PyonAir - en open source luftforureningsmonitor: 10 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:26

PyonAir er et billigt system til overvågning af lokale luftforureningsniveauer - specifikt partikler. Baseret på Pycom LoPy4-kortet og Grove-kompatibel hardware kan systemet overføre data over både LoRa og WiFi.

Jeg påtog mig dette projekt på University of Southampton og arbejdede i et team af forskere. Mit primære ansvar var design og udvikling af printkortet. Dette var første gang jeg brugte Eagle, så det var helt sikkert en lærerig oplevelse!

Formålet med PyonAir-projektet er at implementere et netværk af billige IoT-forureningsmonitorer, der giver os mulighed for at indsamle afgørende oplysninger om fordelingen og årsagerne til luftforurening. Selvom der er mange forureningsmonitorer på markedet, tilbyder de fleste kun "luftkvalitetsindeks" frem for rå PM -data - især til overkommelige priser. Ved at gøre projektet open-source med nemme installationsinstruktioner håber vi at gøre PyonAir-enheden tilgængelig for alle, der er interesseret i luftkvalitet, enten personligt eller professionelt. For eksempel kan denne enhed bruges til at indsamle data til studenterprojekter, ph.d.er og uafhængige parter, hvilket gør vital forskning, der har ry for at stige omkostninger, meget mere opnåelig. Projektet kan også bruges til opsøgende formål og kommunikere med offentligheden om deres lokale luftkvalitet og de trin, der kan tages for at forbedre det.

Vores mål om enkelhed og brugervenlighed inspirerede vores beslutning om at bruge Grove -systemet som rygraden i vores design. Den brede vifte af kompatible moduler giver brugerne af systemet mulighed for at tilpasse PyonAir -enheden til deres behov uden at blive tvunget til at redesigne den grundlæggende hardware. I mellemtiden tilbyder Pycom's LoPy4 flere muligheder for trådløs kommunikation i en enkelt, pæn pakke.

I denne instruks vil jeg beskrive designrejsen og trinene til fremstilling af printkortet, efterfulgt af instruktioner om, hvordan du samler hele PyonAir -enheden.

Forbrugsvarer

Komponenter:

• LoPy4: Hovedkort (https://pycom.io/product/lopy4/)
• PyonAirPCB: Nem tilslutning til Grove -sensorer
• Plantower PMS5003: Luftforureningssensor (https://shop.pimoroni.com/products/pms5003-particu…
• Sensirion SPS30: Luftforureningssensor (https://www.mouser.co.uk/ProductDetail/Sensirion/SPS30?qs=lc2O%252bfHJPVbEPY0RBeZmPA==)
• SHT35 sensor: Temperatur- og fugtighedsføler (https://www.seeedstudio.com/Grove-I2C-High-Accurac… …
• Real Time Clock: Backup clock unit (https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/hardware/…
• GPS-modul: GPS-modtager til tid og placering (https://www.seeedstudio.com/Grove-GPS-Module.html)
• Grove kabler:
• Pycom-antenne: LoRa-kapacitet (https://pycom.io/product/lora-868mhz-915mhz-sigfox…
• MicroSD -kort
• Strømforsyning: Primær strømforsyning (Anbefalet:
• Etui: IP66 115x90x65 mm vejrbestandig ABS -boks (https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t…

Værktøjer:

• Loddekolbe
• Multimeter
• Lille skruetrækker
• FTDI-kabel (valgfrit):

Trin 1: Om printkortet

Grove -stik er en stadig mere populær standard i det hobbyistiske elektronikøkosystem. Plug-and-play-stik gør det let og hurtigt at fastgøre og bytte en lang række moduler uden behov for at løse leddene.

I mellemtiden blev Pycoms LoPy4 -kort valgt som den vigtigste mikrokontroller til PyonAir, da det tilbyder 4 trådløse kommunikationstilstande: LoRa, Sigfox, WiFi og Bluetooth og er programmeret ved hjælp af MicroPython.

