PyonAir - монитор за замърсяване на въздуха с отворен код: 10 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:50

PyonAir е евтина система за мониторинг на местните нива на замърсяване на въздуха - по -специално на прахови частици. Базирана на платката Pycom LoPy4 и хардуер, съвместим с Grove, системата може да предава данни както по LoRa, така и по WiFi.

Заех се с този проект в университета в Саутхемптън, работейки в екип от изследователи. Основната ми отговорност беше проектирането и разработването на печатни платки. За първи път използвах Eagle, така че определено беше учене!

Целта на проекта PyonAir е да внедри мрежа от евтини монитори за замърсяване на IoT, които ще ни позволят да съберем важна информация за разпространението и причините за замърсяването на въздуха. Въпреки че на пазара има много монитори за замърсяване, повечето предлагат само „Индекс на качеството на въздуха“, а не сурови данни за PM, особено на достъпни цени. Като направим проекта с отворен код, с лесни инструкции за настройка, се надяваме да направим устройството PyonAir достъпно за всеки, който се интересува от качеството на въздуха, лично или професионално. Например, това устройство може да се използва за събиране на данни за студентски проекти, докторанти и независими страни, което прави много по -достъпни жизненоважни изследвания, които имат репутация за високи разходи. Проектът може да се използва и за информационни цели, като се комуникира с обществеността относно тяхното местно качество на въздуха и стъпките, които могат да бъдат предприети за подобряването му.

Нашите цели за простота и лекота на използване вдъхновиха решението ни да използваме системата Grove като гръбнак на нашия дизайн. Широката гама от съвместими модули ще позволи на потребителите на системата да персонализират устройството PyonAir според техните нужди, без да бъдат принудени да преработват основния хардуер. Междувременно, LoPy4 на Pycom предлага множество опции за безжична комуникация в един, чист пакет.

В тази инструкция ще опиша дизайнерското пътуване и стъпките за производство на печатни платки, последвани от инструкции как да сглобите пълния модул PyonAir.

Консумативи

Компоненти:

• LoPy4: Главна платка (https://pycom.io/product/lopy4/)
• PyonAirPCB: Лесна връзка със сензори на Grove
• Plantower PMS5003: Сензор за замърсяване на въздуха (https://shop.pimoroni.com/products/pms5003-particu…
• Sensirion SPS30: Сензор за замърсяване на въздуха (https://www.mouser.co.uk/ProductDetail/Sensirion/SPS30?qs=lc2O%252bfHJPVbEPY0RBeZmPA==)
• Сензор SHT35: Сензор за температура и влажност (https://www.seeedstudio.com/Grove-I2C-High-Accurac…
• Часовник в реално време: Резервен часовник (https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/hardware/…
• GPS модул: GPS приемник за време и местоположение (https://www.seeedstudio.com/Grove-GPS-Module.html)
• Grove кабели:
• Антена Pycom: Възможност за LoRa (https://pycom.io/product/lora-868mhz-915mhz-sigfox…
• MicroSD карта
• Захранване: Първично захранване (Препоръчително:
• Калъф: IP66 115x90x65 мм устойчива на атмосферни влияния ABS кутия (https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t…

Инструменти:

• Поялник
• Мултиметър
• Малка отвертка
• FTDI кабел (по избор):

Стъпка 1: За печатната платка

Съединителите Grove са все по -популярен стандарт в екосистемата на електрониката за любители. Plug-and-play конекторите улесняват и закрепват и сменят широка гама от модули, без да е необходимо презалепване на фуги.

Междувременно платката LoPy4 на Pycom е избрана за основен микроконтролер за PyonAir, тъй като предлага 4 безжични комуникационни режима: LoRa, Sigfox, WiFi и Bluetooth и е програмирана с помощта на MicroPython.

Arduino и Raspberry Pi вече поддържат щитове за конектори на Grove, но все още не са пуснати за системата Pycom. Затова проектирахме собствена печатна платка за разширителна платка, която се вписва в платката LoPy4. ПХБ съдържа:

• 2 гнезда I2C (сензор за температура и RTC)
• 3 UART гнезда (2x PM сензор и GPS)
• Игли за USB данни
• Транзисторни схеми за управление на захранването на PM сензорите
• Транзисторна схема за управление на захранването на GPS приемника
• Слот за Micro SD
• Потребителски бутон
• Входни конектори за захранване (барел, JST или винтова клема)
• Волтажен регулатор

Стъпка 2: PCB V1-V3

PCB V1

Първият ми опит за печатна платка се основаваше на концепция за "подложка", където тънка печатна платка би могла да се побере между платката LoPy и платката за разширение на Pycom, като Pytrack (вижте CAD чертеж). Поради това нямаше монтажни отвори и платката беше много основна, включваща само конектори и чифт транзистори за включване или изключване на PM сензорите.

