PyonAir: un monitor de contaminació atmosfèrica de codi obert: 10 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

El PyonAir és un sistema de baix cost per controlar els nivells locals de contaminació atmosfèrica, concretament les partícules. Basat en la placa Pycom LoPy4 i el maquinari compatible amb Grove, el sistema pot transmetre dades tant per LoRa com per WiFi.

Vaig emprendre aquest projecte a la Universitat de Southampton, treballant en un equip d'investigadors. La meva principal responsabilitat era el disseny i desenvolupament del PCB. Aquesta era la meva primera vegada que utilitzava Eagle, així que sens dubte va ser una experiència d’aprenentatge.

L’objectiu del projecte PyonAir és desplegar una xarxa de monitors de contaminació IoT de baix cost que ens permetin recopilar informació crucial sobre la distribució i les causes de la contaminació atmosfèrica. Tot i que hi ha molts monitors de contaminació al mercat, la majoria només ofereixen "Índex de qualitat de l'aire", en lloc de dades de PM brutes, sobretot a preus assequibles. En fer el projecte de codi obert, amb instruccions de configuració fàcils, esperem que el dispositiu PyonAir sigui accessible per a tothom que estigui interessat en la qualitat de l’aire, ja sigui personalment o professionalment. Per exemple, aquest dispositiu es pot utilitzar per recopilar dades de projectes d’estudiants, doctors i parts independents, cosa que fa que la investigació vital que tingui la reputació d’augmentar els costos sigui molt més assolible. El projecte també es pot utilitzar amb finalitats de divulgació, comunicant amb els ciutadans sobre la seva qualitat de l’aire local i els passos que es poden fer per millorar-lo.

Els nostres objectius de simplicitat i facilitat d’ús van inspirar la nostra decisió d’utilitzar el sistema Grove com a eix vertebrador del nostre disseny. L'àmplia gamma de mòduls compatibles permetrà als usuaris del sistema personalitzar el dispositiu PyonAir segons les seves necessitats, sense que es vegi obligat a redissenyar el maquinari fonamental. Mentrestant, LoPy4 de Pycom ofereix múltiples opcions per a la comunicació sense fils en un paquet únic i ordenat.

En aquest instructiu, descriuré el viatge de disseny i els passos per fabricar el PCB, seguit d’instruccions sobre com muntar la unitat PyonAir completa.

Subministraments

Components:

• LoPy4: Tauler principal (https://pycom.io/product/lopy4/)
• PyonAirPCB: fàcil connexió a sensors Grove
• Plantower PMS5003: sensor de contaminació atmosfèrica (https://shop.pimoroni.com/products/pms5003-particu…
• Sensirion SPS30: sensor de contaminació atmosfèrica (https://www.mouser.co.uk/ProductDetail/Sensirion/SPS30?qs=lc2O%252bfHJPVbEPY0RBeZmPA==)
• Sensor SHT35: sensor de temperatura i humitat (https://www.seeedstudio.com/Grove-I2C-High-Accurac…
• Rellotge en temps real: unitat de rellotge de còpia de seguretat (https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/hardware/…
• Mòdul GPS: receptor GPS per a temps i ubicació (https://www.seeedstudio.com/Grove-GPS-Module.html)
• Cables Grove:
• Antena Pycom: capacitat LoRa (https://pycom.io/product/lora-868mhz-915mhz-sigfox…
• Targeta MicroSD
• Font d'alimentació: font d'alimentació principal (recomanat:
• Estoig: caixa ABS resistent a la intempèrie IP66 115x90x65 mm (https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t…

Eines:

• Soldador
• Multímetre
• Tornavís petit
• Cable FTDI (opcional):

Pas 1: Quant al PCB

Els connectors Grove són un estàndard cada vegada més popular a l’ecosistema dels aficionats a l’electrònica. Els connectors plug-and-play faciliten i connecten i canvien una àmplia gamma de mòduls sense necessitat de tornar a soldar les juntes.

Mentrestant, la placa LoPy4 de Pycom va ser seleccionada com a microcontrolador principal per al PyonAir, ja que ofereix 4 modes de comunicació sense fils: LoRa, Sigfox, WiFi i Bluetooth i es programa mitjançant MicroPython.

