PyonAir - odprtokodni monitor onesnaževanja zraka: 10 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:03

PyonAir je poceni sistem za spremljanje lokalnih ravni onesnaženosti zraka - zlasti trdnih delcev. Na podlagi plošče Pycom LoPy4 in strojne opreme, združljive z Grove, lahko sistem prenaša podatke tako prek LoRa kot WiFi.

Za ta projekt sem se lotil na univerzi v Southamptonu in delal v skupini raziskovalcev. Moja primarna odgovornost je bila oblikovanje in razvoj PCB. Prvič sem uporabil Eagle, zato je bila vsekakor učna izkušnja!

Namen projekta PyonAir je vzpostaviti mrežo poceni monitorjev onesnaževanja interneta stvari, ki nam bodo omogočili zbiranje ključnih informacij o porazdelitvi in vzrokih onesnaženja zraka. Čeprav je na trgu veliko monitorjev za onesnaževanje, večina ponuja le "indeks kakovosti zraka", ne pa surovih podatkov o PM, zlasti po dostopnih cenah. Z uvedbo odprtokodnega projekta in z enostavnimi navodili za nastavitev upamo, da bo naprava PyonAir dostopna vsem, ki jih osebno ali poklicno zanima kakovost zraka. Na primer, to napravo lahko uporabite za zbiranje podatkov o študentskih projektih, doktoratih in neodvisnih strankah, zaradi česar so bistvene raziskave, ki slovijo po naraščajočih stroških, veliko bolj dosegljive. Projekt se lahko uporablja tudi za namene ozaveščanja javnosti in komuniciranje z javnostjo o njihovi lokalni kakovosti zraka in korakih, ki jih je mogoče sprejeti za njegovo izboljšanje.

Naši cilji enostavnosti in enostavnosti uporabe so navdihnili našo odločitev, da sistem Grove uporabimo kot hrbtenico našega oblikovanja. Širok nabor združljivih modulov bo uporabnikom sistema omogočil, da prilagodijo napravo PyonAir svojim potrebam, ne da bi bili prisiljeni preoblikovati osnovno strojno opremo. Medtem Pycom -ov LoPy4 ponuja več možnosti za brezžično komunikacijo v enem samem, čednem paketu.

V tem navodilu bom opisal oblikovalsko pot in korake za izdelavo tiskanega vezja, sledijo pa navodila, kako sestaviti celotno enoto PyonAir.

Zaloge

Sestavine:

• LoPy4: Glavna plošča (https://pycom.io/product/lopy4/)
• PyonAirPCB: Enostavna povezava s senzorji Grove
• Plantower PMS5003: Senzor onesnaženosti zraka (https://shop.pimoroni.com/products/pms5003-particu…
• Sensirion SPS30: Senzor onesnaženosti zraka (https://www.mouser.co.uk/ProductDetail/Sensirion/SPS30?qs=lc2O%252bfHJPVbEPY0RBeZmPA==)
• Senzor SHT35: Senzor temperature in vlažnosti (https://www.seeedstudio.com/Grove-I2C-High-Accurac…
• Ura v realnem času: enota ure varnostne kopije (https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/hardware/…
• GPS modul: GPS sprejemnik za čas in lokacijo (https://www.seeedstudio.com/Grove-GPS-Module.html)
• Kabli Grove:
• Pycom antena: zmogljivost LoRa (https://pycom.io/product/lora-868mhz-915mhz-sigfox…
• Kartica microSD
• Napajanje: Primarno napajanje (priporočeno:
• Ohišje: IP66 115x90x65 mm vremensko odporna ABS škatla (https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t…

Orodja:

• Spajkalnik
• Multimeter
• Majhen izvijač
• Kabel FTDI (neobvezno):

1. korak: O tiskanem vezju

Konektorji Grove so vse bolj priljubljen standard v ekosistemu elektronike za ljubitelje. Konektorji plug-and-play omogočajo enostavno in hitro pritrditev in zamenjavo širokega nabora modulov, brez potrebe po ponovnem spajkanju spojev.

Medtem je bila Pycomova plošča LoPy4 izbrana kot glavni mikrokrmilnik za PyonAir, saj ponuja 4 brezžične komunikacijske načine: LoRa, Sigfox, WiFi in Bluetooth ter je programirana z MicroPythonom.