Честно казано, имаше много грешки с тази дъска:

• Следите бяха твърде тънки
• Няма наземна равнина
• Странни транзисторни ориентации
• Неизползвано пространство
• Етикетът на версията е написан в песен, а не върху копринено сито

PCB V2

До V2 стана очевидно, че имаме нужда от PyonAir за работа без платка за разширение, така че към дизайна бяха добавени входове за захранване, UART терминал и SD слот.

Проблеми:

• Релсите пресичат зоните за монтажни отвори
• Няма ръководство за ориентация на LoPy
• Неправилна ориентация на жака за постоянен ток

PCB V3

Сравнително малки промени бяха направени между V2 и V3 - най -вече корекции на горните проблеми.

Стъпка 3: PCB V4

V4 включваше пълен редизайн на цялата печатна платка, в който бяха направени следните промени:

• Почти всеки компонент може да бъде запоен на ръка или предварително сглобен с помощта на PCBA
• Монтиране на отвори в ъглите
• Компоненти, групирани в зони „Постоянен“, „Захранване“и „Потребител“

• Етикети за:

  • Диапазон на входното напрежение
  • Връзка към документация
  • LoPy LED местоположение
• 2 опции за SD държач
• Тестови подложки
• Жакът за DC барел може да се монтира отгоре или под дъската
• По -добро маршрутизиране
• По -ефективно опаковани компоненти
• Добавени бяха по-дълги женски заглавни редове, така че потребителят ще може да използва 4x 8-пинови заглавки, вместо 2 чифта 8-пинови и 6-пинови заглавки, което го прави малко по-евтин.

Стъпка 4: PCB V5

Окончателната версия

Последните няколко корекции бяха направени във V5, преди да бъде подаден за производство на PCBA от Seeed Studio:

• Още по -подредено маршрутизиране
• Подобрено позициониране на етикета
• Актуализирана връзка към уебсайта
• Подложки от копринен печат за етикетиране на печатни платки по време на тестване
• По -заоблени ъгли (за по -добро прилягане в избрания корпус)
• Регулирана дължина на печатни платки, за да пасне на релсите на корпуса

Стъпка 5: Как да направите своя собствена: PCBA

Ако планирате да произвеждате по -малко от 5 печатни платки, вместо това вижте „Как да си направите сами: Ръчно запояване“(следваща стъпка).

PCBA Поръчка от Seeed Studio

1. Влезте или създайте акаунт на
2. Кликнете върху „Поръчайте сега“.
3. Качете Gerber файлове.
4. Регулирайте настройките (количество печатни платки и повърхностно покритие: HASL без олово).
5. Добавете монтажен чертеж и изберете и поставете файл.
6. Изберете количество PCBA.
7. Добавете спецификация. (Забележка: Ако искате сами да избегнете запояването и нямате нищо против по-дългото чакане, можете да добавите регулатора на напрежението TSRN 1-2450 към спецификацията.
8. Добавете в количката и поръчайте!

Моля, посетете: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… за необходимите файлове.

Запояване на регулатора на напрежението

Единствената част, която изисква запояване при използване на услугата PCBA на Seeed, е регулаторът на напрежението TSRN 1-2450. Както бе споменато по -горе, можете да включите това в спецификацията на монтажа, но това може да добави много повече време към поръчката.

Ако сте щастливи да го запоите на ръка, просто добавете регулатора на мястото, посочено от копринената печат, като се уверите, че ориентацията е правилна. Бялата точка на копринения екран трябва да се подравнява с бялата точка на регулатора (вижте снимката).

Стъпка 6: Как да си направите сами: Ръчно запояване

Ако планирате да произвеждате голям брой печатни платки, вместо това вижте „Как да направите своя собствена: PCBA“(предишна стъпка).

Поръчване на печатни платки

Можете да закупите печатни платки от много уебсайтове, включително Seeed Studio, като някои от тях могат да се доставят за по -малко от седмица. Използвахме Seeed Fusion, но тези стъпки трябва да са много подобни на други сайтове.

