PyonAir - nyílt forrású légszennyezés -figyelő: 10 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:40

A PyonAir egy olcsó rendszer a helyi légszennyezettségi szint - különösen a részecskék - figyelésére. A Pycom LoPy4 kártya és a Grove-kompatibilis hardver köré épülve a rendszer LoRa és WiFi kapcsolaton keresztül tud adatokat továbbítani.

Ezt a projektet a Southamptoni Egyetemen vállaltam, kutatócsoportban dolgozva. Elsődleges felelősségem a NYÁK tervezése és fejlesztése volt. Ez volt az első alkalom, amikor az Eagle -t használtam, így mindenképpen tanulási élmény volt!

A PyonAir projekt célja egy olcsó, IoT szennyezésfigyelő hálózat kiépítése, amely lehetővé teszi számunkra, hogy alapvető információkat gyűjtsünk a légszennyezés eloszlásáról és okairól. Míg a piacon sok szennyezésfigyelő található, a legtöbb csak a "levegőminőségi indexet" kínálja a nyers PM -adatok helyett - különösen megfizethető áron. A projekt nyílt forráskódúvá tételével, egyszerű telepítési utasításokkal reméljük, hogy a PyonAir eszközt mindenki számára elérhetővé tesszük, akit személyesen vagy szakmailag érdekel a levegő minősége. Ezzel az eszközzel például adatokat lehet gyűjteni hallgatói projektekhez, PhD -khez és független felekhez, így sokkal elérhetőbbé válnak azok a létfontosságú kutatások, amelyek hírnevük szerint a szárnyaló költségek. A projekt ismeretterjesztési célokra is felhasználható, kommunikálva a lakossággal a helyi levegő minőségéről és a javítható lépésekről.

Az egyszerűségre és a könnyű használatra vonatkozó céljaink inspirálták a döntésünket, hogy a Grove rendszert tervezésünk gerincéül használjuk. A kompatibilis modulok széles választéka lehetővé teszi a rendszer felhasználói számára, hogy a PyonAir eszközt az igényeikhez szabják, anélkül, hogy az alapvető hardvert újra kellene tervezniük. Eközben a Pycom LoPy4 többféle lehetőséget kínál a vezeték nélküli kommunikációra egyetlen, tiszta csomagban.

Ebben az utasításban a tervezési utat és a NYÁK gyártásának lépéseit fogom leírni, majd a teljes PyonAir egység összeszerelésére vonatkozó utasításokat követem.

Kellékek

Alkatrészek:

• LoPy4: Alaplap (https://pycom.io/product/lopy4/)
• PyonAirPCB: Könnyű csatlakoztatás Grove szenzorokhoz
• Plantower PMS5003: Légszennyezés-érzékelő (https://shop.pimoroni.com/products/pms5003-particu…
• Sensirion SPS30: Légszennyezés -érzékelő (https://www.mouser.co.uk/ProductDetail/Sensirion/SPS30?qs=lc2O%252bfHJPVbEPY0RBeZmPA==)
• SHT35 érzékelő: Hőmérséklet- és páratartalom-érzékelő (https://www.seeedstudio.com/Grove-I2C-High-Accurac…
• Valós idejű óra: biztonsági óra egység (https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/hardware/…
• GPS-modul: GPS-vevő az időhöz és a helyhez (https://www.seeedstudio.com/Grove-GPS-Module.html)
• Grove kábelek:
• Pycom antenna: LoRa képesség (https://pycom.io/product/lora-868mhz-915mhz-sigfox…
• MicroSD kártya
• Tápegység: Elsődleges tápegység (ajánlott:
• Tok: IP66 115x90x65 mm időjárásálló ABS doboz (https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t…

Eszközök:

• Forrasztópáka
• Multiméter
• Kis csavarhúzó
• FTDI kábel (opcionális):

1. lépés: A NYÁK -ról

A Grove csatlakozók egyre népszerűbb szabványok a hobbi elektronikai ökoszisztémában. A plug-and-play csatlakozók lehetővé teszik a modulok széles skálájának felhelyezését és cseréjét, egyszerűvé és gyorsá, anélkül, hogy fel kellene oldani a kötéseket.

