PyonAir - open source monitor znečištění ovzduší: 10 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:20

PyonAir je levný systém pro monitorování místních úrovní znečištění ovzduší - konkrétně částic. Systém je založen na desce Pycom LoPy4 a hardwaru kompatibilním s Grove a může přenášet data přes LoRa i WiFi.

Tento projekt jsem realizoval na univerzitě v Southamptonu a pracoval jsem v týmu výzkumníků. Mojí primární odpovědností byl návrh a vývoj DPS. Toto bylo poprvé, co jsem použil Eagle, takže to byla rozhodně zkušenost s učením!

Cílem projektu PyonAir je nasadit síť levných monitorů znečištění internetu věcí, které nám umožní shromáždit zásadní informace o distribuci a příčinách znečištění ovzduší. I když je na trhu mnoho monitorů znečištění, většina nabízí pouze „index kvality ovzduší“, nikoli surová data PM - zejména za dostupné ceny. Doufáme, že díky tomu, že se projekt stane open-source, se snadnými pokyny k nastavení, bude zařízení PyonAir přístupné každému, koho osobně nebo profesionálně zajímá kvalita ovzduší. Toto zařízení lze například použít ke shromažďování údajů o studentských projektech, doktorátech a nezávislých stranách, díky čemuž je životně důležitý výzkum, který má pověst stoupajících nákladů, mnohem dosažitelnější. Projekt může být také použit pro informační účely, komunikaci s veřejností o jejich místní kvalitě ovzduší a o krocích, které je možné učinit pro její zlepšení.

Naše cíle jednoduchosti a snadnosti použití inspirovaly naše rozhodnutí použít systém Grove jako páteř našeho designu. Široká škála kompatibilních modulů umožní uživatelům systému přizpůsobit zařízení PyonAir jejich potřebám, aniž by byli nuceni přepracovávat základní hardware. Mezitím nabízí LoPy4 společnosti Pycom více možností bezdrátové komunikace v jednom úhledném balíčku.

V tomto návodu popíši cestu návrhu a kroky k výrobě desky plošných spojů a poté pokyny k sestavení celé jednotky PyonAir.

Zásoby

Složky:

• LoPy4: Základní deska (https://pycom.io/product/lopy4/)
• PyonAirPCB: Snadné připojení k senzorům Grove
• Plantower PMS5003: Senzor znečištění ovzduší (https://shop.pimoroni.com/products/pms5003-particu…
• Sensirion SPS30: Senzor znečištění ovzduší (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 reálného času: Záložní hodinová jednotka (https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/hardware/…
• GPS modul: GPS přijímač pro čas a místo (https://www.seeedstudio.com/Grove-GPS-Module.html)
• Kabely Grove:
• Anténa Pycom: schopnost LoRa (https://pycom.io/product/lora-868mhz-915mhz-sigfox…
• MicroSD karta
• Napájení: Primární napájecí zdroj (doporučeno:
• Kryt: IP66 115x90x65 mm odolný proti povětrnostním vlivům ABS box (https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t…

Nástroje:

• Páječka
• Multimetr
• Malý šroubovák
• Kabel FTDI (volitelný):

Krok 1: O desce plošných spojů

Konektory Grove jsou stále oblíbenějším standardem v ekosystému fandy elektroniky. Díky konektorům typu plug-and-play je připojení a výměna široké škály modulů snadná a rychlá, bez nutnosti překládat spoje.

Mezitím byla deska Pycom LoPy4 vybrána jako hlavní mikrokontrolér pro PyonAir, protože nabízí 4 režimy bezdrátové komunikace: LoRa, Sigfox, WiFi a Bluetooth a je programována pomocí MicroPython.

Arduino a Raspberry Pi již podporují štíty konektorů Grove, ale žádný zatím nebyl pro systém Pycom vydán. Proto jsme navrhli vlastní PCB rozšiřující desky, která se hodí na desku LoPy4. PCB obsahuje:

• 2 zásuvky I2C (teplotní senzor a RTC)
• 3 zásuvky UART (2x snímač PM a GPS)
• Piny pro data USB
• Tranzistorové obvody pro řízení výkonu senzorů PM
• Tranzistorový obvod pro ovládání napájení přijímače GPS
• Micro SD slot
• Uživatelské tlačítko
• Vstupní konektory (válcové, JST nebo šroubové svorky)
• Regulátor napětí

Krok 2: PCB V1-V3

PCB V1

Můj první pokus o PCB byl založen na konceptu „shim“, kdy by se tenký PCB vešel mezi desku LoPy a rozšiřující desku Pycom, jako je Pytrack (viz výkres CAD). Jako takové neexistovaly žádné montážní otvory a deska byla velmi základní, představovala pouze konektory a dvojici tranzistorů pro zapnutí nebo vypnutí snímačů PM.