Arduino in Raspberry Pi že podpirata ščitnike priključkov Grove, vendar za sistem Pycom še ni bil izdan noben. Zato smo zasnovali lastno razširitveno ploščo PCB, ki se prilega plošči LoPy4. PCB vsebuje:

• 2 vtičnici I2C (temperaturni senzor in RTC)
• 3 UART vtičnice (2x PM senzor in GPS)
• Zatiči za podatke USB
• Tranzistorska vezja za krmiljenje moči senzorjev PM
• Tranzistorsko vezje za krmiljenje napajanja sprejemnika GPS
• Reža za mikro SD
• Uporabniški gumb
• Vhodni priključki za napajanje (sod, JST ali vijačni priključek)
• Regulator napetosti

Korak: PCB V1-V3

PCB V1

Moj prvi poskus na tiskanem vezju je temeljil na "shim" konceptu, kjer bi se tanka PCB prilegala med ploščo LoPy in razširitveno ploščo Pycom, na primer Pytrack (glej risbo CAD). Tako ni bilo nobenih montažnih lukenj, plošča pa je bila zelo osnovna in je vsebovala samo konektorje in par tranzistorjev za vklop ali izklop PM senzorjev.

Če sem iskren, je bilo s to tablo veliko narobe:

• Proge so bile preveč tanke
• Brez talne ravnine
• Čudne usmeritve tranzistorjev
• Neuporabljen prostor
• Oznaka različice je bila napisana v slogu sledi, ne na sitotisku

PCB V2

Z V2 je postalo očitno, da potrebujemo PyonAir za delovanje brez razširitvene plošče, zato so bili zasnovi dodani vhodi za napajanje, terminal UART in reža SD.

Vprašanja:

• Gosenice so prečkale območja montažnih lukenj
• Ni orientacijskega vodnika LoPy
• Nepravilna usmerjenost vtičnice enosmernega toka

PCB V3

Med V2 in V3 so bile narejene relativno manjše spremembe - večinoma popravki zgornjih vprašanj.

Korak: PCB V4

V4 je predstavil popolno prenovo celotnega tiskanega vezja, v katerem so bile izvedene naslednje spremembe:

• Skoraj vsako komponento je mogoče spajkati ročno ali vnaprej sestaviti z uporabo PCBA
• Montažne luknje na vogalih
• Komponente, združene v območja »Stalno«, »Napajanje« in »Uporabnik«

• Oznake za:

  • Območje vhodne napetosti
  • Povezava do dokumentacije
  • LoPy LED lokacija
• 2 možnosti nosilca SD
• Testne blazinice
• Vtičnico za enosmerni tok lahko namestite na vrh ali pod ploščo
• Boljše usmerjanje
• Učinkoviteje zapakirane komponente
• Dodane so bile daljše vrstice ženskih glav, tako da bi lahko uporabnik uporabil 4x 8-polne glave, namesto 2 para 8-polnih in 6-polnih glav, kar je nekoliko ceneje.

4. korak: PCB V5

Končna različica

Zadnjih nekaj prilagoditev je bilo v V5, preden ga je Seeed Studio predložil za izdelavo PCBA:

• Še bolj urejeno usmerjanje
• Izboljšano pozicioniranje nalepk
• Posodobljena povezava do spletnega mesta
• Blazinice iz svilenega sita za označevanje PCB med preskušanjem
• Bolj zaobljeni vogali (za boljše prileganje v izbrano ohišje)
• Prilagojena dolžina tiskanega vezja, ki ustreza ogradnim tirnicam

5. korak: Kako narediti svoje: PCBA

Če nameravate izdelati manj kot 5 PCB -jev, si oglejte "Kako narediti svoje: ročno spajkanje" (naslednji korak).

Naročilo PCBA iz Seeed Studio

1. Prijavite se ali ustvarite račun na naslovu
2. Kliknite »Naroči zdaj«.
3. Naložite datoteke Gerber.
4. Prilagodite nastavitve (količina tiskanega vezja in površinska obdelava: HASL brez svinca).
5. Dodajte risbo montaže in izberite datoteko za izbiro in postavitev.
6. Izberite količino PCBA.
7. Dodajte BOM. (Opomba: če se želite sami izogniti spajkanju in vas ne moti daljše čakanje, lahko v specifikacijo dodate regulator napetosti TSRN 1-2450.
8. Dodaj v košarico in naroči!

Za potrebne datoteke obiščite:

Spajkanje regulatorja napetosti

Edini del, ki zahteva spajkanje pri uporabi Seeedove storitve PCBA, je regulator napetosti TSRN 1-2450. Kot je navedeno zgoraj, lahko to vključite v montažno specifikacijo, vendar lahko naročilo doda veliko več časa.

Če ga z veseljem spajkate ročno, preprosto dodajte regulator na mesto, ki ga označuje sitotisk, in se prepričajte, da je orientacija pravilna. Bela pika na sitotisku se mora poravnati z belo piko na regulatorju (glej sliko).

6. korak: Kako narediti svoje: Ročno spajkanje

Če nameravate izdelati veliko število PCB -jev, si oglejte "Kako narediti svoje: PCBA" (prejšnji korak).

