PyonAir - Monitor Pencemaran Udara Sumber Terbuka: 10 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:08

PyonAir adalah sistem kos rendah untuk memantau tahap pencemaran udara tempatan - khususnya, bahan partikulat. Berdasarkan sekitar papan Pycom LoPy4 dan perkakasan yang serasi dengan Grove, sistem ini dapat menghantar data melalui LoRa dan WiFi.

Saya menjalankan projek ini di University of Southampton, bekerja dalam pasukan penyelidik. Tanggungjawab utama saya adalah reka bentuk dan pembangunan PCB. Ini adalah kali pertama saya menggunakan Eagle jadi itu pasti pengalaman belajar!

Objektif projek PyonAir adalah untuk menyebarkan rangkaian pemantau pencemaran IoT yang murah dan akan membolehkan kami mengumpulkan maklumat penting mengenai penyebaran dan penyebab pencemaran udara. Walaupun terdapat banyak monitor pencemaran di pasar, kebanyakan hanya menawarkan "Indeks Kualiti Udara", dan bukannya data PM mentah - terutama pada harga yang berpatutan. Dengan menjadikan projek ini sebagai sumber terbuka, dengan petunjuk penyediaan yang mudah, kami berharap agar peranti PyonAir dapat diakses oleh siapa saja yang berminat dengan kualiti udara, baik secara peribadi maupun profesional. Sebagai contoh, peranti ini dapat digunakan untuk mengumpulkan data untuk projek pelajar, PhD dan pihak bebas, membuat penyelidikan penting yang mempunyai reputasi untuk menjulang kos jauh lebih dapat dicapai. Projek ini juga dapat digunakan untuk tujuan jangkauan, berkomunikasi dengan orang ramai mengenai kualiti udara tempatan mereka dan langkah-langkah yang dapat diambil untuk memperbaikinya.

Matlamat kesederhanaan dan kemudahan penggunaan kami memberi inspirasi kepada keputusan kami untuk menggunakan sistem Grove sebagai tulang belakang reka bentuk kami. Pelbagai modul yang serasi akan memungkinkan pengguna sistem untuk menyesuaikan peranti PyonAir dengan keperluan mereka, tanpa dipaksa untuk merancang semula perkakasan asas. Sementara itu, LoPy4 Pycom menawarkan pelbagai pilihan untuk komunikasi tanpa wayar dalam satu pakej yang kemas.

Dalam arahan ini, saya akan menerangkan perjalanan reka bentuk dan langkah-langkah untuk menghasilkan PCB, diikuti dengan arahan bagaimana memasang unit PyonAir penuh.

Bekalan

Komponen:

• LoPy4: Papan utama (https://pycom.io/product/lopy4/)
• PyonAirPCB: Sambungan mudah ke sensor Grove
• Plantower PMS5003: Sensor pencemaran udara (https://shop.pimoroni.com/products/pms5003-particu…
• Sensirion SPS30: Sensor pencemaran udara (https://www.mouser.co.uk/ProductDetail/Sensirion/SPS30?qs=lc2O%252bfHJPVbEPY0RBeZmPA==)
• Sensor SHT35: Sensor suhu & kelembapan (https://www.seeedstudio.com/Grove-I2C-High-Accurac…
• Jam Masa Sebenar: Unit jam sandaran (https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/hardware/…
• Modul GPS: Penerima GPS untuk masa & lokasi (https://www.seeedstudio.com/Grove-GPS-Module.html)
• Kabel alur:
• Antena Pycom: Keupayaan LoRa (https://pycom.io/product/lora-868mhz-915mhz-sigfox…
• Kad MicroSD
• Bekalan kuasa: Bekalan kuasa utama (Disyorkan:
• Casing: Kotak ABS kalis cuaca IP66 115x90x65 mm (https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t…

Alat:

• Besi pematerian
• Multimeter
• Pemutar skru kecil
• Kabel FTDI (pilihan):

Langkah 1: Mengenai PCB

Penyambung grove adalah standard yang semakin popular dalam ekosistem elektronik hobi. Penyambung plug-and-play menjadikan pemasangan dan pertukaran pelbagai modul mudah dan cepat, tanpa perlu menyambungkan sendi.

