PyonAir - avatud lähtekoodiga õhusaaste jälgija: 10 sammu (koos piltidega)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:46

PyonAir on odav süsteem kohaliku õhusaaste taseme, eriti tahkete osakeste, jälgimiseks. Põhinedes Pycom LoPy4 plaadil ja Grove'iga ühilduval riistvaral, saab süsteem andmeid edastada nii LoRa kui ka WiFi kaudu.

Võtsin selle projekti ette Southamptoni ülikoolis, töötades teadlaste meeskonnas. Minu esmane vastutus oli PCB projekteerimine ja arendamine. See oli minu esimene kord Eagle'i kasutada, nii et see oli kindlasti õppimiskogemus!

Projekti PyonAir eesmärk on võtta kasutusele odavate IoT-reostuse monitoride võrgustik, mis võimaldab meil koguda olulist teavet õhusaaste leviku ja põhjuste kohta. Kuigi turul on palju saasteainete seireid, pakuvad enamik ainult "õhukvaliteedi indeksit", mitte PM -tooraineid, eriti taskukohase hinnaga. Tehes projekti avatud lähtekoodiga lihtsate seadistusjuhistega, loodame PyonAiri seadme kättesaadavaks teha kõigile, kes on isiklikult või professionaalselt huvitatud õhukvaliteedist. Näiteks saab seda seadet kasutada õpilasprojektide, doktorikraadide ja sõltumatute osapoolte jaoks andmete kogumiseks, muutes oluliste teadusuuringute, mille maine on tõusuteel, palju paremini saavutatav. Projekti võib kasutada ka teavitamise eesmärgil, teavitades avalikkust nende kohalikust õhukvaliteedist ja selle parandamiseks võetavatest meetmetest.

Meie lihtsuse ja kasutusmugavuse eesmärgid inspireerisid meie otsust kasutada Grove'i süsteemi oma disaini alustalana. Lai valik ühilduvaid mooduleid võimaldab süsteemi kasutajatel kohandada PyonAiri seadet vastavalt oma vajadustele, ilma et oleks sunnitud põhilist riistvara ümber kujundama. Vahepeal pakub Pycomi LoPy4 mitut võimalust traadita side jaoks ühes puhtas paketis.

Selles juhendis kirjeldan projekteerimisteekonda ja trükkplaadi valmistamise samme, millele järgnevad juhised PyonAiri täieliku seadme kokkupanekuks.

Tarvikud

Komponendid:

• LoPy4: emaplaat (https://pycom.io/product/lopy4/)
• PyonAirPCB: lihtne ühendada Grove anduritega
• Plantower PMS5003: õhusaasteandur (https://shop.pimoroni.com/products/pms5003-particu…
• Sensirion SPS30: õhusaasteandur (https://www.mouser.co.uk/ProductDetail/Sensirion/SPS30?qs=lc2O%252bfHJPVbEPY0RBeZmPA==)
• SHT35 andur: temperatuuri- ja niiskusandur (https://www.seeedstudio.com/Grove-I2C-High-Accurac…
• Reaalajas kell: varukella seade (https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/hardware/…
• GPS-moodul: GPS-vastuvõtja aja ja asukoha jaoks (https://www.seeedstudio.com/Grove-GPS-Module.html)
• Grove kaablid:
• Pycomi antenn: LoRa võimalus (https://pycom.io/product/lora-868mhz-915mhz-sigfox…
• MicroSD kaart
• Toide: esmane toiteallikas (soovitatav:
• Korpus: IP66 115x90x65 mm ilmastikukindel ABS -kast (https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t…

Tööriistad:

• Jootekolb
• Multimeeter
• Väike kruvikeeraja
• FTDI-kaabel (valikuline):

Samm: PCB kohta

Grove -pistikud on harrastajate elektroonika ökosüsteemi üha populaarsemaks standardiks. Plug-and-play-pistikud muudavad paljude moodulite kinnitamise ja vahetamise lihtsaks ja kiireks, ilma et oleks vaja uuesti liimida.

Vahepeal valiti PycomA LoPy4 plaat PyonAiri peamiseks mikrokontrolleriks, kuna see pakub 4 traadita side režiimi: LoRa, Sigfox, WiFi ja Bluetooth ning on programmeeritud MicroPythoniga.