Abych byl upřímný, s touto deskou bylo hodně špatně:

• Stopy byly příliš tenké
• Žádné pozemní letadlo
• Divné tranzistorové orientace
• Nevyužitý prostor
• Štítek verze byl napsán ve stopové vrstvě, nikoli v sítotisku

PCB V2

Ve V2 se ukázalo, že potřebujeme, aby PyonAir fungoval bez rozšiřující desky, takže do konstrukce byly přidány napájecí vstupy, terminál UART a slot SD.

Problémy:

• Sleduje zkřížené zóny montážních otvorů
• Žádný průvodce orientací LoPy
• Nesprávná orientace konektoru DC barel

PCB V3

Mezi V2 a V3 byly provedeny relativně malé změny - většinou opravy výše uvedených problémů.

Krok 3: PCB V4

V4 představoval kompletní redesign celého PCB, ve kterém byly provedeny následující změny:

• Téměř každou součást lze pájet ručně nebo předem smontovat pomocí PCBA
• Montážní otvory v rozích
• Komponenty seskupené do zón „Trvalé“, „Napájení“a „Uživatel“

• Štítky pro:

  • Rozsah vstupního napětí
  • Odkaz na dokumentaci
  • Umístění LED diod LoPy
• 2 možnosti držáku SD
• Testovací podložky
• DC barel jack lze namontovat na desku nebo pod ni
• Lepší směrování
• Efektivněji zabalené komponenty
• Byly přidány delší řádky záhlaví, takže uživatel by mohl použít 4 x 8pinové záhlaví namísto 2 párů 8pólových a 6pólových záhlaví, což je o něco levnější.

Krok 4: PCB V5

Konečná verze

Těchto posledních několik úprav bylo provedeno na V5 před tím, než jej Seeed Studio předložilo k výrobě PCBA:

• Ještě upravenější směrování
• Vylepšené umístění štítku
• Aktualizovaný odkaz na web
• Silkscreen podložky pro značení desek plošných spojů během testování
• Více zaoblených rohů (aby se lépe vešly do vybrané skříně)
• Upravená délka desky plošných spojů, aby odpovídala kolejnicím skříně

Krok 5: Jak si vytvořit vlastní: PCBA

Pokud plánujete vyrábět méně než 5 desek plošných spojů, podívejte se místo toho na „Jak si vyrobit vlastní: ruční pájení“(další krok).

Objednávka PCBA z Seeed Studio

1. Přihlaste se nebo si vytvořte účet na
2. Klikněte na 'Objednat nyní'.
3. Nahrajte soubory Gerber.
4. Upravte nastavení (množství DPS a povrchová úprava: HASL bez olova).
5. Přidejte výkres sestavy a vyberte a umístěte soubor.
6. Vyberte množství PCBA.
7. Přidat kusovník. (Pozn.: Pokud se chcete vyhnout pájení sami a nevadí vám delší čekání, můžete do kusovníku přidat regulátor napětí TSRN 1-2450.
8. Přidat do košíku a objednat!

Požadované soubory naleznete na adrese:

Pájení regulátoru napětí

Jedinou částí, která vyžaduje pájení při používání služby PCBA společnosti Seeed, je regulátor napětí TSRN 1-2450. Jak bylo uvedeno výše, můžete to zahrnout do kusovníku sestavy, ale může to do objednávky přidat mnohem více času.

Pokud ho rádi pájíte ručně, jednoduše přidejte regulátor na místo označené sítotiskem a ujistěte se, že je orientace správná. Bílá tečka na sítotisku by se měla shodovat s bílou tečkou na regulátoru (viz obrázek).

Krok 6: Jak si vyrobit vlastní: Ruční pájení

Pokud plánujete vyrábět velké množství desek plošných spojů, podívejte se místo toho na „Jak si vyrobit vlastní: PCBA“(předchozí krok).

Objednávka desek plošných spojů

Desky plošných spojů můžete zakoupit na mnoha webových stránkách, včetně Seeed Studio, přičemž některé mohou být dodány do týdne. Použili jsme Seeed Fusion, ale tyto kroky by měly být velmi podobné ostatním webům.