Sementara itu, papan LoPy4 Pycom dipilih sebagai pengawal mikro utama untuk PyonAir kerana ia menawarkan 4 mod komunikasi tanpa wayar: LoRa, Sigfox, WiFi & Bluetooth dan diprogramkan menggunakan MicroPython.

Arduino dan Raspberry Pi sudah menyokong perisai penyambung Grove tetapi belum ada yang dilepaskan untuk sistem Pycom. Oleh itu, kami merancang PCB papan pengembangan kami sendiri, yang sesuai dengan papan LoPy4. PCB mengandungi:

• 2 soket I2C (Sensor suhu & RTC)
• 3 soket UART (sensor & GPS 2x PM)
• Pin untuk data USB
• Litar transistor untuk mengawal daya ke sensor PM
• Litar transistor untuk mengawal kuasa ke penerima GPS
• Slot Micro SD
• Butang pengguna
• Penyambung input kuasa (Barel, JST atau terminal skru)
• Pengatur voltan

Langkah 2: PCB V1-V3

PCB V1

Percubaan pertama saya di PCB berdasarkan konsep "shim", di mana PCB nipis sesuai di antara papan LoPy dan papan pengembangan Pycom, seperti Pytrack (lihat gambar CAD). Oleh itu, tidak ada lubang pemasangan dan papannya sangat asas, hanya menampilkan penyambung dan sepasang transistor untuk menghidupkan atau mematikan sensor PM.

Sejujurnya, terdapat banyak kesalahan dengan lembaga ini:

• Jalannya terlalu tipis
• Tiada pesawat darat
• Orientasi transistor pelik
• Ruang yang tidak digunakan
• Label versi ditulis dalam lapisan trek, bukan silkscreen

PCB V2

Menjelang V2, menjadi jelas bahawa kami memerlukan PyonAir untuk beroperasi tanpa papan pengembangan, jadi input kuasa, terminal UART dan slot SD ditambahkan pada reka bentuk.

Isu:

• Trek melintasi zon lubang pemasangan
• Tiada panduan orientasi LoPy
• Orientasi bicu laras DC tidak betul

PCB V3

Perubahan yang agak kecil dibuat antara V2 & V3 - kebanyakannya pembetulan terhadap masalah di atas.

Langkah 3: PCB V4

V4 menampilkan reka bentuk semula keseluruhan PCB, di mana perubahan berikut dibuat:

• Hampir setiap komponen boleh disolder dengan tangan atau dirangkai menggunakan PCBA
• Pemasangan lubang di sudut
• Komponen dikelompokkan ke dalam zon "Kekal", "Kuasa" dan "Pengguna"

• Label untuk:

  • Julat voltan input
  • Pautan dokumentasi
  • Lokasi LED LoPy
• 2 pilihan pemegang SD
• Pad ujian
• Jack laras DC boleh dipasang di atas atau di bawah papan
• Penghalaan yang lebih baik
• Komponen yang dibungkus dengan lebih cekap
• Baris header wanita lebih panjang ditambahkan, jadi pengguna akan dapat menggunakan header 4-pin 8x, bukan 2 pasang header 8-pin dan 6-pin, menjadikannya sedikit lebih murah.

Langkah 4: PCB V5

Versi terakhir

Beberapa penyesuaian terakhir dibuat pada V5 sebelum diserahkan untuk pembuatan PCBA oleh Seeed Studio:

• Laluan yang lebih kemas
• Peningkatan kedudukan label yang lebih baik
• Pautan laman web yang dikemas kini
• Pelindung skrin sutera untuk melabel PCB semasa ujian
• Sudut yang lebih bulat (agar lebih sesuai di kandang yang dipilih)
• Panjang PCB yang disesuaikan agar sesuai dengan rel kandang

Langkah 5: Cara Membuat Kepunyaan Anda: PCBA

Sekiranya anda merancang untuk mengeluarkan kurang dari 5 PCB, lihat "Cara membuat sendiri: Pematerian Tangan" (langkah seterusnya) sebagai gantinya.