Arduino og Raspberry Pi understøtter allerede Grove -stikskærme, men ingen var endnu frigivet til Pycom -systemet. Derfor har vi designet vores eget udvidelseskort -printkort, som passer til LoPy4 -kortet. PCB indeholder:

• 2 I2C -stik (temperatursensor og RTC)
• 3 UART -stik (2x PM -sensor og GPS)
• Pins til USB -data
• Et transistorkredsløb til styring af strøm til PM -sensorerne
• Et transistorkredsløb til styring af strøm til GPS -modtageren
• Micro SD -slot
• Brugerknap
• Strømindgangsstik (tønde, JST eller skrueterminal)
• Strøm regulator

Trin 2: PCB V1-V3

PCB V1

Mit første forsøg på printkortet var baseret på et "shim" -koncept, hvor et tyndt printkort ville passe mellem LoPy -kortet og et Pycom -udvidelseskort, såsom Pytrack (se CAD -tegning). Som sådan var der ingen monteringshuller, og tavlen var meget grundlæggende og havde kun stik og et par transistorer til at tænde eller slukke PM -sensorerne.

For at være ærlig var der meget galt med dette bord:

• Sporene var alt for tynde
• Intet jordfly
• Mærkelige transistororienteringer
• Ubrugt plads
• Versionsetiketten blev skrevet i et sporlag, ikke silketryk

PCB V2

Ved V2 var det blevet klart, at vi havde brug for PyonAir til at fungere uden et udvidelseskort, så der blev tilføjet strømindgange, en UART -terminal og en SD -slot til designet.

Problemer:

• Spor krydsede monteringshulzoner
• Ingen LoPy orienteringsguide
• Forkert DC tønde jack orientering

PCB V3

Der blev foretaget relativt mindre ændringer mellem V2 og V3 - for det meste rettelser til ovenstående spørgsmål.

Trin 3: PCB V4

V4 bød på et komplet redesign af hele printkortet, hvor følgende ændringer blev foretaget:

• Næsten hver komponent kan loddes i hånden eller formonteres ved hjælp af PCBA
• Monteringshuller i hjørner
• Komponenter grupperet i "Permanent", "Power" og "User" zoner

• Etiketter til:

  • Indgangsspændingsområde
  • Dokumentationslink
  • LoPy LED -placering
• 2 muligheder for SD -holder
• Testpuder
• DC tønde jack kan monteres på toppen eller under brættet
• Bedre routing
• Mere effektivt pakket komponenter
• Længere kvindelige header-rækker blev tilføjet, så en bruger ville kunne bruge 4x 8-benede headers, i stedet for 2 par 8-pin og 6-pin headers, hvilket gør det lidt billigere.

Trin 4: PCB V5

Den sidste version

Disse sidste par justeringer blev foretaget til V5, før den blev sendt til PCBA -fremstilling af Seeed Studio:

• Endnu pænere routing
• Forbedret placering af etiketter
• Opdateret webstedslink
• Silkscreen puder til mærkning af PCB under test
• Flere afrundede hjørner (for bedre at passe i det valgte kabinet)
• Justeret PCB -længde, så den passer til kabinetskinner

Trin 5: Sådan laver du din egen: PCBA

Hvis du planlægger at producere mindre end 5 printkort, skal du i stedet se "Sådan laver du dit eget: Håndlodning" (næste trin).

PCBA bestilling fra Seeed Studio

1. Log ind, eller opret en konto på
2. Klik på 'Bestil nu'.
3. Upload Gerber -filer.
4. Juster indstillinger (PCB-mængde og overfladefinish: HASL blyfri).
5. Tilføj samlingstegning og vælg og placer fil.
6. Vælg PCBA -mængde.
7. Tilføj stykliste. (NB: Hvis du vil undgå at lodde det selv og ikke har noget imod den længere ventetid, kan du tilføje TSRN 1-2450 spændingsregulator til styklisten.
8. Læg i kurv og bestil!

Besøg venligst: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… for de nødvendige filer.

Lodning af spændingsregulatoren

Den eneste del, der kræver lodning, når Seeeds PCBA-service bruges, er spændingsregulatoren TSRN 1-2450. Som nævnt ovenfor kan du inkludere dette i samlingsstyklisten, men det kan tilføre ordren meget mere tid.

Hvis du er glad for at lodde det i hånden, skal du blot tilføje regulatoren til det sted, der er markeret med silketryk, og sikre dig, at retningen er korrekt. Den hvide prik på silketryk skal stemme overens med den hvide prik på regulatoren (se billede).

Trin 6: Sådan laver du din egen: Håndlodning

Hvis du planlægger at fremstille et stort antal PCB'er, skal du i stedet se "Sådan laver du din egen: PCBA" (forrige trin).