1. Влезте или създайте акаунт на
2. Кликнете върху „Поръчайте сега“.
3. Качете Gerber файлове.
4. Регулирайте настройките (количество печатни платки и повърхностно покритие: HASL без олово)
5. Добавете в количката и поръчайте!

Моля, посетете: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… за необходимите файлове.

Поръчка на части

Тъй като дъската има допълнителни подложки за SMD опции за монтаж, не е необходимо да попълвате всяка част. Ако запоявате на ръка, най -лесно е да избегнете всички SMD, като попълните платката според таблицата, показана на снимките.

N. B. Ако сте уверени в поялника, е по-ефикасно и по-евтино да използвате слот за Micro SD с повърхностен монтаж вместо 8-пинов хедър + пробивна платка.

Стъпка 7: Как да си направите сами: Монтаж

Модификации на кабела на Grove

За да свържете вашите PM сензори към конекторите на канала, ще трябва да сплитите сензорните кабели към кабелите на канала, както е показано на снимката по -горе. Можете да направите това с помощта на кримпване или спойка и термосвиване. В зависимост от сензора, който използвате, ще трябва да се уверите, че изходът съвпада с входовете на печатната платка.

Стъпки за сглобяване

1. Изберете кой от входовете за захранване искате да използвате (жак за варел / JST / винтова клема) и свържете съответното захранване.
2. Използвайте мултицет, за да проверите тестовите тампони V_IN и 5V на гърба на печатната платка.
3. Когато сте доволни, че платката се захранва правилно, извадете захранването. (Ако не опитате алтернативно захранване)
4. Включете LoPy4 в 16-пиновите заглавки, като се уверите, че светодиодът е в горната част (както е показано на копринения екран). Долните 4 дупки в заглавките са неизползвани.
5. Свържете всяко от устройствата Grove в съответните гнезда на печатната платка.
6. Включете micro SD картата.
7. Свържете отново захранването. Светодиодите на LoPy4 и GPS трябва да светнат.
8. Използвайте мултицет, за да проверите останалите тестови тампони на гърба на печатната платка.
9. Вашият PyonAir вече трябва да е готов за програмиране!

N. B. Уверете се, че сте изпразнили SD картата и я форматирате като FAT32, преди да я включите в платката.

ВНИМАНИЕ: Свързвайте само един източник на захранване наведнъж. Свързването на няколко захранвания едновременно може да доведе до прекъсване на батерията или захранването!

Стъпка 8: Как да направите своя собствена: Софтуер

За разработването на софтуер използвахме Atom и pymakr. И двете са с отворен код и трябва да работят на повечето компютри. Препоръчваме да ги инсталирате, преди да изтеглите кода за платката LoPy4.

Pycom препоръчва да актуализирате фърмуера на своите устройства, преди да опитате да ги използвате. Пълни инструкции как да направите това можете да намерите тук:

Инсталация

1. За да стартирате вашето PM сензорно устройство, изтеглете най-новата версия на нашия код от GitHub: https://github.com/pyonair/PyonAir-pycom Уверете се, че извличате всички файлове на удобно място на вашия компютър или лаптоп и избягвайте преименуването на някой от файловете.
2. Отворете Atom и затворете всички текущи файлове, като щракнете с десния бутон върху папката от най-високо ниво и щракнете върху „Премахване на папката на проекта“в менюто, което се показва.
3. Отидете на File> Open Folder и изберете папката "lopy". Всички съдържащи се файлове и папки трябва да се появят в прозореца „Проект“вляво в Atom.
4. Включете платката PyonAir към вашия компютър или лаптоп с помощта на FTDI-USB кабел и щифтовете RX, TX и GND на заглавката вдясно от платката.
5. Платката трябва да се показва в Atom и да се свързва автоматично.
6. За да качите кода, просто щракнете върху бутона „Качване“в долния прозорец. Процесът може да отнеме няколко минути, в зависимост от това колко файла трябва да бъдат премахнати и инсталирани. След като качването е успешно, натиснете Ctrl + c на клавиатурата си, за да спрете кода, след което изключете FTDI-USB кабела.

Конфигурация

Когато настройвате ново устройство за първи път или ако искате да промените някакви настройки, ще трябва да го конфигурирате през WiFi.

