PyonAir - avoimen lähdekoodin ilmansaasteen valvonta: 10 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:00

PyonAir on edullinen järjestelmä paikallisten ilmansaasteiden - erityisesti hiukkasten - seurantaan. Pycom LoPy4 -kortin ja Grove-yhteensopivan laitteiston ympärille järjestelmä voi lähettää tietoja sekä LoRa- että WiFi-yhteydellä.

Tein tämän projektin Southamptonin yliopistossa työskentelemällä tutkijaryhmässä. Päävastuuni oli piirilevyn suunnittelu ja kehittäminen. Tämä oli ensimmäinen kerta, kun käytin Eaglea, joten se oli ehdottomasti oppimiskokemus!

PyonAir-hankkeen tavoitteena on ottaa käyttöön edullisten IoT-pilaantumismonitorien verkko, jonka avulla voimme kerätä tärkeitä tietoja ilmansaasteiden jakautumisesta ja syistä. Vaikka markkinoilla on monia pilaantumisen valvontalaitteita, useimmat tarjoavat vain "ilmanlaatuindeksin" raaka -ainepitoisuuden sijaan - etenkin kohtuulliseen hintaan. Kun teemme projektista avoimen lähdekoodin ja helpot asennusohjeet, toivomme, että PyonAir-laite on kaikkien ilmanlaadusta kiinnostuneiden saatavilla joko henkilökohtaisesti tai ammatillisesti. Tällä laitteella voidaan esimerkiksi kerätä tietoja opiskelijaprojekteille, väitöskirjoille ja riippumattomille tahoille, mikä tekee elintärkeästä tutkimuksesta, jolla on mainetta nousevien kustannusten suhteen, paljon saavutettavampaa. Hanketta voidaan käyttää myös tiedotustarkoituksiin, ja se tiedottaa yleisölle heidän paikallisesta ilmanlaadustaan ja toimenpiteistä, joita voidaan tehdä sen parantamiseksi.

Yksinkertaisuuden ja helppokäyttöisyyden tavoitteemme inspiroivat päätöstämme käyttää Grove -järjestelmää suunnittelumme selkärangana. Laaja valikoima yhteensopivia moduuleja mahdollistaa järjestelmän käyttäjien mukauttaa PyonAir -laitteen tarpeisiinsa ilman, että heidän on pakko suunnitella peruslaitteistoa uudelleen. Samaan aikaan Pycomin LoPy4 tarjoaa useita vaihtoehtoja langattomaan viestintään yhdessä siistissä paketissa.

Tässä ohjeessa kuvailen suunnittelua ja PCB: n valmistusvaiheita, joita seuraa koko PyonAir -yksikön kokoaminen.

Tarvikkeet

Komponentit:

• LoPy4: emolevy (https://pycom.io/product/lopy4/)
• PyonAirPCB: Helppo liittää Grove -antureihin
• Plantower PMS5003: Ilmansaasteanturi (https://shop.pimoroni.com/products/pms5003-particu…
• Sensirion SPS30: Ilmansaasteanturi (https://www.mouser.co.uk/ProductDetail/Sensirion/SPS30?qs=lc2O%252bfHJPVbEPY0RBeZmPA==)
• SHT35-anturi: Lämpötila- ja kosteusanturi (https://www.seeedstudio.com/Grove-I2C-High-Accurac…
• Reaaliaikainen kello: Varmuuskopiointiyksikkö (https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/hardware/…
• GPS-moduuli: GPS-vastaanotin ajan ja sijainnin suhteen (https://www.seeedstudio.com/Grove-GPS-Module.html)
• Grove-kaapelit:
• Pycom-antenni: LoRa-ominaisuus (https://pycom.io/product/lora-868mhz-915mhz-sigfox…
• MicroSD -kortti
• Virtalähde: Ensisijainen virtalähde (suositus:
• Kotelo: IP66 115x90x65 mm säänkestävä ABS -laatikko (https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t…

Työkalut:

• Juotin
• Yleismittari
• Pieni ruuvimeisseli
• FTDI-kaapeli (valinnainen):

Vaihe 1: Tietoja piirilevystä

Grove -liittimet ovat yhä suosittu standardi harrastajien elektroniikan ekosysteemissä. Plug-and-play-liittimet tekevät monenlaisten moduulien kiinnittämisestä ja vaihtamisesta helppoa ja nopeaa ilman tarvetta liitoskohtien liimaamiseen.