Arduino ja Raspberry Pi toetavad juba Grove'i pistikukilpe, kuid Pycomi süsteemi jaoks pole neid veel välja antud. Seetõttu kavandasime oma laiendusplaadi trükkplaadi, mis sobib LoPy4 plaadile. PCB sisaldab:

• 2 I2C pesa (temperatuuriandur ja RTC)
• 3 UART -pesa (2x PM -andur ja GPS)
• Nõelad USB -andmete jaoks
• Transistori ahelad PM -andurite toite juhtimiseks
• Transistori ahel GPS -vastuvõtja toite juhtimiseks
• Micro SD pesa
• Kasutaja nupp
• Toitesisendi pistikud (tünn, JST või kruviklemm)
• Pinge regulaator

2. samm: trükkplaat V1-V3

PCB V1

Minu esimene katse PCB -l põhines "shim" kontseptsioonil, kus õhuke PCB sobiks LoPy plaadi ja Pycomi laiendusplaadi, näiteks Pytracki vahele (vt CAD -joonist). Sellisena puudusid kinnitusavad ja plaat oli väga lihtne, sisaldades ainult pistikuid ja paar transistorit PM -andurite sisse- või väljalülitamiseks.

Ausalt öeldes oli sellel plaadil palju viga:

• Rajad olid liiga õhukesed
• Maapinda pole
• Imelikud transistori orientatsioonid
• Kasutamata ruum
• Versiooni silt oli kirjutatud rajakihis, mitte siiditrükis

PCB V2

V2 ajaks oli ilmnenud, et vajasime PyonAiri, et see töötaks ilma laiendusplaadita, nii et disainile lisati toitesisendid, UART -terminal ja SD -pesa.

Probleemid:

• Rajad ületasid kinnitusavade tsoone
• LoPy orienteerumisjuhend puudub
• DC silindri pesa vale orientatsioon

PCB V3

V2 ja V3 vahel tehti suhteliselt vähe muudatusi - enamasti parandati ülaltoodud probleeme.

Samm: PCB V4

V4 näitas kogu PCB täielikku ümberkujundamist, milles tehti järgmised muudatused:

• Peaaegu kõiki komponente saab joota käsitsi või PCBA abil eelnevalt kokku panna
• Paigaldusavad nurkades
• Komponendid, mis on rühmitatud alalisse, toite- ja kasutajatsooni

• Sildid:

  • Sisendpinge vahemik
  • Dokumentatsiooni link
  • LoPy LED -i asukoht
• 2 SD hoidiku võimalust
• Testpadjad
• Alalisvoolu tünni saab paigaldada plaadi peale või alla
• Parem marsruutimine
• Tõhusamalt pakitud komponendid
• Lisati pikemad naissoost päiste read, nii et kasutajal oleks võimalik kasutada kahe paari 8- ja 6-kontaktiga päiste asemel 4x 8-kontaktilist päist, muutes selle pisut odavamaks.

Samm: PCB V5

Lõplik versioon

Need viimased kohandused tehti V5 -s enne, kui Seeed Studio esitas selle PCBA tootmiseks:

• Veelgi korralikum marsruutimine
• Sildi parem positsioneerimine
• Uuendatud veebisaidi link
• Siiditrükipadjad PCBde märgistamiseks testimise ajal
• Rohkem ümardatud nurki (et paremini sobituda valitud korpusega)
• Kohandatud trükkplaadi pikkus, et see sobiks korpuse rööbastega

Samm: kuidas ise teha: PCBA

Kui plaanite toota vähem kui 5 trükkplaati, vaadake selle asemel jaotist "Kuidas ise valmistada: jootmine käsitsi" (järgmine samm).

PCBA tellimine saidilt Seeed Studio

1. Logige sisse või looge konto aadressil
2. Klõpsake nuppu 'Telli kohe'.
3. Laadige Gerberi failid üles.
4. Reguleerige seadeid (trükkplaatide kogus ja pinnaviimistlus: HASL-pliivaba).
5. Lisage koostamisjoonis ja valige ja asetage fail.
6. Valige PCBA kogus.
7. Lisa BOM. (NB! Kui soovite ise jootmist vältida ja pikemat ootamist ei pahanda, võite BOM-ile lisada pingeregulaatori TSRN 1-2450.
8. Lisa ostukorvi ja telli!

Nõutavate failide saamiseks külastage aadressi

Pingeregulaatori jootmine

Ainus osa, mis nõuab Seeedi PCBA teenuse kasutamisel jootmist, on pingeregulaator TSRN 1-2450. Nagu eespool mainitud, saate selle lisada koostekomplekti, kuid see võib tellimusele palju rohkem aega lisada.

Kui teil on hea meel seda jootma käsitsi, lisage lihtsalt regulaator siiditrükil näidatud kohta, veendudes, et suund on õige. Siiditrükil olev valge täpp peaks joonduma regulaatori valge punktiga (vt pilti).

6. samm: kuidas ise valmistada: jootmine käsitsi

Kui plaanite toota suurt hulka PCBsid, vaadake selle asemel artiklit "Kuidas ise valmistada: PCBA" (eelmine samm).