Naročanje PCB -jev

PCB -je lahko kupite na številnih spletnih mestih, vključno s programom Seeed Studio, nekatera pa lahko dostavijo v manj kot enem tednu. Uporabili smo Seeed Fusion, vendar bi morali biti ti koraki zelo podobni drugim mestom.

1. Prijavite se ali ustvarite račun na naslovu
2. Kliknite »Naroči zdaj«.
3. Naložite datoteke Gerber.
4. Prilagodite nastavitve (količina tiskanega vezja in površinska obdelava: HASL brez svinca)
5. Dodajte v košarico in naročite!

Za potrebne datoteke obiščite:

Naročanje delov

Ker ima plošča dodatne blazinice za možnosti pritrditve SMD/skozi luknje, vam ni treba zapolniti vseh delov. Če spajkate z roko, se je najlažje izogniti vsem SMD -jem tako, da napolnite ploščo v skladu s tabelo, prikazano na slikah.

N. B. Če ste prepričani v spajkalnik, je prostorsko učinkovitejša in cenejša uporaba reže za mikro SD za namestitev na površino namesto 8-polne glave + odmične plošče.

7. korak: Kako narediti svoje: montaža

Spremembe kabla Grove

Če želite senzorje PM priključiti na priključke za utor, boste morali kable senzorja spojiti na kable žleba, kot je prikazano na zgornji sliki. To lahko storite s stiskanjem ali spajkanjem in termoskrčanjem. Odvisno od senzorja, ki ga uporabljate, se morate prepričati, da se pinout ujema z vhodi na tiskano vezje.

Koraki montaže

1. Izberite enega od vhodov za napajanje, ki ga želite uporabiti (cevna vtičnica / JST / vijačni priključek) in priključite ustrezno napajanje.
2. Z multimetrom preverite testne ploščice V_IN in 5V na zadnji strani tiskanega vezja.
3. Ko ste zadovoljni, da je plošča pravilno napajana, odstranite napajalnik. (Če ne poskusite z alternativnim napajanjem)
4. LoPy4 priključite v 16-polne glave, tako da je LED na vrhu (kot je prikazano na sitotisku). Spodnje 4 luknje v glavi niso uporabljene.
5. Vsako napravo Grove priključite v ustrezne vtičnice na tiskanem vezju.
6. Priključite kartico micro SD.
7. Ponovno priključite napajanje. LED na LoPy4 in GPS morata vklopiti.
8. Z multimetrom preverite preostale preskusne ploščice na zadnji strani tiskanega vezja.
9. Vaš PyonAir bi moral biti zdaj pripravljen za programiranje!

N. B. Preden priključite kartico SD, izpraznite kartico SD in jo formatirajte kot FAT32.

OPOZORILO: Naenkrat priključite samo en vir napajanja. Priključitev več virov hkrati lahko povzroči izpad baterije ali električnega omrežja!

8. korak: Kako narediti svoje: programska oprema

Za razvoj programske opreme smo uporabili Atom in pymakr. Oba sta odprtokodna in bi morala delovati na večini računalnikov. Priporočamo, da jih namestite, preden naložite kodo za ploščo LoPy4.

Pycom priporoča, da posodobite vdelano programsko opremo svojih naprav, preden jih poskusite uporabiti. Celotna navodila o tem, kako to storiti, najdete tukaj:

Namestitev

1. Če želite, da naprava za senzor PM deluje, prenesite najnovejšo različico naše kode z GitHub-a: https://github.com/pyonair/PyonAir-pycom Poskrbite, da boste vse datoteke izvlekle na priročno mesto v računalniku ali prenosnem računalniku in se izogibajte preimenovanju katere koli datoteke.
2. Odprite Atom in zaprite vse trenutne datoteke tako, da z desno tipko miške kliknete mapo najvišje ravni in v meniju, ki se prikaže, kliknete »Odstrani mapo projekta«.
3. Pojdite v Datoteka> Odpri mapo in izberite mapo "lopy". Vse vsebovane datoteke in mape bi se morale prikazati v podoknu »Projekt« na levi strani v Atomu.
4. PCB PyonAir priključite v računalnik ali prenosni računalnik s kablom FTDI-USB in zatiči RX, TX in GND na glavi desno od plošče.
5. Plošča bi se morala prikazati v Atomu in se samodejno povezati.
6. Če želite naložiti kodo, preprosto kliknite gumb »Naloži« v spodnjem podoknu. Postopek lahko traja nekaj minut, odvisno od tega, koliko datotek je treba odstraniti in namestiti. Ko je prenos uspešen, pritisnite Ctrl + c na tipkovnici, da ustavite kodo, nato odklopite kabel FTDI-USB.

Konfiguracija

Ko prvič nastavite novo napravo ali če želite spremeniti katere koli nastavitve, jo boste morali konfigurirati prek WiFi.