Eközben a Pycom LoPy4 kártyáját választották a PyonAir fő mikrovezérlőjének, mivel 4 vezeték nélküli kommunikációs módot kínál: LoRa, Sigfox, WiFi és Bluetooth, és a MicroPython segítségével programozható.

Az Arduino és a Raspberry Pi már támogatja a Grove csatlakozópajzsokat, de a Pycom rendszerhez még nem adtak ki egyet sem. Ezért saját bővítőkártya PCB -t terveztünk, amely illeszkedik a LoPy4 lapra. A NYÁK a következőket tartalmazza:

• 2 I2C foglalat (hőmérséklet -érzékelő és RTC)
• 3 UART aljzat (2x PM érzékelő és GPS)
• Csapok az USB -adatokhoz
• Tranzisztor áramkörök a PM érzékelők áramellátásának szabályozására
• Tranzisztoros áramkör a GPS vevő tápellátásának szabályozására
• Micro SD foglalat
• Felhasználói gomb
• Tápbemeneti csatlakozók (hordó, JST vagy csavaros kapocs)
• Feszültségszabályozó

2. lépés: NYÁK V1-V3

NYÁK V1

Az első próbálkozásom a PCB -n egy "shim" koncepción alapult, ahol egy vékony PCB illeszkedik a LoPy kártya és egy Pycom bővítőlap, például a Pytrack közé (lásd a CAD rajzot). Mint ilyen, nem voltak rögzítési lyukak, és a tábla nagyon egyszerű volt, csak csatlakozókat és egy tranzisztorpárt tartalmazott a PM -érzékelők be- vagy kikapcsolásához.

Őszintén szólva, sok hiba volt ezzel a táblával:

• A nyomok túl vékonyak voltak
• Nincs földi sík
• Furcsa tranzisztoros irányok
• Kihasználatlan hely
• A verziócímke sávrétegben volt írva, nem szitanyomáson

NYÁK V2

A V2 -re már nyilvánvalóvá vált, hogy szükségünk van a PyonAirre, hogy bővítőkártya nélkül működjön, ezért a tápellátást, az UART -terminált és az SD -bővítőt hozzáadták a kialakításhoz.

Problémák:

• A vágányok keresztezték a rögzítési lyukak zónáit
• Nincs LoPy tájékozódási útmutató
• Hibás egyenáramú hordócsatlakozó -tájolás

NYÁK V3

Viszonylag kisebb változtatások történtek a V2 és V3 között - többnyire a fenti problémák javításai.

3. lépés: PCB V4

A V4 a teljes NYÁK teljes átalakítását mutatta be, amelyben a következő módosításokat hajtották végre:

• Szinte minden alkatrész forrasztható kézzel vagy előszerelhető PCBA segítségével
• Szerelési lyukak a sarkokban
• Az összetevők "állandó", "tápellátás" és "felhasználói" zónákba csoportosítva

• Címkék:

  • Bemeneti feszültségtartomány
  • Dokumentációs link
  • LoPy LED hely
• 2 SD tartó lehetőség
• Tesztpárnák
• Az egyenáramú hordós jack a tábla tetejére vagy alá szerelhető
• Jobb irányítás
• Hatékonyabban csomagolt alkatrészek
• Hosszabb női fejléc-sorokat adtak hozzá, így a felhasználó 4 pár 8 tűs fejlécet használhat a 2 pár 8 és 6 tűs fejléc helyett, ami némileg olcsóbbá teszi.

4. lépés: PCB V5

A végső változat

Ezeket az utolsó módosításokat a V5 -ben végezték el, mielőtt a Seeed Studio benyújtotta a PCBA gyártásához:

• Még rendesebb útválasztás
• Javított címkepozíció
• Weboldal link frissítve
• Szitanyomásos betétek a PCB -k címkézésére tesztelés közben
• Több lekerekített sarok (hogy jobban illeszkedjen a kiválasztott házba)
• A NYÁK hossza a ház síneire illeszkedik

5. lépés: Saját készítés: PCBA

Ha 5 -nél kevesebb PCB gyártását tervezi, olvassa el a "Hogyan készítsünk saját készítést: kézi forrasztás" című részt (következő lépés).