Pesanan PCBA dari Seeed Studio

1. Log masuk atau buat akaun di
2. Klik pada 'Pesan Sekarang'.
3. Muat naik fail Gerber.
4. Laraskan tetapan (kuantiti PCB & kemasan permukaan: HASL Bebas plumbum).
5. Tambahkan gambar pemasangan & pilih dan letakkan fail.
6. Pilih kuantiti PCBA.
7. Tambah BOM. (NB: Sekiranya anda tidak mahu menyoldernya sendiri dan tidak keberatan menunggu lebih lama, anda boleh menambahkan pengatur voltan TSRN 1-2450 ke BOM.
8. Tambah ke troli & pesanan!

Sila lawati: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… untuk fail yang diperlukan.

Memateri pengatur voltan

Satu-satunya bahagian yang memerlukan pematerian semasa menggunakan perkhidmatan PCBA Seeed adalah pengatur voltan TSRN 1-2450. Seperti yang telah disebutkan di atas, anda boleh memasukkannya dalam pemasangan BOM tetapi mungkin akan menambahkan lebih banyak masa untuk pesanan.

Sekiranya anda senang menyoldernya dengan tangan, cukup tambahkan pengatur ke tempat yang ditunjukkan oleh silkscreen, pastikan orientasinya betul. Titik putih pada layar sutera harus sejajar dengan titik putih pada pengatur (lihat gambar).

Langkah 6: Cara Membuat Sendiri: Pematerian Tangan

Sekiranya anda merancang untuk mengeluarkan sebilangan besar PCB, lihat "Cara membuatnya sendiri: PCBA" (langkah sebelumnya).

Memesan PCB

Anda dapat membeli PCB dari banyak laman web, termasuk Seeed Studio, dengan beberapa yang dapat diserahkan dalam masa kurang dari seminggu. Kami menggunakan Seeed Fusion, tetapi langkah-langkah ini semestinya serupa dengan laman web lain.

1. Log masuk atau buat akaun di
2. Klik pada 'Pesan Sekarang'.
3. Muat Naik Fail Gerber.
4. Laraskan tetapan (kuantiti PCB & Permukaan permukaan: HASL Bebas plumbum)
5. Tambah ke troli dan pesan!

Sila lawati: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… untuk fail yang diperlukan.

Memesan bahagian

Oleh kerana papan mempunyai pad tambahan untuk pilihan pemasangan SMD / lubang, anda tidak perlu mengisi setiap bahagian. Sekiranya anda menyolder dengan tangan, paling mudah untuk mengelakkan semua SMD dengan mengisi papan mengikut jadual yang ditunjukkan dalam gambar.

N. B. Sekiranya anda yakin dengan solder, lebih menjimatkan ruang dan lebih murah untuk menggunakan slot Micro SD permukaan dan bukannya header 8-pin + papan pelarian.

Langkah 7: Cara Membuat Milik Anda: Perhimpunan

Pengubahsuaian kabel grove

Untuk menyambungkan sensor PM anda ke penyambung grove, anda perlu menyambungkan kabel sensor ke kabel grove, seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas. Anda boleh melakukannya dengan menggunakan kelim atau pateri dan pengecutan panas. Bergantung pada sensor yang anda gunakan, anda perlu memastikan pinout sesuai dengan input ke PCB.

