłączenie urządzenia w ten sposób umożliwia przeglądanie wszystkich wiadomości i odczytów w Atom.

Dioda LED RGB na płytce LoPy pokazuje stan płytki:

• Inicjalizacja = Bursztynowy
• Inicjalizacja powiodła się = zielone światło mignie dwa razy
• Nie można uzyskać dostępu do karty SD = Czerwone światło miga natychmiast po uruchomieniu
• Inny problem = Czerwone światło miga podczas inicjalizacji
• Błędy uruchomieniowe = czerwone migające

Domyślnie dane z PyonAir będą wysyłane na serwer Uniwersytetu Southampton. Możesz edytować kod przed wdrożeniem urządzenia, aby przekierować je do wybranej lokalizacji.

Krok 9: Jak zrobić własne: Wdrożenie

Teraz, gdy Twój monitor zanieczyszczenia powietrza jest w pełni skonfigurowany, powinieneś być gotowy do wdrożenia urządzenia!

Porady dotyczące przypadku

Obudowa, którą wybraliśmy dla naszych urządzeń to: https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t… Zachęcamy jednak do zakupu innej obudowy lub zaprojektowania własnej. Pliki SolidWorks dla większości używanego sprzętu znajdują się w sekcji Dodatkowe informacje, aby pomóc w projektowaniu przypadków niestandardowych. Jeden z proponowanych sposobów rozmieszczenia czujników i wycięcia otworów w obudowie również pokazano na powyższym obrazku.

Pamiętaj tylko, że Twoja sprawa powinna:

• Chroń elektronikę przed wodą i kurzem
• Zezwalaj na montaż urządzenia na miejscu
• Pozwól, aby powietrze dotarło do czujnika(ów) PM
• Zapobiegaj przegrzaniu elektroniki
• Trzymaj elektronikę bezpiecznie wewnątrz obudowy

Porady dotyczące lokalizacji

Idealna lokalizacja wdrożenia spełni następujące kryteria:

• W regionie zainteresowania zanieczyszczeniem powietrza
• Z bezpośredniego światła słonecznego
• W zasięgu bramki LoRa
• W zasięgu WiFi
• Blisko źródła zasilania
• Bezpieczne punkty mocowania
• W stanie odbierać sygnały GPS

Krok 10: Pliki i kredyty

Wszystkie pliki potrzebne do stworzenia własnego pełnego PyonAir można znaleźć pod adresem: https://su-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… (Plików ZIP nie można przesyłać do Instructables, przepraszam!) Gitbook zawiera również dodatkowe informacje o sprzęcie i oprogramowaniu.

Kredyty

Projekt nadzorowany przez dr Stevena J Ossonta, dr Phila Basforda i Florentina Bulot

Kod autorstwa Daneila Hausnera i Petera Varga

Projekt obwodu i instrukcje autorstwa Hazel Mitchell