1. Přihlaste se nebo si vytvořte účet na
2. Klikněte na 'Objednat nyní'.
3. Nahrajte soubory Gerber.
4. Upravte nastavení (množství DPS a povrchová úprava: HASL bez olova)
5. Přidat do košíku a objednat!

Požadované soubory naleznete na adrese:

Objednání dílů

Vzhledem k tomu, že deska obsahuje další podložky pro možnosti montáže SMD/průchozí otvor, nemusíte naplňovat každou část. Pokud pájíte ručně, je nejjednodušší vyhnout se všem SMD obsazením desky podle tabulky uvedené na obrázcích.

N. B. Pokud jste si jisti s páječkou, je prostorově efektivnější a levnější použít slot pro povrchovou montáž Micro SD místo 8kolíkové hlavičky + vylamovací desky.

Krok 7: Jak si vytvořit vlastní: Sestava

Úpravy kabelů Grove

Chcete -li připojit senzory PM ke konektorům grove, budete muset spojit kabely senzorů na kabely grove, jak je znázorněno na obrázku výše. Můžete to udělat buď krimpováním nebo pájením a smršťováním. V závislosti na použitém senzoru se musíte ujistit, že pinout odpovídá vstupům na desku plošných spojů.

Kroky montáže

1. Vyberte, který ze vstupů napájení chcete použít (hlavní konektor / JST / šroubový terminál) a připojte příslušné napájení.
2. Pomocí multimetru zkontrolujte testovací podložky V_IN a 5V na zadní straně desky plošných spojů.
3. Až budete rádi, že je deska správně napájena, odpojte napájecí zdroj. (Pokud ne, zkuste alternativní napájení)
4. Připojte LoPy4 do 16kolíkových konektorů a ujistěte se, že je LED nahoře (jak je znázorněno na sítotisku). Spodní 4 otvory v záhlaví jsou nepoužité.
5. Připojte každé zařízení Grove do odpovídajících zásuvek na desce plošných spojů.
6. Připojte kartu micro SD.
7. Znovu připojte napájení. LED diody na LoPy4 a GPS by se měly rozsvítit.
8. Pomocí multimetru zkontrolujte zbývající testovací podložky na zadní straně desky plošných spojů.
9. Váš PyonAir by nyní měl být připraven k programování!

N. B. Než kartu SD zapojíte do desky, nezapomeňte ji vyprázdnit a naformátovat na FAT32.

VAROVÁNÍ: Vždy připojujte pouze jeden zdroj napájení. Připojení více spotřebičů současně může způsobit zkrat baterie nebo síťového napájení!

Krok 8: Jak si vytvořit vlastní: Software

Pro vývoj softwaru jsme použili Atom a pymakr. Oba jsou open-source a měly by fungovat na většině počítačů. Doporučujeme nainstalovat je před stažením kódu pro desku LoPy4.

Společnost Pycom doporučuje aktualizovat firmware svých zařízení, než se je pokusíte použít. Úplný návod, jak na to, naleznete zde:

Instalace

1. Chcete-li zařízení PM senzor spustit, stáhněte si nejnovější verzi našeho kódu z GitHub: https://github.com/pyonair/PyonAir-pycom Ujistěte se, že jste všechny soubory rozbalili na vhodné místo v počítači nebo notebooku a vyhněte se přejmenování všech souborů.
2. Otevřete Atom a zavřete všechny aktuální soubory kliknutím pravým tlačítkem na složku nejvyšší úrovně a v zobrazené nabídce klikněte na „Odebrat složku projektu“.
3. Přejděte na Soubor> Otevřít složku a vyberte složku „lopy“. Všechny obsažené soubory a složky by se měly objevit v podokně "Projekt" vlevo v Atomu.
4. Připojte PCB PyonAir k vašemu PC nebo notebooku pomocí kabelu FTDI-USB a pinů RX, TX a GND na záhlaví napravo od desky.
5. Deska by se měla zobrazit v Atomu a připojit se automaticky.
6. Chcete -li nahrát kód, jednoduše klikněte na tlačítko „Nahrát“ve spodním panelu. Tento proces může trvat několik minut, v závislosti na tom, kolik souborů je třeba odebrat a nainstalovat. Jakmile je nahrávání úspěšné, zastavte kód stisknutím Ctrl + c na klávesnici a poté odpojte kabel FTDI-USB.

Konfigurace

Když nastavujete nové zařízení poprvé nebo pokud chcete změnit nějaké nastavení, budete jej muset nakonfigurovat přes WiFi.