Samaan aikaan Pycomin LoPy4 -kortti valittiin PyonAirin päämikro -ohjaimeksi, koska se tarjoaa 4 langatonta viestintätilaa: LoRa, Sigfox, WiFi ja Bluetooth ja on ohjelmoitu MicroPythonilla.

Arduino ja Raspberry Pi tukevat jo Grove -liittimien suojuksia, mutta mitään ei ollut vielä julkaistu Pycom -järjestelmälle. Siksi suunnittelimme oman laajennuslevyn piirilevyn, joka sopii LoPy4 -kortille. Piirilevy sisältää:

• 2 I2C -liitäntää (lämpötila -anturi ja RTC)
• 3 UART -liitäntää (2x PM -anturi ja GPS)
• USB -datan nastat
• Transistoripiirit PM -antureiden virran ohjaamiseksi
• Transistoripiiri GPS -vastaanottimen virran ohjaamiseksi
• Micro SD -paikka
• Käyttäjä -painike
• Virransyöttöliittimet (tynnyri, JST tai ruuviliitin)
• Jännitteensäädin

Vaihe 2: Piirilevy V1-V3

Piirilevy V1

Ensimmäinen kokeiluni piirilevylle perustui "shim" -konseptiin, jossa ohut PCB sopisi LoPy -levyn ja Pycom -laajennuslevyn, kuten Pytrackin, väliin (katso CAD -piirustus). Sellaisena ei ollut asennusreikiä ja levy oli hyvin yksinkertainen, ja siinä oli vain liittimet ja pari transistoria PM -antureiden kytkemiseksi päälle tai pois.

Ollakseni rehellinen, tässä levyssä oli paljon vikaa:

• Jäljet olivat liian ohuita
• Ei maatasoa
• Outoja transistorisuuntauksia
• Käyttämätön tila
• Versiotarra on kirjoitettu raidakerroksessa, ei silkkipainossa

Piirilevy V2

V2: ssa oli käynyt ilmi, että tarvitsimme PyonAirin toimimaan ilman laajennuskorttia, joten virtalähteet, UART -pääte ja SD -paikka lisättiin suunnitteluun.

Ongelmat:

• Telat ylittivät asennusreikien vyöhykkeet
• Ei LoPy -suuntaopasta
• Virheellinen DC -tynnyrin liittimen suunta

PCB V3

Suhteellisen pieniä muutoksia tehtiin V2: n ja V3: n välillä - enimmäkseen korjauksia yllä oleviin ongelmiin.

Vaihe 3: PCB V4

V4 sisälsi koko piirilevyn uudistuksen, jossa tehtiin seuraavat muutokset:

• Lähes jokainen komponentti voidaan juottaa käsin tai esiasentaa PCBA: lla
• Asennusreiät kulmissa
• Komponentit ryhmitelty "Pysyvä", "Virta" ja "Käyttäjä" -alueille

• Tunnisteet:

  • Tulojännitealue
  • Dokumentaation linkki
  • LoPy -LED -sijainti
• 2 SD -pidikettä
• Testityynyjä
• DC -tynnyrin liitin voidaan asentaa levyn päälle tai alle
• Parempi reititys
• Tehokkaammin pakatut komponentit
• Pidempiä naarasotsikkorivejä lisättiin, joten käyttäjä voi käyttää 4x 8-nastaista otsikkoa kahden parin 8-nastaisen ja 6-nastaisen otsikon sijaan, mikä tekee siitä hieman halvempaa.

Vaihe 4: PCB V5

Lopullinen versio

Nämä viimeiset muutokset tehtiin V5: een ennen kuin Seeed Studio toimitti sen PCBA -valmistukseen:

• Vielä siistimpi reititys
• Parannettu tarran sijainti
• Linkki sivustolle päivitetty
• Silkkipainotyynyt piirilevyjen merkitsemiseen testauksen aikana
• Lisää pyöristettyjä kulmia (sopimaan paremmin valittuun koteloon)
• Säädetty piirilevyn pituus kotelon kiskoihin sopivaksi

Vaihe 5: Kuinka tehdä oma: PCBA

Jos aiot valmistaa alle 5 PCB: tä, katso sen sijaan "Kuinka tehdä itse: juotos käsin" (seuraava vaihe).