PCBde tellimine

PCB -sid saate osta paljudelt veebisaitidelt, sealhulgas saidilt Seeed Studio, mõnel juhul on tarneaeg alla nädala. Kasutasime Seeed Fusionit, kuid need sammud peaksid olema teiste saitidega väga sarnased.

1. Logige sisse või looge konto aadressil
2. Klõpsake nuppu 'Telli kohe'.
3. Laadige Gerberi failid üles.
4. Reguleerige seadeid (trükkplaatide kogus ja pinnaviimistlus: HASL-pliivaba)
5. Lisa ostukorvi ja telli!

Nõutavate failide saamiseks külastage aadressi

Osade tellimine

Kuna plaadil on täiendavad padjad SMD/aukude kinnitamiseks, ei pea te kõiki osi täitma. Kui joote käsitsi, on kõige lihtsam vältida kõiki SMD -sid, täites tahvli vastavalt piltidel näidatud tabelile.

N. B. Kui olete jootekolviga kindel, on ruumisäästlikum ja odavam kasutada pinnapealset Micro SD-pesa 8-kontaktilise päise + jaotusplaadi asemel.

Samm 7: Kuidas ise teha: kokkupanek

Grove kaabli modifikatsioonid

Selleks, et ühendada oma PM -andurid salu pistikutega, peate anduri kaablid liimima salude kaablitele, nagu on näidatud ülaltoodud pildil. Seda saate teha kas pressimis- või jootmis- ja termokahanemise abil. Sõltuvalt kasutatavast andurist peate veenduma, et pistikupesa vastab PCB sisenditele.

Montaaži sammud

1. Valige, millist toitesisendit soovite kasutada (tünnipistik / JST / kruviklemm) ja ühendage sobiv toide.
2. Kasutage multimeetrit, et kontrollida trükkplaadi tagaküljel asuvaid V_IN ja 5V testpadjaid.
3. Kui olete rahul, et plaat on õigesti toite saanud, eemaldage toiteallikas. (Kui ei, proovige alternatiivset toiteallikat)
4. Ühendage LoPy4 16-kontaktiliste päistega, veendudes, et LED on üleval (nagu siiditrükil näidatud). Päiste 4 alumist auku on kasutamata.
5. Ühendage kõik Grove'i seadmed PCB sobivatesse pistikupesadesse.
6. Ühendage mikro -SD -kaart.
7. Ühendage toide uuesti. LoPy4 ja GPS -i valgusdioodid peaksid mõlemad põlema.
8. Kasutage multimeetrit, et kontrollida PCB tagaküljel olevaid järelejäänud testpadjaid.
9. Teie PyonAir peaks nüüd olema programmeerimiseks valmis!

N. B. Enne plaadi ühendamist tühjendage kindlasti SD -kaart ja vormindage see FAT32 -vormingus.

HOIATUS: Ühendage ainult üks toiteallikas korraga. Mitme toite samaaegne ühendamine võib põhjustada aku või toitevõrgu lühise!

8. samm: kuidas ise teha: tarkvara

Tarkvaraarenduseks kasutasime Atomi ja pymakrit. Mõlemad on avatud lähtekoodiga ja peaksid töötama enamikus arvutites. Soovitame need installida enne LoPy4 plaadi koodi allalaadimist.

Pycom soovitab nende seadmete püsivara enne nende kasutamist värskendada. Täielikud juhised selle kohta leiate siit:

Paigaldamine

1. PM-anduri seadme käivitamiseks laadige GitHubist alla meie koodi uusim versioon: https://github.com/pyonair/PyonAir-pycom Veenduge, et ekstraktiksite kõik failid arvutisse või sülearvutisse sobivasse kohta ja vältige failide ümbernimetamist.
2. Avage Atom ja sulgege kõik praegused failid, paremklõpsates ülemise taseme kausta ja klõpsates kuvatavas menüüs käsul „Eemalda projekti kaust”.
3. Avage Fail> Ava kaust ja valige kaust "lopy". Kõik sisalduvad failid ja kaustad peaksid ilmuma Atomi vasakpoolsel paanil "Projekt".
4. Ühendage PyonAir PCB oma arvutisse või sülearvutisse, kasutades FTDI-USB-kaablit ning RX-, TX- ja GND-tihvte plaadist paremal asuvas päises.
5. Tahvel peaks ilmuma Atomis ja automaatselt ühenduma.
6. Koodi üleslaadimiseks klõpsake lihtsalt alumisel paanil nuppu "Laadi üles". Protsess võib võtta paar minutit, sõltuvalt sellest, kui palju faile tuleb eemaldada ja installida. Kui üleslaadimine on õnnestunud, vajutage koodi peatamiseks klaviatuuril Ctrl + c, seejärel eemaldage FTDI-USB-kaabel.

Seadistamine

Kui seadistate esimest korda uut seadet või soovite seadeid muuta, peate selle WiFi kaudu konfigureerima.