Bestilling af printkort

Du kan købe printkort fra mange websteder, herunder Seeed Studio, hvor nogle kan levere på under en uge. Vi brugte Seeed Fusion, men disse trin skal ligne meget andre websteder.

1. Log ind, eller opret en konto på
2. Klik på 'Bestil nu'.
3. Upload Gerber -filer.
4. Juster indstillinger (PCB-mængde og overfladefinish: HASL blyfri)
5. Læg i kurv og bestil!

Besøg venligst: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… for de nødvendige filer.

Bestilling af dele

Da brættet har ekstra puder til SMD/gennemgående monteringsmuligheder, behøver du ikke udfylde alle dele. Hvis du lodder i hånden, er det nemmest at undgå alle SMD'er ved at udfylde brættet i henhold til tabellen vist på billederne.

N. B. Hvis du er sikker på et loddejern, er det mere pladsbesparende og billigere at bruge et overflademonteret Micro SD-slot i stedet for det 8-benede header + breakout board.

Trin 7: Sådan laver du din egen: Montering

Grove kabel ændringer

For at tilslutte dine PM -sensorer til lundestikkene skal du spleje sensorkablerne på lundkablerne, som vist på billedet ovenfor. Du kan gøre dette ved hjælp af enten crimps eller loddemetal og varmekrympning. Afhængigt af den sensor, du bruger, skal du sørge for, at pinout matcher input til PCB.

Monteringstrin

1. Vælg hvilken af de strømindgange, du ønsker at bruge (tøndejack / JST / skrueterminal), og tilslut den relevante forsyning.
2. Brug et multimeter til at kontrollere V_IN og 5V testpuderne på bagsiden af printkortet.
3. Når du er glad for, at kortet er korrekt drevet, skal du fjerne strømforsyningen. (Hvis ikke prøv alternativ strømforsyning)
4. Sæt LoPy4 i de 16-benede overskrifter, og sørg for, at LED'en er øverst (som vist på silketryk). De nederste 4 huller i overskrifterne er ubrugte.
5. Tilslut hver af Grove -enhederne til de matchende stik på printkortet.
6. Tilslut micro SD -kortet.
7. Tilslut strømforsyningen igen. Lysdioderne på LoPy4 og GPS skal begge tænde.
8. Brug et multimeter til at kontrollere de resterende testpuder på bagsiden af printkortet.
9. Din PyonAir skulle nu være klar til at programmere!

N. B. Sørg for at tømme SD -kortet og formatere det som FAT32, før du sætter det i kortet.

ADVARSEL: Tilslut kun en strømkilde ad gangen. Tilslutning af flere forsyninger på samme tid kan kortslutte et batteri eller strømforsyning!

Trin 8: Sådan laver du din egen: Software

Til vores softwareudvikling brugte vi Atom og pymakr. Begge disse er open-source og burde fungere på de fleste computere. Vi anbefaler at installere disse, før du downloader koden til LoPy4 -kortet.

Pycom anbefaler at opdatere firmwaren på deres enheder, før de forsøger at bruge dem. Komplette instruktioner om, hvordan du gør det, findes her:

Installation

1. For at få din PM-sensorenhed i gang, skal du downloade den nyeste version af vores kode fra GitHub: https://github.com/pyonair/PyonAir-pycom Sørg for at pakke alle filerne ud til et bekvemt sted på din pc eller bærbare computer og undgå at omdøbe nogen af filerne.
2. Åbn Atom, og luk alle aktuelle filer ved at højreklikke på mappen på øverste niveau og klikke på "Fjern projektmappe" i menuen, der vises.
3. Gå til Filer> Åbn mappe, og vælg mappen "lopy". Alle de indeholdte filer og mapper skal vises i "Projekt" -ruden til venstre i Atom.
4. Slut PyonAir-printkortet til din pc eller bærbare computer ved hjælp af et FTDI-USB-kabel og RX-, TX- og GND-benene på overskriften til højre på kortet.
5. Brættet skal dukke op i Atom og oprette forbindelse automatisk.
6. For at uploade koden skal du blot klikke på knappen "Upload" i den nederste rude. Processen kan tage et par minutter, afhængigt af hvor mange filer der skal fjernes og installeres. Når overførslen er lykkedes, skal du trykke på Ctrl + c på tastaturet for at stoppe koden og derefter trække FTDI-USB-kablet ud.