PCBA Tilaaminen Seeed Studiosta

1. Kirjaudu sisään tai luo tili osoitteessa
2. Napsauta 'Tilaa nyt'.
3. Lataa Gerber -tiedostoja.
4. Säädä asetuksia (piirilevyjen määrä ja pintakäsittely: HASL-lyijytön).
5. Lisää kokoonpanopiirustus ja poimi ja aseta tiedosto.
6. Valitse PCBA -määrä.
7. Lisää BOM. (HUOM: Jos haluat välttää juottamisen itse ja et odota pidempään odottamista, voit lisätä TSRN 1-2450 -jännitesäätimen BOM: ään.
8. Lisää ostoskoriin ja tilaa!

Katso tarvittavat tiedostot osoitteesta

Jännitteen säätimen juottaminen

Ainoa osa, joka vaatii juottamista Seeedin PCBA-palvelua käytettäessä, on jännitteen säädin TSRN 1-2450. Kuten edellä mainittiin, voit sisällyttää tämän kokoonpanorakenteeseen, mutta se voi lisätä tilaukseen paljon enemmän aikaa.

Jos juot mielellään käsin, lisää vain säädin silkkipainan osoittamaan kohtaan ja varmista, että suunta on oikea. Silkkipainan valkoisen pisteen tulee olla linjassa säätimen valkoisen pisteen kanssa (katso kuva).

Vaihe 6: Kuinka tehdä oma: Juotto käsin

Jos aiot valmistaa suuren määrän piirilevyjä, katso sen sijaan "Kuinka tehdä itse: PCBA" (edellinen vaihe).

Piirilevyjen tilaaminen

Voit ostaa piirilevyjä monilta verkkosivustoilta, mukaan lukien Seeed Studio, ja jotkut pystyvät toimittamaan alle viikossa. Käytimme Seeed Fusionia, mutta näiden vaiheiden pitäisi olla hyvin samanlaisia kuin muut sivustot.

1. Kirjaudu sisään tai luo tili osoitteessa
2. Napsauta 'Tilaa nyt'.
3. Lataa Gerber -tiedostot.
4. Säädä asetuksia (piirilevyjen määrä ja pintakäsittely: HASL-lyijytön)
5. Lisää ostoskoriin ja tilaa!

Katso tarvittavat tiedostot osoitteesta

Osien tilaaminen

Koska levyssä on lisäpehmusteita SMD/reiän asennusvaihtoehtoja varten, sinun ei tarvitse täyttää kaikkia osia. Jos juotat käsin, on helpointa välttää kaikki SMD: t täyttämällä levy kuvien taulukon mukaisesti.

HUOM. Jos olet varma juotosraudan suhteen, on tilaa säästävämpää ja halvempaa käyttää pinta-asennettavaa Micro SD -paikkaa 8-nastaisen otsikon ja katkaisukortin sijasta.

Vaihe 7: Kuinka tehdä itse: Kokoonpano

Grove -kaapelin muutokset

Jotta voit liittää PM -anturit lehtojen liittimiin, sinun on liitettävä anturikaapelit lehtokaapeleihin yllä olevan kuvan mukaisesti. Voit tehdä tämän käyttämällä puristimia tai juotetta ja kutistua. Käyttämästäsi anturista riippuen sinun on varmistettava, että pistoke vastaa piirilevyn tuloja.

