PyonAir - monitor zagađenja zraka otvorenog koda: 10 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:05

PyonAir je jeftin sistem za praćenje lokalnih nivoa zagađenja vazduha - konkretno, čestica. Zasnovan na ploči Pycom LoPy4 i hardveru kompatibilnom sa Groveom, sistem može prenositi podatke i preko LoRa i putem WiFi-a.

Preduzeo sam ovaj projekat na Univerzitetu Southampton, radeći u timu istraživača. Moja primarna odgovornost bila je dizajn i razvoj PCB -a. Ovo je bio moj prvi put da koristim Eagle pa je definitivno bilo iskustvo učenja!

Cilj PyonAir projekta je postavljanje mreže 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 - posebno po pristupačnim cijenama. Uvođenjem projekta otvorenog koda, s jednostavnim uputama za postavljanje, nadamo se da ćemo PyonAir uređaj učiniti dostupnim svima koji su zainteresirani za kvalitetu zraka, bilo osobno ili profesionalno. Na primjer, ovaj uređaj se može koristiti za prikupljanje podataka o studentskim projektima, doktoratima i nezavisnim stranama, čineći vitalno istraživanje koje ima reputaciju visokih troškova mnogo dostupnijim. Projekt se također može koristiti u terenske svrhe, komunicirajući s građanima o njihovom lokalnom kvalitetu zraka i koracima koji se mogu poduzeti za njegovo poboljšanje.

Naši ciljevi jednostavnosti i lakoće korištenja inspirirali su našu odluku da koristimo sistem Grove kao okosnicu našeg dizajna. Širok raspon kompatibilnih modula omogućit će korisnicima sistema da prilagode PyonAir uređaj svojim potrebama, bez prisile da redizajniraju osnovni hardver. 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.

Supplies

Komponente:

• LoPy4: Glavna ploča (https://pycom.io/product/lopy4/)
• PyonAirPCB: Jednostavno povezivanje sa 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 vlažnosti (https://www.seeedstudio.com/Grove-I2C-High-Accurac…
• Sat u realnom vremenu: Rezervna jedinica sata (https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/hardware/…
• GPS modul: GPS prijemnik 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 (opcionalno):

Korak 1: O PCB -u

Konektori Grove sve su popularniji standard u ekosistemu 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 Grove konektore, ali nijedan još nije objavljen za Pycom sistem. Stoga smo dizajnirali vlastitu PCB ploču za proširenje, koja se uklapa u LoPy4 ploču. PCB sadrži:

• 2 I2C utičnice (senzor 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 kontrolu napajanja GPS prijemnika
• Utor za Micro SD
• Korisničko dugme
• Ulazni priključci za napajanje (cijev, JST ili vijčani terminal)
• Regulator napona

Korak 2: PCB V1-V3

PCB V1

Moj prvi pokušaj na PCB -u bio je zasnovan 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 jednostavna, sa samo konektorima i par tranzistora za uključivanje ili isključivanje PM senzora.

Da budem iskren, sa ovom pločom nije bilo mnogo u redu:

• Tragovi su bili pretanki
• Nema aviona
• Čudne orijentacije tranzistora
• Neiskorišćen 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.

Problemi:

• Gusjenice su prešle zone montažnih rupa
• Nema LoPy vodiča za orijentaciju
• Neispravna orijentacija utičnice DC cijevi

PCB V3

Relativno male izmjene su napravljene između V2 i V3 - uglavnom su korigirane gore navedene teme.

Korak 3: PCB V4

V4 je predstavio 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:

  • Opseg ulaznog napona
  • Link za dokumentaciju
  • LoPy LED lokacija
• 2 opcije SD držača
• Jastučići za testiranje
• Utičnica sa jednosmjernom cijevi može se montirati na vrh ili ispod ploče
• Bolje usmjeravanje
• Efikasnije upakovane komponente
• Dodani su duži redovi ženskih zaglavlja, tako da bi korisnik mogao koristiti 4x 8-pinska zaglavlja, umjesto 2 para 8-pinskih i 6-pinskih zaglavlja, što je 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 do web stranice
• Ulošci od sitotiska za označavanje PCB -a tokom ispitivanja
• Zaobljeniji uglovi (za bolje uklapanje u odabrano kućište)
• Prilagođena dužina PCB -a odgovara ogradama

Korak 5: Kako sami napraviti: PCBA

Ako planirate proizvodnju manje od 5 PCB -a, umjesto toga pogledajte "Kako sami napraviti: Ručno lemljenje" (sljedeći korak).

PCBA naručivanje iz Seeed Studija

1. Prijavite se ili kreirajte račun na
2. Kliknite na 'Naruči odmah'.
3. Otpremite Gerber datoteke.
4. Podesite postavke (količina PCB-a i završna obrada površine: HASL bez olova).
5. Dodajte crtež montaže i datoteku za odabir i postavljanje.
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 korpu i naruči!

Molimo vas da posjetite: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… za potrebne datoteke.

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 montažnu BOM, ali to može dodati mnogo više vremena narudžbi.

Ako ga rado lemite ručno, jednostavno dodajte regulator na mjesto označeno sitotiskom, pazeći da je orijentacija ispravna. Bela tačka na sitotisku treba da se poravna sa belom tačkom na regulatoru (vidi sliku).