1. Odstranite monitor za onesnaževanje zraka iz vseh primerov, tako da lahko dostopate do uporabniškega gumba.
2. Pripravite telefon ali računalnik, ki se lahko poveže z lokalnimi omrežji WiFi.
3. Vklopite napravo PyonAir.
4. Pri prvi nastavitvi naprave naj se samodejno preklopi v konfiguracijski način, kar označuje utripanje modre LED. V nasprotnem primeru pritisnite in držite uporabniški gumb na tiskanem vezju vtičnice Grove (označeno z CONFIG) 3 sekunde. RGB LED mora sveti modro.
5. Priključite se na WiFi naprave PyonAir. (To bo poimenovano 'NewPyonAir' ali karkoli ste prej poimenovali napravo.) Geslo je 'newpyonair'.
6. V svoj spletni brskalnik vnesite https://192.168.4.10/. Prikazati bi se morala konfiguracijska stran.
7. Izpolnite vsa obvezna polja na strani in po zaključku kliknite 'Shrani'. (LoRa in WiFi morate posredovati podrobnosti o povezavi, vsakemu senzorju dodeliti edinstven ID in določiti svoje želje glede zbiranja podatkov.)
8. Naprava PyonAir se mora zdaj znova zagnati in bo uporabila nastavitve, ki ste jih podali.

Če želite napravo povezati z LoRa, jo registrirajte prek omrežja The Things Network. Ustvarite novo napravo z uporabniškim vmesnikom naprave, ki je prikazan na konfiguracijski strani, in kopirajte uporabniški vmesnik aplikacije in ključ aplikacije iz TTN v konfiguracije.

Pybytes je Pycomovo spletno središče IoT, prek katerega lahko posodobite vdelano programsko opremo, izvedete posodobitve OTA in vizualizirate podatke iz povezanih naprav. Najprej se morate prijaviti ali ustvariti račun tukaj: https://pyauth.pybytes.pycom.io/login, nato pa sledite korakom za registracijo nove naprave.

Testiranje

Najlažji način, da preverite, ali vaš monitor za onesnaževanje zraka deluje pravilno, je, da uporabite kabel FTDI-USB in zatiče RX, TX & GND na tiskanem vezju Grove Socket. Če na ta način povežete napravo, si lahko ogledate vsa sporočila in odčitke v Atomu.

LED RGB na plošči LoPy prikazuje stanje plošče:

• Inicializacija = oranžna
• Inicializacija je uspela = zelena lučka utripa dvakrat
• Ne morem dostopati do kartice SD = Rdeča lučka utripa takoj po zagonu
• Druga težava = Med inicializacijo utripa rdeča luč
• Napake med izvajanjem = utripa rdeče

Podatki iz PyonAira bodo privzeto poslani na strežnik Univerze v Southamptonu. Kodo lahko pred uvedbo naprave uredite, da jo preusmerite na izbrano lokacijo.

9. korak: Kako narediti svoje: uvedba

Zdaj, ko je vaš monitor za onesnaževanje zraka v celoti konfiguriran, morate biti pripravljeni za uporabo naprave!

Nasvet za primer

Primer, ki smo ga izbrali za naše naprave, je bil: https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t… Vsekakor pa kupite drugo ohišje ali oblikujte svojega. Datoteke SolidWorks za večino strojne opreme, ki smo jo uporabili, so v razdelku Dodatne informacije za pomoč pri oblikovanju etuijev po meri. Ena od predlaganih metod razporeditve senzorjev in rezanja lukenj v ohišju je prikazana tudi na zgornji sliki.

Ne pozabite, da bi moral vaš primer:

• Zaščitite elektroniko pred vodo in prahom
• Omogočite namestitev naprave na mestu
• Dovolite, da zrak doseže senzorje (-e) PM
• Preprečite pregrevanje elektronike
• Varno držite elektroniko v ohišju

Lokacijenadvice

Idealna lokacija za uvajanje bo izpolnjevala naslednja merila:

• V regiji, ki je zanimiva za onesnaževanje zraka
• Izven neposredne sončne svetlobe
• V dosegu prehoda LoRa
• V dosegu WiFi
• Blizu vira napajanja
• Zavarujte pritrdilne točke
• Lahko sprejema signale GPS

10. korak: Datoteke in krediti

Vse datoteke, ki jih potrebujete za izdelavo lastnega celotnega programa PyonAir, najdete na: https://su-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… (Zip datotek ni mogoče naložiti v Instructables, žal!) Gitbook vsebuje tudi dodatne informacije o strojni in programski opremi.

Krediti

Projekt nadzirajo dr. Steven J Ossont, dr. Phil Basford in Florentin Bulot

Koda Daneila Hausnerja in Petra Varge

Oblikovanje vezja in navodila Hazel Mitchell