PCBA Rendelés a Seeed Studio -tól

1. Jelentkezzen be, vagy hozzon létre fiókot a https://www.seeedstudio.com/fusion.html címen
2. Kattintson a "Rendelés most" gombra.
3. Gerber fájlok feltöltése.
4. Állítsa be a beállításokat (NYÁK-mennyiség és felületkezelés: HASL ólommentes).
5. Adja hozzá a szerelési rajzot, és válassza ki és helyezze el a fájlt.
6. Válassza ki a PCBA mennyiséget.
7. BOM hozzáadása. (Megjegyzés: Ha szeretné elkerülni a forrasztást, és nem bánja a hosszabb várakozást, hozzáadhatja a TSRN 1-2450 feszültségszabályozót a BOM-hoz.
8. Kosárba rakom és megrendelem!

A szükséges fájlokért keresse fel a https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… címet.

A feszültségszabályozó forrasztása

A Seeed PCBA szolgáltatásának használatakor az egyetlen alkatrész, amely forrasztást igényel, a TSRN 1-2450 feszültségszabályozó. Amint fentebb említettük, felveheti ezt az összeszerelési jegyzékbe, de ez sokkal több időt adhat a megrendeléshez.

Ha szívesen forrasztja kézzel, akkor egyszerűen helyezze a szabályozót a selyemképernyő által jelzett helyre, és győződjön meg arról, hogy a tájolás helyes. A szitanyomáson lévő fehér pontnak egyeznie kell a szabályozó fehér pontjával (lásd a képet).

6. lépés: Saját készítés: kézi forrasztás

Ha nagyszámú PCB gyártását tervezi, olvassa el a "Hogyan készítsünk saját: PCBA -t" című részt (előző lépés).

PCB -k rendelése

Számos weboldalról vásárolhat PCB -ket, beleértve a Seeed Studio -t is, néhány pedig egy hét alatt szállítható. A Seeed Fusion -t használtuk, de ezeknek a lépéseknek nagyon hasonlóaknak kell lenniük más webhelyekhez.

1. Jelentkezzen be, vagy hozzon létre fiókot a https://www.seeedstudio.com/fusion.html címen
2. Kattintson a "Rendelés most" gombra.
3. Gerber fájlok feltöltése.
4. A beállítások módosítása (NYÁK-mennyiség és felület: HASL ólommentes)
5. Tegye a kosárba és rendelje meg!

A szükséges fájlokért keresse fel a https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… címet.

Alkatrészek megrendelése

Mivel a tábla további párnákkal rendelkezik az SMD/furatos rögzítési lehetőségekhez, nem kell minden alkatrészt feltölteni. Ha kézzel forraszt, akkor a legegyszerűbb elkerülni az összes SMD -t, ha a táblán a képeken látható táblázat szerint tölti fel.

N. B. Ha magabiztos a forrasztópáka iránt, helytakarékosabb és olcsóbb a felületszerelhető Micro SD foglalat használata a 8 tűs fejléc + kitörőtábla helyett.

7. lépés: Saját készítés: Összeszerelés

Grove kábel módosításai

Annak érdekében, hogy a PM -érzékelőket a liget csatlakozóihoz csatlakoztassa, az érzékelő kábeleit a ligetes kábelekre kell illeszteni, a fenti képen látható módon. Ezt megteheti gombbal vagy forrasztással és hőre zsugorodással. A használt érzékelőtől függően meg kell győződnie arról, hogy a kivezetés megfelel a NYÁK bemenetének.