Arduino i Raspberry Pi ja admeten blindatges de connectors Grove, però encara no se n’havia llançat cap per al sistema Pycom. Per tant, hem dissenyat el nostre propi PCB de placa d’expansió, que s’adapta a la placa LoPy4. El PCB conté:

• 2 endolls I2C (sensor de temperatura i RTC)
• 3 endolls UART (2x sensor PM i GPS)
• Pins per a dades USB
• Circuits de transistors per controlar la potència dels sensors PM
• Un circuit de transistors per controlar l’alimentació del receptor GPS
• Ranura micro SD
• Botó d'usuari
• Connectors d’entrada d’alimentació (barril, JST o terminal de cargol)
• Regulador de voltatge

Pas 2: PCB V1-V3

PCB V1

El meu primer intent amb el PCB es va basar en un concepte "shim", on hi cabia un PCB prim entre la placa LoPy i una placa d'expansió Pycom, com ara Pytrack (vegeu el dibuix CAD). Com a tal, no hi havia forats de muntatge i la placa era molt bàsica, només contenia connectors i un parell de transistors per activar o desactivar els sensors PM.

Per ser sincer, hi havia molts errors en aquest tauler:

• Les vies eren massa primes
• Sense avió terrestre
• Estranyes orientacions de transistors
• Espai no utilitzat
• L'etiqueta de la versió s'ha escrit en una capa de pista, no en serigrafia

PCB V2

A V2, s’havia fet evident que necessitàvem que el PyonAir funcionés sense una placa d’expansió, de manera que al disseny s’hi van afegir entrades d’alimentació, un terminal UART i una ranura SD.

Problemes:

• Pistes creuades per zones de forats de muntatge
• No hi ha guia d’orientació de LoPy
• Orientació incorrecta de la presa de barril de CC

PCB V3

Es van fer modificacions relativament menors entre V2 i V3, principalment correccions als problemes anteriors.

Pas 3: PCB V4

V4 va incloure un redisseny complet de tot el PCB, en què es van fer els canvis següents:

• Gairebé tots els components es poden soldar a mà o pre-muntar mitjançant PCBA
• Muntatge de forats a les cantonades
• Components agrupats en zones "Permanent", "Alimentació" i "Usuari"

• Etiquetes per a:

  • Rang de tensió d'entrada
  • Enllaç de documentació
  • Ubicació de LoPy LED
• 2 opcions de suport SD
• Coixinets de prova
• El jack de barril de CC es pot muntar a la part superior o sota del tauler
• Millor encaminament
• Components empaquetats de manera més eficient
• Es van afegir files de capçaleres femenines més llargues, de manera que l'usuari podria utilitzar 4x capçaleres de 8 pins, en lloc de 2 parells de capçaleres de 8 i 6 pins, cosa que fa que sigui una mica més econòmic.

Pas 4: PCB V5

La versió final

Aquests darrers ajustos es van fer a V5 abans que el Seeed Studio el presentés a la fabricació de PCBA:

• Encaminament encara més ordenat
• Posicionament millorat de l’etiqueta
• Enllaç al lloc web actualitzat
• Coixinets de serigrafia per etiquetar els PCB durant les proves
• Cantons més arrodonits (per adaptar-se millor al recinte seleccionat)
• Longitud ajustada del PCB per adaptar-se als rails del tancament

Pas 5: Com fer-ne el vostre: PCBA

Si teniu previst fabricar menys de 5 PCB, consulteu "Com fer-vos els vostres propis: soldadura manual" (pas següent).

Comanda PCBA a Seeed Studio

1. Inicieu la sessió o creeu un compte a
2. Feu clic a "Comanda ara".
3. Pengeu fitxers Gerber.
4. Ajusteu la configuració (quantitat de PCB i acabat superficial: HASL sense plom).
5. Afegiu el dibuix de muntatge i seleccioneu i col·loqueu el fitxer.
6. Seleccioneu la quantitat de PCBA.
7. Afegiu una llista de materials. (N. B.: Si voleu evitar soldar-lo vosaltres mateixos i no us importa esperar més, podeu afegir el regulador de voltatge TSRN 1-2450 a la llista de material.
8. Afegeix a la cistella i fes la comanda!

Visiteu: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… per obtenir els fitxers necessaris.

Soldar el regulador de tensió

L'única part que requereix soldar quan s'utilitza el servei PCBA de Seeed és el regulador de voltatge TSRN 1-2450. Com s'ha esmentat anteriorment, podeu incloure-ho a la llista de materials de l'assemblea, però pot afegir molt més temps a la comanda.