Korak 6: Kako sami napraviti: Ručno lemljenje

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

Naručivanje PCB -a

PCB -ove 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 koraci bi trebali biti vrlo slični drugim web lokacijama.

1. Prijavite se ili kreirajte račun na
2. Kliknite na 'Naruči odmah'.
3. Otpremite Gerber datoteke.
4. Prilagodite postavke (količina PCB-a i površinska obrada: HASL bez olova)
5. Dodaj u korpu i naruči!

Molimo vas da posjetite: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… za potrebne datoteke.

Naručivanje delova

Budući da ploča ima dodatne jastučiće za SMD opcije montaže, 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, ušteda prostora i jeftinija je upotreba Micro SD utora za površinsko montiranje umjesto 8-pinskog zaglavlja + razvodne ploče.

Korak 7: Kako sami napraviti: Montaža

Modifikacije kabela Grove

Da biste spojili svoje PM senzore na konektore za udubljenje, morat ćete spojiti kabele senzora na kablove udubljenja, kao što je prikazano na gornjoj slici. To možete učiniti pomoću presovanja 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, isključite 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. Priključite svaki od Grove uređaja u odgovarajuće utičnice na PCB -u.
6. Priključite mikro SD karticu.
7. Ponovo priključite 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 bi sada 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. Priključivanjem više izvora napajanja može doći do prekida baterije ili napajanja!

Korak 8: Kako sami napraviti: softver

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

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

Instalacija

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 prikladnu lokaciju na svom računaru ili prijenosnom računaru i izbjegavajte preimenovanje bilo koje datoteke.
2. Otvorite Atom i zatvorite sve trenutne datoteke tako što ćete desnim tasterom miša kliknuti na fasciklu najvišeg nivoa i kliknuti na „Remove Project Folder“u meniju 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 računar ili laptop pomoću FTDI-USB kabla i RX, TX i GND pinova na zaglavlju desno od ploče.
5. Ploča bi se trebala pojaviti u Atomu i automatski se povezati.
6. Da biste učitali kôd, jednostavno kliknite dugme "Otpremi" u donjem oknu. Proces može potrajati nekoliko minuta, ovisno o tome koliko datoteka treba ukloniti i instalirati. Kada prijenos uspije, pritisnite Ctrl + c na tastaturi da zaustavite kôd, a zatim odspojite FTDI-USB kabel.

Konfiguracija

Kada prvi put postavljate novi uređaj 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 računar koji se može povezati na lokalne WiFi mreže.
3. Uključite PyonAir uređaj.
4. Prilikom prvog postavljanja uređaja, on bi se trebao automatski prebaciti u konfiguracijski način, označen plavom LED diodom koja treperi. U suprotnom, pritisnite i zadržite korisničko dugme na PCB -u utičnice Grove (označeno sa CONFIG) 3 sekunde. RGB LED dioda trebala bi svijetliti plavo.
5. Povežite se na WiFi na PyonAir uređaju. (Ovo će se zvati 'NewPyonAir' ili kako god već nazvali uređaj.) Lozinka je 'newpyonair'.
6. Unesite https://192.168.4.10/ u svoj web preglednik. Konfiguracijska stranica bi se trebala pojaviti.
7. Popunite sva obavezna polja na stranici i kliknite 'Spremi' kada završite. (Morat ćete dostaviti detalje o povezivanju s LoRa -om i WiFi -om, dodijeliti jedinstveni ID svakom senzoru i odrediti svoje preferencije u vezi sa 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. Kreirajte novi uređaj s EUI -jem uređaja prikazanim na stranici sa konfiguracijom 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 otvoriti račun ovdje: https://pyauth.pybytes.pycom.io/login, a zatim slijedite korake za registraciju novog uređaja.

Testiranje

Najlakši način da provjerite radi li vaš monitor zagađenja zraka ispravno je pomoću FTDI-USB kabela i RX, TX i 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 uspela = Zeleno svetlo treperi dva puta
• Nije moguće pristupiti SD kartici = Crveno svjetlo treperi odmah nakon pokretanja
• Drugi problem = Crveno svjetlo treperi tokom inicijalizacije
• Greške u toku izvođenja = Crveno treperi

Podrazumevano, podaci iz PyonAira šalju se na server Univerziteta u Southamptonu. Kôd možete urediti prije postavljanja uređaja kako biste ga preusmjerili na lokaciju 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!

Savjeti 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 radi lakšeg dizajniranja 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
• Dozvolite montažu uređaja na licu mjesta
• Dopustite da zrak dopre do PM senzora
• Spriječite pregrijavanje elektronike
• Čvrsto držite elektroniku unutar kućišta

Locationadvice

Idealna lokacija za implementaciju zadovoljit će sljedeće kriterije:

• U regiji od interesa za zagađenje zraka
• Od direktne sunčeve svetlosti
• U dometu LoRa pristupnika
• U dometu WiFi
• Blizina izvora napajanja
• Osigurajte tačke montaže
• Može primati GPS signale

Korak 10: Datoteke i krediti

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

Krediti

Projekat nadgledaju dr Steven J Ossont, dr Phil Basford & Florentin Bulot

Kod Daneil Hausner & Peter Varga

Dizajn kola i upute od Hazel Mitchell