Az összeszerelés lépései

1. Válassza ki a használni kívánt tápellátást (csőcsatlakozó / JST / csavaros kapocs), és csatlakoztassa a megfelelő tápegységet.
2. Multiméterrel ellenőrizze a V_IN és 5V tesztpárnákat a NYÁK hátoldalán.
3. Ha elégedett a tábla megfelelő áramellátásával, húzza ki a tápegységet. (Ha nem, próbálja meg az alternatív tápegységet)
4. Csatlakoztassa a LoPy4-et a 16 tűs fejlécekhez, ügyelve arra, hogy a LED felül legyen (a selyemképernyőn látható módon). A fejlécek alsó 4 lyuka kihasználatlan.
5. Csatlakoztassa az összes Grove eszközt a NYÁK megfelelő aljzataiba.
6. Csatlakoztassa a micro SD kártyát.
7. Csatlakoztassa újra a tápegységet. A LoPy4 és a GPS LED -jeinek világítaniuk kell.
8. Multiméterrel ellenőrizze a PCB hátoldalán lévő többi tesztpárnát.
9. A PyonAir most készen áll a programozásra!

N. B. Ügyeljen arra, hogy ürítse ki az SD -kártyát, és formázza FAT32 formátumban, mielőtt csatlakoztatja a kártyához.

FIGYELEM: Egyszerre csak egy áramforrást csatlakoztasson. Több tápegység egyidejű csatlakoztatása leállíthatja az akkumulátort vagy a hálózati áramot!

8. lépés: Saját készítés: Szoftver

A szoftverfejlesztéshez az Atomot és a pymakr -t használtuk. Mindkettő nyílt forráskódú, és a legtöbb számítógépen működnie kell. Javasoljuk, hogy telepítse ezeket, mielőtt letöltené a LoPy4 kártya kódját.

A Pycom azt javasolja, hogy frissítsék készülékeik firmware -jét, mielőtt megpróbálnák használni őket. Az erre vonatkozó részletes utasítások itt találhatók:

Telepítés

1. A PM-érzékelő eszközének üzembe helyezéséhez töltse le kódunk legújabb verzióját a GitHub webhelyről: https://github.com/pyonair/PyonAir-pycom Győződjön meg róla, hogy az összes fájlt a számítógépén vagy laptopján egy kényelmes helyre szedi. és kerülje a fájlok átnevezését.
2. Nyissa meg az Atomot, és zárja be az aktuális fájlokat a jobb egérgombbal a felső szintű mappára kattintva, majd a megjelenő menüben a "Projektmappa eltávolítása" gombra kattintva.
3. Lépjen a Fájl> Mappa megnyitása elemre, és válassza ki a "lopy" mappát. Minden tárolt fájlnak és mappának meg kell jelennie az Atom bal oldali "Projekt" panelen.
4. Csatlakoztassa a PyonAir PCB-t a számítógépéhez vagy laptopjához egy FTDI-USB kábellel és az RX, TX és GND csapokkal a panel jobb oldalán található fejlécben.
5. A táblának meg kell jelennie az Atomban, és automatikusan csatlakoznia kell.
6. A kód feltöltéséhez egyszerűen kattintson a "Feltöltés" gombra az alsó panelen. A folyamat néhány percet vehet igénybe, attól függően, hogy hány fájlt kell eltávolítani és telepíteni. Ha a feltöltés sikeres volt, nyomja meg a billentyűzet Ctrl + c billentyűit a kód leállításához, majd húzza ki az FTDI-USB kábelt.

Konfiguráció

Amikor először állít be új eszközt, vagy ha módosítani kívánja a beállításokat, akkor azt WiFi -n keresztül kell konfigurálnia.

1. Távolítsa el a légszennyezés -figyelőt minden olyan esetből, hogy hozzáférjen a felhasználói gombhoz.
2. Készítsen elő egy telefont vagy számítógépet, amely képes csatlakozni a helyi WiFi hálózatokhoz.
3. Kapcsolja be a PyonAir eszközt.
4. A készülék első beállításakor automatikusan át kell kapcsolnia konfigurációs módba, ezt a kék LED villogása jelzi. Ellenkező esetben nyomja meg és tartsa lenyomva a Grove socket PCB felhasználói gombját (CONFIG felirattal) 3 másodpercig. Az RGB LED -nek folyamatosan kéken kell világítania.
5. Csatlakozzon a PyonAir eszköz WiFi -jéhez. (Ennek a neve „NewPyonAir”, vagy bármi, amit korábban az eszköznek nevezett.) A jelszó „newpyonair”.
6. Írja be a https://192.168.4.10/ böngészőt. Meg kell jelennie a konfigurációs oldalnak.
7. Töltse ki az oldalon található összes kötelező mezőt, és ha elkészült, kattintson a „Mentés” gombra. (Meg kell adnia a kapcsolat részleteit a LoRa -hoz és a WiFi -hez, hozzá kell rendelnie egy egyedi azonosítót minden érzékelőhöz, és meg kell adnia az adatgyűjtéssel kapcsolatos preferenciáit.)
8. A PyonAir eszköznek most újra kell indulnia, és a megadott beállításokat fogja használni.