Asennusvaiheet

1. Valitse, mitä virtalähteistä haluat käyttää (tynnyrin pistoke / JST / ruuviliitin) ja kytke asianmukainen virtalähde.
2. Tarkista yleismittarilla piirilevyn takana olevat V_IN- ja 5V -testityynyt.
3. Irrota virtalähde, kun olet tyytyväinen siihen, että piirilevy saa oikean virran. (Jos ei, kokeile vaihtoehtoista virtalähdettä)
4. Kytke LoPy4 16-nastaisiin otsikoihin ja varmista, että LED-valo on ylhäällä (kuten silkkinäytöllä). Otsikoiden neljä alinta reikää ovat käyttämättömiä.
5. Liitä jokainen Grove -laite piirilevyn vastaaviin pistorasioihin.
6. Liitä micro SD -kortti.
7. Kytke virtalähde uudelleen. LoPy4: n ja GPS: n merkkivalojen pitäisi syttyä.
8. Tarkista yleismittarilla jäljellä olevat piirilevyn takana olevat testityynyt.
9. PyonAir -laitteesi pitäisi nyt olla valmis ohjelmoimaan!

HUOM. Varmista, että tyhjennät SD -kortin ja alustat sen FAT32 -muotoon, ennen kuin liität sen korttiin.

VAROITUS: Liitä vain yksi virtalähde kerrallaan. Useiden virtalähteiden yhdistäminen samanaikaisesti voi aiheuttaa akun tai verkkovirran katkeamisen!

Vaihe 8: Kuinka tehdä oma: Ohjelmisto

Ohjelmistokehityksessämme käytimme Atomia ja pymakria. Molemmat ovat avoimen lähdekoodin ja niiden pitäisi toimia useimmissa tietokoneissa. Suosittelemme näiden asentamista ennen LoPy4 -kortin koodin lataamista.

Pycom suosittelee laitteiden laiteohjelmiston päivittämistä ennen niiden käyttöä. Täydelliset ohjeet sen tekemiseen löydät täältä:

Asennus

1. Saadaksesi PM-anturilaitteesi toimintakuntoon, lataa koodimme uusin versio GitHubista: https://github.com/pyonair/PyonAir-pycom Varmista, että poistat kaikki tiedostot sopivaan paikkaan tietokoneellasi tai kannettavalla tietokoneellasi ja vältä tiedostojen nimeämistä uudelleen.
2. Avaa Atom ja sulje kaikki nykyiset tiedostot napsauttamalla hiiren kakkospainikkeella ylätason kansiota ja napsauttamalla näkyviin tulevassa valikossa "Poista projektikansio".
3. Valitse Tiedosto> Avaa kansio ja valitse lopy -kansio. Kaikkien sisältämien tiedostojen ja kansioiden pitäisi näkyä Atomin vasemmalla puolella olevassa "Projekti" -ruudussa.
4. Liitä PyonAir-piirilevy tietokoneeseen tai kannettavaan tietokoneeseen FTDI-USB-kaapelilla ja RX-, TX- ja GND-nastoilla kortin oikealla puolella olevassa otsikossa.
5. Taulun pitäisi näkyä Atomissa ja muodostaa yhteyden automaattisesti.
6. Lataa koodi napsauttamalla alalaidassa olevaa "Lataa" -painiketta. Prosessi voi kestää muutaman minuutin sen mukaan, kuinka monta tiedostoa on poistettava ja asennettava. Kun lataus on onnistunut, lopeta koodi painamalla näppäimistösi Ctrl + c ja irrota sitten FTDI-USB-kaapeli.

Asetukset

Kun asennat uuden laitteen ensimmäistä kertaa tai jos haluat muuttaa asetuksia, sinun on määritettävä se WiFi -yhteyden kautta.

1. Poista ilmansaasteen valvontalaite kaikista tapauksista, joissa voit käyttää käyttäjäpainiketta.
2. Valmistele puhelin tai tietokone, joka pystyy muodostamaan yhteyden paikallisiin WiFi -verkkoihin.
3. Käynnistä PyonAir -laite.
4. Kun asetat laitteen ensimmäistä kertaa, sen on automaattisesti kytkeydyttävä konfigurointitilaan, josta sininen LED vilkkuu. Muussa tapauksessa paina Grove -liitäntäpiirilevyn (merkintä CONFIG) käyttäjäpainiketta 3 sekunnin ajan. RGB -merkkivalon pitäisi palaa sinisenä.
5. Yhdistä PyonAir -laitteen WiFi -verkkoon. (Sen nimi on "NewPyonAir" tai mikä tahansa laite, jonka aiemmin annoit.) Salasana on "newpyonair".
6. Kirjoita verkkoselaimeesi https://192.168.4.10/. Määrityssivun pitäisi näkyä.
7. Täytä kaikki pakolliset kentät sivulla ja napsauta Tallenna, kun olet valmis. (Sinun on annettava yhteystiedot LoRa- ja WiFi -yhteyksille, määritettävä kullekin anturille yksilöllinen tunnus ja määritettävä mieltymyksesi tiedon hankintaan.)
8. PyonAir -laitteen pitäisi nyt käynnistyä uudelleen ja käyttää antamiasi asetuksia.