1. Извадете монитора за замърсяване на въздуха от всички случаи, така че да имате достъп до потребителския бутон.
2. Подгответе телефон или компютър, който може да се свърже с локални WiFi мрежи.
3. Захранвайте устройството PyonAir.
4. Когато настройвате устройството за първи път, то трябва автоматично да премине в режим на конфигуриране, обозначен със мигащ син светодиод. В противен случай натиснете и задръжте потребителския бутон на печатната платка на гнездото Grove (с етикет CONFIG) за 3 секунди. RGB светодиодът трябва да стане постоянно син.
5. Свържете се с WiFi на устройството PyonAir. (Това ще бъде наречено „NewPyonAir“или каквото и да е било преди това наименование на устройството.) Паролата е „newpyonair“.
6. Въведете https://192.168.4.10/ във вашия уеб браузър. Трябва да се появи страницата с конфигурацията.
7. Попълнете всички задължителни полета на страницата и кликнете върху „Запазване“, когато приключите. (Ще трябва да предоставите подробности за връзката към LoRa и WiFi, да присвоите уникален идентификатор на всеки сензор и да посочите вашите предпочитания по отношение на събирането на данни.)
8. Устройството PyonAir сега трябва да се рестартира и ще използва предоставените от вас настройки.

За да свържете вашето устройство към LoRa, регистрирайте го чрез The Things Network. Създайте ново устройство с EUI на устройството, показано на страницата за конфигурация, и копирайте EUI на приложението и ключа на приложението от TTN в конфигурациите.

Pybytes е онлайн центърът на IoT на Pycom, чрез който можете да актуализирате фърмуера, да извършвате OTA актуализации и да визуализирате данни от свързани устройства. Първо ще трябва да влезете или да създадете акаунт тук: https://pyauth.pybytes.pycom.io/login, след което следвайте стъпките, за да регистрирате ново устройство.

Тестване

Най-лесният начин да проверите дали вашият монитор за замърсяване на въздуха работи правилно е да използвате FTDI-USB кабел и RX, TX & GND щифтови заглавки на платката Grove Socket. Свързването на устройството по този начин ви позволява да видите всички съобщения и показания в Atom.

RGB светодиодът на платката LoPy показва състоянието на платката:

• Инициализиране = Амбър
• Инициализацията е успешна = Зелената светлина мига два пъти
• Няма достъп до SD карта = Червената лампичка мига веднага след зареждането
• Друг проблем = Червената светлина мига по време на инициализация
• Грешки по време на работа = Червено мига

По подразбиране данните от PyonAir ще се изпращат до сървъра на университета в Саутхемптън. Можете да редактирате кода, преди да разгърнете устройството, за да го пренасочите към място по ваш избор.

Стъпка 9: Как да си направите сами: Разгръщане

Сега, когато вашият монитор за замърсяване на въздуха е напълно конфигуриран, трябва да сте готови да разгърнете устройството!

Съвет за казус

Калъфът, който избрахме за нашите устройства, беше: https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t …… Чувствайте се свободни да закупите различен калъф или да проектирате свой собствен. Файловете на SolidWorks за по -голямата част от използвания от нас хардуер са предоставени в раздела Extra Info, за да помогнат при проектирането на персонализирани калъфи. Един от предложените методи за подреждане на сензорите и изрязване на отвори в кутията също е показан на снимката по -горе.

Само не забравяйте, че вашият случай трябва:

• Защитете електрониката от вода и прах
• Позволете монтирането на устройството на място
• Оставете въздуха да достигне PM сензора (ите)
• Предотвратете прегряването на електрониката
• Дръжте електрониката здраво в кутията

Местоположение

Идеалното място за разполагане ще отговаря на следните критерии:

• В регион от интерес за замърсяване на въздуха
• От пряка слънчева светлина
• В обхвата на шлюз LoRa
• В обсега на WiFi
• Близо до източник на захранване
• Защитени точки за монтаж
• Възможност за приемане на GPS сигнали

Стъпка 10: Файлове и кредити

Всички файлове, от които се нуждаете, за да създадете свой собствен PyonAir, могат да бъдат намерени на: https://su-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… (Zip файловете не могат да се качват в Instructables, съжаляваме!) Gitbook включва и допълнителна информация за хардуера и софтуера.

Кредити

Проектът се ръководи от д -р Стивън Дж Оссон, д -р Фил Басфорд и Флорентин Булот

Код от Daneil Hausner & Peter Varga

Дизайн и инструкции на веригата от Хейзъл Мичъл