Az eszköz LoRa -hoz való csatlakoztatásához regisztrálja azt a The Things Network -en keresztül. Hozzon létre egy új eszközt a konfigurációs oldalon látható eszköz EUI -val, és másolja át az alkalmazás EUI -jét és az alkalmazáskulcsot a TTN -ből a konfigurációkba.

A Pybytes a Pycom online IoT hubja, amelyen keresztül frissítheti a firmware -t, elvégezheti az OTA frissítéseket és megjelenítheti a csatlakoztatott eszközök adatait. Először itt kell bejelentkeznie vagy fiókot létrehoznia: https://pyauth.pybytes.pycom.io/login, majd kövesse az új eszköz regisztrálásához szükséges lépéseket.

Tesztelés

A legegyszerűbb módja annak, hogy ellenőrizze, hogy légszennyezés-ellenőrzője megfelelően működik-e, ha FTDI-USB kábelt és az RX, TX & GND tűfejléceket használja a Grove Socket PCB-n. Az eszköz ilyen módon történő csatlakoztatása lehetővé teszi az Atom összes üzenetének és olvasásának megtekintését.

A LoPy táblán lévő RGB LED mutatja a kártya állapotát:

• Inicializálás = Borostyánsárga
• Az inicializálás sikerült = A zöld fény kétszer felvillan
• Nem érhető el az SD -kártya = Piros jelzőfény villog közvetlenül az indítás után
• Egyéb probléma: Piros lámpa villog az inicializálás során
• Futásidejű hibák = Pirosan villog

Alapértelmezés szerint a PyonAir adatai a Southampton Egyetem szerverére kerülnek. Az eszköz telepítése előtt szerkesztheti a kódot, hogy átirányítsa azt az Ön által választott helyre.

9. lépés: Saját készítés: telepítés

Most, hogy a levegőszennyezés -figyelő teljesen konfigurálva van, készen kell állnia az eszköz üzembe helyezésére!

Esettanácsadás

Eszközeinkhez a következő tokot választottuk: https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t… Azonban bátran vásároljon másik tokot, vagy tervezzen sajátot. A legtöbb hardver SolidWorks fájljait az Extra információk részben találja, hogy segítsen az egyedi tokok megtervezésében. A fenti képen látható az egyik javasolt módszer az érzékelők elrendezésére és a lyukak vágására a tokban.

Csak ne feledje, hogy az ügynek a következőket kell tennie:

• Védje az elektronikát a víztől és a portól
• Engedélyezze az eszköz telepítését a helyszínen
• Hagyja, hogy a levegő elérje a PM -érzékelő (ke) t
• Kerülje el az elektronika túlmelegedését
• Tartsa biztonságosan az elektronikát a házban

Helymeghatározási tanács

Egy ideális telepítési hely a következő kritériumoknak felel meg:

• A légszennyezés szempontjából érdekes régióban
• Közvetlen napfénytől védve
• A LoRa átjáró hatótávolságán belül
• A WiFi hatótávolságán belül
• Áramforrás közelében
• Biztos rögzítési pontok
• Képes GPS jeleket fogadni

10. lépés: Fájlok és jóváírások

A teljes PyonAir elkészítéséhez szükséges összes fájl megtalálható a következő címen: https://su-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… (Zip fájlok nem tölthetők fel az Instructables mappába, sajnáljuk!) A Gitbook további információkat tartalmaz a hardverről és a szoftverről.

Hitelek

A projektet Dr. Steven J Ossont, Dr. Phil Basford és Florentin Bulot irányította

Daneil Hausner és Varga Péter kódja

Az áramkör tervezése és utasítása Hazel Mitchell