Langkah pemasangan

1. Pilih salah satu input kuasa yang ingin anda gunakan (jack barel / JST / terminal skru) dan sambungkan bekalan yang sesuai.
2. Gunakan multimeter untuk memeriksa pad ujian V_IN dan 5V di bahagian belakang PCB.
3. Apabila anda gembira bahawa papan dikuasakan dengan betul, tanggalkan bekalan kuasa. (Sekiranya tidak mencuba bekalan kuasa alternatif)
4. Pasang LoPy4 ke header 16-pin, memastikan LED berada di bahagian atas (seperti yang ditunjukkan pada silkscreen). 4 lubang bawah pada tajuk tidak digunakan.
5. Sambungkan setiap peranti Grove ke soket yang sesuai pada PCB.
6. Pasang kad SD mikro.
7. Sambungkan semula bekalan kuasa. LED pada LoPy4 dan GPS keduanya harus menyala.
8. Gunakan multimeter untuk memeriksa pad ujian yang tinggal di bahagian belakang PCB.
9. PyonAir anda kini harus bersedia untuk diprogramkan!

N. B. Pastikan anda mengosongkan kad SD dan memformatnya sebagai FAT32 sebelum memasangkannya ke papan.

PERINGATAN: Hanya sambungkan satu sumber kuasa pada satu masa. Menyambungkan pelbagai bekalan pada masa yang sama boleh menghabiskan bateri atau kuasa utama!

Langkah 8: Cara Membuat Peribadi: Perisian

Untuk pengembangan perisian kami, kami menggunakan Atom dan pymakr. Kedua-duanya adalah sumber terbuka dan semestinya berfungsi di kebanyakan komputer. Kami mengesyorkan memasangnya sebelum memuat turun kod untuk papan LoPy4.

Pycom mengesyorkan untuk mengemas kini firmware peranti mereka sebelum mencuba menggunakannya. Arahan lengkap mengenai cara melakukannya boleh didapati di sini:

Pemasangan

1. Untuk menghidupkan dan menghidupkan peranti sensor PM anda, muat turun versi terbaru kod kami dari GitHub: https://github.com/pyonair/PyonAir-pycom Pastikan anda mengekstrak semua fail ke lokasi yang mudah di PC atau komputer riba anda dan elakkan menamakan semula fail mana pun.
2. Buka Atom dan tutup sebarang fail semasa dengan mengklik kanan folder tingkat atas dan mengklik "Remove Project Folder" di menu yang muncul.
3. Pergi ke Fail> Buka Folder dan pilih folder "lopy". Semua fail dan folder yang terkandung harus muncul di panel "Projek" di sebelah kiri di Atom.
4. Pasang PCB PyonAir ke dalam PC atau komputer riba anda dengan menggunakan kabel FTDI-USB dan pin RX, TX dan GND pada header di sebelah kanan papan.
5. Papan mesti muncul di Atom dan menyambung secara automatik.
6. Untuk memuat naik kod, cukup klik butang "Muat Naik" di panel bawah. Prosesnya mungkin memerlukan beberapa minit, bergantung pada berapa banyak fail yang perlu dikeluarkan dan dipasang. Setelah muat naik berjaya, tekan Ctrl + c pada papan kekunci anda untuk menghentikan kodnya, kemudian cabut kabel FTDI-USB.

Konfigurasi

Semasa anda membuat peranti baru untuk pertama kalinya atau jika anda ingin mengubah tetapan apa pun, anda perlu mengkonfigurasinya melalui WiFi.

1. Tanggalkan monitor pencemaran udara anda dari sebarang kes sehingga anda dapat mengakses butang pengguna.
2. Siapkan telefon atau komputer yang dapat disambungkan ke rangkaian WiFi tempatan.
3. Kuasakan peranti PyonAir.
4. Semasa menyiapkan peranti untuk pertama kalinya, peranti ini akan secara automatik beralih ke mod konfigurasi, ditunjukkan oleh LED biru yang berkelip. Jika tidak, tekan dan tahan butang pengguna pada Grove socket PCB (berlabel CONFIG) selama 3 saat. LED RGB harus bertukar menjadi biru pekat.
5. Sambungkan ke WiFi peranti PyonAir. (Ini akan dinamakan 'NewPyonAir' atau apa sahaja yang anda namakan sebelumnya.) Kata laluan adalah 'newpyonair'.
6. Masukkan https://192.168.4.10/ ke dalam penyemak imbas web anda. Halaman konfigurasi akan muncul.
7. Isi semua bidang yang diperlukan di halaman dan klik 'Simpan' setelah selesai. (Anda perlu memberikan butiran sambungan ke LoRa dan WiFi, memberikan ID unik untuk setiap sensor, dan menentukan pilihan anda mengenai pemerolehan data.)
8. Peranti PyonAir kini harus reboot dan akan menggunakan tetapan yang anda berikan.