1. Eemaldage õhusaaste jälgija kõikidest juhtumitest, nii et pääsete juurde kasutaja nupule.
2. Valmistage ette telefon või arvuti, mis suudab luua ühenduse kohalike WiFi -võrkudega.
3. Lülitage PyonAiri seade sisse.
4. Seadme esmakordsel seadistamisel peaks see automaatselt lülituma konfiguratsioonirežiimi, mida näitab sinine LED -tuli. Vastasel juhul vajutage ja hoidke 3 sekundit all nuppu Grove pesa PCB (tähistatud CONFIG). RGB LED peaks muutuma siniseks.
5. Ühendage PyonAiri seadme WiFi -ga. (Selle nimeks saab „NewPyonAir” või mis iganes te seadet varem nimetasite.) Parool on „newpyonair”.
6. Sisestage oma veebibrauserisse https://192.168.4.10/. Ilmuma peaks konfiguratsioonileht.
7. Täitke lehel kõik nõutud väljad ja klõpsake lõpetamisel nuppu Salvesta. (Peate esitama ühenduse andmed LoRa ja WiFi -ga, määrama igale andurile kordumatu ID ja täpsustama oma eelistused andmete hankimisel.)
8. PyonAir seade peaks nüüd taaskäivitama ja kasutab teie määratud seadeid.

Seadme ühendamiseks LoRaga registreerige see asjade võrgu kaudu. Looge uus seade, mille konfiguratsioonilehel kuvatakse seadme EUI, ja kopeerige rakenduse EUI ja rakenduse võti TTN -ist konfiguratsioonidesse.

Pybytes on Pycomi veebipõhine IoT -jaotur, mille kaudu saate värskendada püsivara, teostada OTA värskendusi ja visualiseerida ühendatud seadmete andmeid. Esiteks peate sisse logima või konto looma siin: https://pyauth.pybytes.pycom.io/login ja seejärel järgige uue seadme registreerimise juhiseid.

Testimine

Lihtsaim viis kontrollida, kas teie õhusaaste monitor töötab korralikult, on kasutada FTDI-USB-kaablit ja Grove Socket PCB RX, TX & GND tihvtide päiseid. Seadme sel viisil ühendamine võimaldab teil vaadata kõiki Atomi sõnumeid ja näitu.

LoPy tahvlil olev RGB LED näitab plaadi olekut:

• Initsialiseerimine = merevaik
• Initsialiseerimine õnnestus = roheline tuli vilgub kaks korda
• SD -kaardile ei pääse juurde = punane tuli vilgub kohe pärast käivitamist
• Muu probleem = punane tuli vilgub lähtestamise ajal
• Käitusaja vead = vilgub punaselt

Vaikimisi saadetakse PyonAiri andmed Southamptoni ülikooli serverisse. Saate koodi enne seadme kasutuselevõttu muuta, et suunata see teie valitud asukohta.

9. samm: kuidas ise teha: juurutamine

Nüüd, kui teie õhusaaste monitor on täielikult konfigureeritud, peaksite olema seadme kasutuselevõtuks valmis!

Juhtumi nõuanne

Korpuse, mille me oma seadmetele valisime, oli: https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t… Siiski võite vabalt osta mõne teise ümbrise või kujundada oma. Enamiku kasutatud riistvara jaoks mõeldud SolidWorksi failid on toodud jaotises Lisateave, et aidata kohandatud ümbriste kujundamisel. Üht pakutud meetodit andurite ja aukude lõikamiseks korpuses on näidatud ka ülaltoodud pildil.

Pidage ainult meeles, et teie juhtum peaks:

• Kaitske elektroonikat vee ja tolmu eest
• Lubage seadme paigaldamine kohapeal
• Laske õhul jõuda PM -anduriteni
• Vältige elektroonika ülekuumenemist
• Hoidke elektroonikat kindlalt korpuse sees

Asukoha nõuanne

Ideaalne kasutuselevõtukoht vastab järgmistele kriteeriumidele:

• Piirkonnas, mis huvitab õhusaastet
• Otsese päikesevalguse eest
• LoRa lüüsi raadiuses
• WiFi levialas
• Toiteallika lähedal
• Kindlad kinnituskohad
• Võimalik vastu võtta GPS -signaale

10. toiming: failid ja krediidid

Kõik failid, mida vajate PyonAiri täieliku loomise jaoks, leiate aadressilt https://su-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… (Zip-faile ei saa Instructables'i üles laadida, vabandust!) Gitbook sisaldab ka lisateavet riistvara ja tarkvara kohta.

Autorid

Projekti juhendasid dr Steven J Ossont, dr Phil Basford ja Florentin Bulot

Kood Daneil Hausner ja Peter Varga

Vooluahela disain ja juhised Hazel Mitchell