Liitä laite LoRaan rekisteröimällä se The Things -verkon kautta. Luo uusi laite, jonka asetussivulla näkyy laitteen EUI, ja kopioi sovelluksen EUI ja sovellusavain TTN: stä asetuksiin.

Pybytes on Pycomin online -IoT -keskus, jonka kautta voit päivittää laiteohjelmiston, suorittaa OTA -päivityksiä ja visualisoida yhdistettyjen laitteiden tietoja. Sinun on ensin kirjauduttava sisään tai luotava tili täällä: https://pyauth.pybytes.pycom.io/login ja rekisteröi sitten uusi laite noudattamalla ohjeita.

Testaus

Helpoin tapa testata ilmansaasteen valvontalaitteen toiminta on käyttää FTDI-USB-kaapelia ja Grove Socket -piirilevyn RX-, TX- ja GND-nastaotsikoita. Kun kytket laitteen tällä tavalla, voit tarkastella kaikkia Atomin viestejä ja lukemia.

LoPy -kortin RGB -LED näyttää kortin tilan:

• Alustus = keltainen
• Alustus onnistui = Vihreä valo vilkkuu kahdesti
• SD -korttia ei voi käyttää = Punainen valo vilkkuu heti käynnistyksen jälkeen
• Muu ongelma = Punainen valo vilkkuu alustamisen aikana
• Suorituksenaikaiset virheet = Vilkkuva punainen

PyonAirin tiedot lähetetään oletusarvoisesti Southamptonin yliopiston palvelimelle. Voit muokata koodia ennen laitteen käyttöönottoa ohjataksesi sen valitsemaasi paikkaan.

Vaihe 9: Kuinka tehdä oma: Käyttöönotto

Nyt kun ilmansaasteen valvontalaite on täysin konfiguroitu, sinun pitäisi olla valmis ottamaan laite käyttöön!

Tapausneuvonta

Laitteillemme valitsemamme kotelo oli: https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t… Voit kuitenkin ostaa toisen kotelon tai suunnitella oman. Useimpien käyttämiemme laitteiden SolidWorks -tiedostot löytyvät Lisätiedot -osiosta, jotka auttavat mukautettujen kotelojen suunnittelussa. Yllä olevassa kuvassa näkyy myös yksi ehdotettu tapa järjestää anturit ja reikien leikkaaminen koteloon.

Muista vain, että tapauksesi pitäisi:

• Suojaa elektroniikka vedeltä ja pölyltä
• Salli laitteen asennus paikan päällä
• Anna ilman päästä PM -antureihin
• Estä elektroniikan ylikuumeneminen
• Pidä elektroniikkaa tukevasti kotelon sisällä

Sijainti neuvoja

Ihanteellinen sijoituspaikka täyttää seuraavat kriteerit:

• Ilmansaasteita kiinnostavalla alueella
• Poissa suorasta auringonvalosta
• LoRa -yhdyskäytävän kantaman sisällä
• WiFi -alueella
• Lähellä virtalähdettä
• Turvalliset kiinnityskohdat
• Pystyy vastaanottamaan GPS -signaaleja

Vaihe 10: Tiedostot ja hyvitykset

Kaikki tiedostot, joita tarvitset PyonAirin täydelliseen luomiseen, löytyvät osoitteesta https://su-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… (Zip-tiedostoja ei voi ladata Instructablesiin, anteeksi!) Gitbook sisältää myös lisätietoja laitteistosta ja ohjelmistosta.

Laajuus

Projektia valvoivat tohtori Steven J Ossont, tohtori Phil Basford ja Florentin Bulot

Koodit: Daneil Hausner ja Peter Varga

Piirin suunnittelu ja ohjeet Hazel Mitchell