1. Odstraňte svůj monitor znečištění ovzduší ze všech případů, kdy máte přístup k uživatelskému tlačítku.
2. Připravte si telefon nebo počítač, který se dokáže připojit k místním sítím WiFi.
3. Napájejte zařízení PyonAir.
4. Při prvním nastavení by se zařízení mělo automaticky přepnout do konfiguračního režimu, což je indikováno blikáním modré LED. V opačném případě stiskněte a podržte uživatelské tlačítko na DPS zásuvky Grove (označené CONFIG) po dobu 3 sekund. RGB LED by měla svítit modře.
5. Připojte se k WiFi zařízení PyonAir. (Bude se jmenovat „NewPyonAir“nebo jakkoli jste zařízení dříve pojmenovali.) Heslo je „newpyonair“.
6. Do webového prohlížeče zadejte https://192.168.4.10/. Měla by se zobrazit konfigurační stránka.
7. Vyplňte všechna požadovaná pole na stránce a po dokončení klikněte na „Uložit“. (Budete muset zadat podrobnosti o připojení k LoRa a WiFi, každému senzoru přiřadit jedinečné ID a určit své preference týkající se získávání dat.)
8. Zařízení PyonAir by se nyní mělo restartovat a bude používat vámi zadaná nastavení.

Chcete -li zařízení připojit k síti LoRa, zaregistrujte jej prostřednictvím sítě The Things Network. Vytvořte nové zařízení pomocí Device EUI zobrazeného na konfigurační stránce a zkopírujte Application EUI a App Key z TTN do konfigurací.

Pybytes je online IoT hub společnosti Pycom, jehož prostřednictvím můžete aktualizovat firmware, provádět aktualizace OTA a vizualizovat data z připojených zařízení. Nejprve se budete muset přihlásit nebo si zde vytvořit účet: https://pyauth.pybytes.pycom.io/login a poté podle pokynů zaregistrujte nové zařízení.

Testování

Nejjednodušší způsob, jak otestovat, zda váš monitor znečištění ovzduší funguje správně, je použít kabel FTDI-USB a vývody RX, TX a GND na desce plošiny Grove Socket. Připojení zařízení tímto způsobem vám umožní zobrazit všechny zprávy a čtení v Atomu.

RGB LED na desce LoPy ukazuje stav desky:

• Inicializace = jantarová
• Inicializace proběhla úspěšně = zelené světlo dvakrát zabliká
• Nelze získat přístup na kartu SD = červené světlo bliká bezprostředně po spuštění
• Další problém = během inicializace bliká červené světlo
• Chyby za běhu = červená bliká

Ve výchozím nastavení budou data z PyonAir odesílána na server University of Southampton. Před nasazením zařízení můžete kód upravit a přesměrovat jej na vámi zvolené místo.

Krok 9: Jak si vytvořit vlastní: Nasazení

Nyní, když je váš monitor znečištění ovzduší plně nakonfigurován, měli byste být připraveni zařízení nasadit!

Případová rada

Případ, který jsme vybrali pro naše zařízení, byl: https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t… Můžete si však koupit jiné pouzdro nebo si navrhnout vlastní. Soubory SolidWorks pro většinu hardwaru, který jsme použili, jsou uvedeny v sekci Extra informace, které vám pomohou s návrhem vlastních případů. Jeden navrhovaný způsob uspořádání senzorů a vyřezávání otvorů v pouzdru je také zobrazen na obrázku výše.

Nezapomeňte, že váš případ by měl:

• Chraňte elektroniku před vodou a prachem
• Povolte montáž zařízení na místě
• Nechte vzduch dosáhnout senzorů PM
• Zabraňte přehřátí elektroniky
• Držte elektroniku bezpečně uvnitř pouzdra

Umístění rady

Ideální umístění nasazení bude splňovat následující kritéria:

• V oblasti zájmu o znečištění ovzduší
• Mimo přímé sluneční světlo
• V dosahu brány LoRa
• V dosahu WiFi
• V blízkosti zdroje energie
• Zajistěte montážní body
• Dokáže přijímat signály GPS

Krok 10: Soubory a kredity

Všechny soubory, které potřebujete k vytvoření vlastního úplného PyonAir, najdete na: https://su-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… (Soubory ZIP nelze nahrát do Instructables, omlouváme se!) Gitbook také obsahuje další informace o hardwaru a softwaru.

Kredity

Projekt pod dohledem dr. Stevena J. Ossonta, dr. Phila Basforda a Florentina Bulota

Kód Daneil Hausner a Peter Varga

Návrh obvodu a pokyny Hazel Mitchell