Untuk menyambungkan peranti anda ke LoRa, daftarkannya melalui The Things Network. Buat peranti baru dengan EUI Peranti yang ditunjukkan di halaman konfigurasi, dan salin Aplikasi EUI dan Kunci Aplikasi dari TTN ke konfigurasi.

Pybytes adalah hab IoT dalam talian Pycom, di mana anda boleh mengemas kini firmware, melakukan kemas kini OTA dan memvisualisasikan data dari peranti yang disambungkan. Pertama, anda perlu log masuk atau membuat akaun di sini: https://pyauth.pybytes.pycom.io/login kemudian ikuti langkah-langkah untuk mendaftarkan peranti baru.

Ujian

Cara termudah untuk menguji bahawa monitor pencemaran udara anda berfungsi dengan betul adalah menggunakan kabel FTDI-USB dan header pin RX, TX & GND pada Grove Socket PCB. Menyambungkan peranti dengan cara ini membolehkan anda melihat semua mesej dan bacaan di Atom.

LED RGB pada papan LoPy menunjukkan status papan:

• Permulaan = Amber
• Permulaan berjaya = Lampu hijau berkelip dua kali
• Tidak dapat mengakses kad SD = Lampu merah berkelip sejurus selepas but
• Isu lain = Lampu merah berkelip semasa permulaan
• Kesalahan masa jalan = Merah berkelip

Secara lalai, data dari PyonAir akan dihantar ke pelayan University of Southampton. Anda boleh mengedit kod sebelum menggunakan peranti untuk mengalihkannya ke lokasi pilihan anda.

Langkah 9: Cara Membuat Milik Anda: Penerapan

Setelah monitor pencemaran udara anda dikonfigurasikan sepenuhnya, anda harus bersedia menggunakan peranti ini!

Nasihat kes

Kes yang kami pilih untuk peranti kami adalah: https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t… Namun, jangan ragu untuk membeli casing lain atau merancang sendiri. Fail SolidWorks untuk kebanyakan perkakasan yang kami gunakan disediakan di bahagian Maklumat Tambahan, untuk membantu merancang kes tersuai. Salah satu kaedah yang dicadangkan untuk mengatur sensor dan memotong lubang pada casing juga ditunjukkan dalam gambar di atas.

Ingatlah bahawa kes anda harus:

• Lindungi elektronik dari air dan habuk
• Benarkan pemasangan peranti di lokasi
• Benarkan udara sampai ke sensor PM
• Elakkan elektronik daripada terlalu panas
• Pegang elektronik dengan selamat di dalam casing

Lokasi Lokasi

Lokasi penyebaran yang ideal akan memenuhi kriteria berikut:

• Di kawasan yang menarik untuk pencemaran udara
• Terhadap cahaya matahari langsung
• Dalam jarak dari pintu masuk LoRa
• Dalam jarak WiFi
• Berdekatan dengan sumber kuasa
• Titik pemasangan selamat
• Mampu menerima isyarat GPS

Langkah 10: Fail & Kredit

Semua fail yang anda perlukan untuk membuat PyonAir penuh anda boleh didapati di: https://su-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… (Fail zip tidak dapat dimuat naik ke Instructables, maaf! Gitbook juga merangkumi maklumat tambahan mengenai perkakasan dan perisian.

Kredit

Projek diselia oleh Dr Steven J Ossont, Dr Phil Basford & Florentin Bulot

Kod oleh Daneil Hausner & Peter Varga

Reka bentuk & arahan litar oleh Hazel Mitchell