Konfiguration

Når du konfigurerer en ny enhed for første gang, eller hvis du vil ændre nogen indstillinger, skal du konfigurere den via WiFi.

1. Fjern din luftforureningsmonitor fra alle tilfælde, så du kan få adgang til brugerknappen.
2. Forbered en telefon eller computer, der kan oprette forbindelse til lokale WiFi -netværk.
3. Tænd for PyonAir -enheden.
4. Når enheden konfigureres for første gang, skal den automatisk skifte til konfigurationstilstand, angivet med blå LED, der blinker. Ellers skal du trykke på og holde brugerknappen nede på Grove -stikket PCB (mærket CONFIG) i 3 sekunder. RGB -LED'en skal lyse konstant blå.
5. Opret forbindelse til PyonAir -enhedens WiFi. (Dette vil blive navngivet 'NewPyonAir' eller hvad du tidligere har kaldt enheden.) Adgangskoden er 'newpyonair'.
6. Indtast https://192.168.4.10/ i din webbrowser. Konfigurationssiden skal vises.
7. Udfyld alle nødvendige felter på siden, og klik på 'Gem', når du er færdig. (Du skal angive forbindelsesoplysninger til LoRa og WiFi, tildele hver sensor et unikt ID og angive dine præferencer vedrørende dataindsamling.)
8. PyonAir -enheden skal nu genstarte og vil bruge de angivne indstillinger.

For at forbinde din enhed til LoRa skal du registrere den via The Things Network. Opret en ny enhed med Device EUI vist på konfigurationssiden, og kopier Application EUI og App Key fra TTN til konfigurationerne.

Pybytes er Pycoms online IoT -hub, hvorigennem du kan opdatere firmware, udføre OTA -opdateringer og visualisere data fra tilsluttede enheder. Først skal du logge ind eller oprette en konto her: https://pyauth.pybytes.pycom.io/login og følg derefter trinene for at registrere en ny enhed.

Test

Den nemmeste måde at teste, at din luftforureningsmonitor fungerer korrekt, er ved hjælp af et FTDI-USB-kabel og RX-, TX- og GND-benhovederne på Grove Socket PCB. Tilslutning af enheden på denne måde giver dig mulighed for at se alle meddelelser og aflæsninger i Atom.

RGB -LED'en på LoPy -kortet viser kortets status:

• Initialisering = rav
• Initialiseringen lykkedes = Grønt lys blinker to gange
• Kan ikke få adgang til SD -kort = Rødt lys blinker umiddelbart efter opstart
• Andet problem = Rødt lys blinker under initialisering
• Kørselsfejl = Rødt blink

Som standard sendes data fra PyonAir til University of Southamptons server. Du kan redigere koden, før du implementerer enheden for at omdirigere den til et sted efter eget valg.

Trin 9: Sådan laver du din egen: Implementering

Nu hvor din luftforureningsmonitor er fuldt konfigureret, skal du være klar til at implementere enheden!

Sagråd

Sagen vi valgte til vores enheder var: https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t… Du er dog velkommen til at købe en anden sag eller designe din egen. SolidWorks -filer til det meste af den hardware, vi brugte, findes i afsnittet Ekstra information for at hjælpe med at designe tilpassede sager. En foreslået metode til at arrangere sensorerne og skære huller i sagen er også vist på billedet ovenfor.

Bare husk, at din sag skal:

• Beskyt elektronikken mod vand og støv
• Tillad montering af enheden på stedet
• Lad luft nå PM -sensoren (e)
• Undgå overophedning af elektronikken
• Hold elektronikken sikkert inde i kabinettet

Placering råd

En ideel implementeringsplads vil opfylde følgende kriterier:

• I en region af interesse for luftforurening
• Uden direkte sollys
• Inden for rækkevidde af en LoRa -gateway
• Inden for rækkevidde af WiFi
• Tæt på en strømkilde
• Sikre monteringspunkter
• Kan modtage GPS -signaler

Trin 10: Filer og kreditter

Alle de filer, du skal bruge for at lave din egen fulde PyonAir, kan findes på: https://su-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… (Zip-filer kan ikke uploades til Instructables, beklager!) Gitbook indeholder også yderligere oplysninger om hardware og software.

Credits

Projekt under tilsyn af Dr Steven J Ossont, Dr Phil Basford & Florentin Bulot

Kode af Daneil Hausner & Peter Varga

Kredsløbsdesign og instruktioner af Hazel Mitchell