Si esteu encantats de soldar-lo a mà, només cal afegir el regulador al lloc indicat per la serigrafia, assegurant-vos que l’orientació sigui correcta. El punt blanc de la serigrafia s’ha d’alinear amb el punt blanc del regulador (vegeu la imatge).

Pas 6: Com fer-ho vostre: soldadura manual

Si teniu previst fabricar un gran nombre de PCBs, consulteu "Com fer-ne el vostre propi: PCBA" (pas anterior).

Comanda de PCB

Podeu comprar PCBs a molts llocs web, inclòs Seeed Studio, amb alguns capaços de lliurar en menys d’una setmana. Hem utilitzat Seeed Fusion, però aquests passos haurien de ser molt similars a altres llocs.

1. Inicieu la sessió o creeu un compte a
2. Feu clic a "Comanda ara".
3. Pengeu fitxers Gerber.
4. Ajusteu la configuració (quantitat de PCB i acabat superficial: HASL sense plom)
5. Afegeix a la cistella i fes la comanda!

Visiteu: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… per obtenir els fitxers necessaris.

Comanda de peces

Com que la placa té coixinets addicionals per a opcions de muntatge SMD / forat, no cal que empleneu totes les peces. Si esteu soldant a mà, és més fàcil evitar tots els SMD omplint el tauler segons la taula que es mostra a les imatges.

N. B. Si teniu confiança amb un soldador, és més eficient en l’espai i és més barat utilitzar una ranura Micro SD de muntatge superficial en lloc de la capçalera de 8 pins + tauler de sortida.

Pas 7: Com fer-ne el vostre: muntatge

Modificacions del cable Grove

Per connectar els vostres sensors PM als connectors del bosquet, haureu d’empalmar els cables del sensor als cables del bosquet, tal com es mostra a la imatge superior. Podeu fer-ho mitjançant arrugats o soldadura i termorretracció. Depenent del sensor que utilitzeu, haureu d'assegurar-vos que el pinout coincideixi amb les entrades del PCB.

Passos de muntatge

1. Trieu quina de les entrades d’alimentació voleu utilitzar (presa de barril / terminal JST / cargol) i connecteu el subministrament adequat.
2. Utilitzeu un multímetre per comprovar els coixinets de prova V_IN i 5V a la part posterior del PCB.
3. Quan estigueu contents que la placa estigui correctament alimentada, traieu la font d'alimentació. (Si no, proveu una font d'alimentació alternativa)
4. Connecteu el LoPy4 a les capçaleres de 16 pins, assegurant-vos que el LED es troba a la part superior (com es mostra a la pantalla de serigrafia). Els 4 forats inferiors de les capçaleres no estan utilitzats.
5. Connecteu cadascun dels dispositius Grove als endolls corresponents de la PCB.
6. Connecteu la targeta micro SD.
7. Torneu a connectar la font d'alimentació. Els LED del LoPy4 i el GPS s’han d’encendre.
8. Utilitzeu un multímetre per comprovar la resta de coixinets de prova a la part posterior del PCB.
9. Ara el vostre PyonAir hauria d'estar preparat per programar.

N. B. Assegureu-vos de buidar la targeta SD i formatar-la com a FAT32 abans de connectar-la a la placa.

ADVERTÈNCIA: només connecteu una font d'alimentació cada vegada. Si connecteu diversos subministraments al mateix temps, podríeu reduir el consum de la bateria o de la xarxa elèctrica.

Pas 8: Com fer-se teu: programari

Per al nostre desenvolupament de programari, hem utilitzat Atom i pymakr. Tots dos són de codi obert i haurien de funcionar a la majoria d’ordinadors. Us recomanem que els instal·leu abans de descarregar el codi de la placa LoPy4.

Pycom recomana actualitzar el firmware dels seus dispositius abans d'intentar utilitzar-los. Podeu trobar instruccions completes sobre com fer-ho aquí:

Instal·lació

1. Per posar en funcionament el dispositiu sensor PM, descarregueu la versió més recent del nostre codi des de GitHub: https://github.com/pyonair/PyonAir-pycom Assegureu-vos que extreu tots els fitxers a una ubicació convenient al vostre ordinador o portàtil. i eviteu canviar el nom de qualsevol dels fitxers.
2. Obriu Atom i tanqueu els fitxers actuals fent clic amb el botó dret a la carpeta de nivell superior i fent clic a "Elimina la carpeta del projecte" al menú que apareix.
3. Aneu a Fitxer> Obre carpeta i seleccioneu la carpeta "lopy". Tots els fitxers i carpetes continguts haurien d'aparèixer al tauler "Projecte" de l'esquerra a Atom.
4. Connecteu el PCB PyonAir al vostre PC o portàtil mitjançant un cable FTDI-USB i els pins RX, TX i GND de la capçalera a la dreta de la placa.
5. El tauler hauria d'aparèixer a Atom i connectar-se automàticament.
6. Per carregar el codi, només cal que feu clic al botó "Puja" al tauler inferior. El procés pot trigar uns minuts, en funció de quants fitxers cal eliminar i instal·lar. Quan la càrrega s'hagi realitzat correctament, premeu Ctrl + c al teclat per aturar el codi i, a continuació, desconnecteu el cable FTDI-USB.

Configuració

Quan configureu un dispositiu nou per primera vegada o si voleu canviar qualsevol configuració, haureu de configurar-lo mitjançant WiFi.

1. Traieu el monitor de contaminació atmosfèrica de qualsevol cas de manera que pugueu accedir al botó d'usuari.
2. Prepareu un telèfon o ordinador capaç de connectar-se a xarxes WiFi locals.
3. Alimenteu el dispositiu PyonAir.
4. Quan configureu el dispositiu per primera vegada, hauria de canviar automàticament al mode de configuració, indicat per un LED blau intermitent. En cas contrari, mantingueu premut el botó d’usuari del PCB d’enllaç Grove (etiquetat CONFIG) durant 3 segons. El LED RGB hauria de quedar blau sòlid.
5. Connecteu-vos a la connexió WiFi del dispositiu PyonAir. (Es dirà "NewPyonAir" o qualsevol altre nom que hàgiu anomenat anteriorment al dispositiu.) La contrasenya és "newpyonair".
6. Introduïu https://192.168.4.10/ al navegador web. Hauria d'aparèixer la pàgina de configuració.
7. Empleneu tots els camps obligatoris de la pàgina i feu clic a "Desa" quan hàgiu acabat. (Haureu de proporcionar detalls de connexió a LoRa i WiFi, assignar un identificador únic a cada sensor i especificar les vostres preferències quant a l'adquisició de dades.)
8. Ara el dispositiu PyonAir s'hauria de reiniciar i utilitzarà la configuració que heu proporcionat.

Per connectar el dispositiu a LoRa, registreu-lo a través de The Things Network. Creeu un dispositiu nou amb l'EUI del dispositiu que es mostra a la pàgina de configuració i copieu l'EUI de l'aplicació i la clau d'aplicació de TTN a les configuracions.

Pybytes és el centre IoT en línia de Pycom, a través del qual podeu actualitzar el microprogramari, realitzar actualitzacions OTA i visualitzar dades dels dispositius connectats. En primer lloc, haureu d’iniciar sessió o crear un compte aquí: https://pyauth.pybytes.pycom.io/login i, a continuació, seguiu els passos per registrar un dispositiu nou.

Proves

La manera més senzilla de comprovar que el vostre monitor de contaminació atmosfèrica funciona correctament és mitjançant un cable FTDI-USB i les capçaleres de pin RX, TX i GND a la placa Grove Socket. Connectar el dispositiu d’aquesta manera us permet veure tots els missatges i lectures d’Atom.

El LED RGB de la placa LoPy mostra l'estat de la placa:

• Inicialització = Ambre
• La inicialització s'ha realitzat correctament = El llum verd parpelleja dues vegades
• No es pot accedir a la targeta SD = El llum vermell parpelleja immediatament després de l'arrencada
• Un altre número = Llum vermella intermitent durant la inicialització
• Errors en temps d'execució = Parpelleig vermell

Per defecte, les dades del PyonAir s’enviaran al servidor de la Universitat de Southampton. Podeu editar el codi abans de desplegar el dispositiu per redirigir-lo a la ubicació que vulgueu.

Pas 9: Com fer-ho vostre: desplegament

Ara que el vostre monitor de contaminació atmosfèrica està completament configurat, hauríeu d'estar a punt per desplegar el dispositiu.

Consells sobre casos

El cas que vam seleccionar per als nostres dispositius va ser: https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t… No obstant això, no dubteu a comprar un cas diferent o dissenyeu-ne el vostre. Els fitxers SolidWorks per a la majoria del maquinari que hem utilitzat es proporcionen a la secció Informació addicional, per ajudar-vos a dissenyar casos personalitzats. Un mètode proposat per disposar els sensors i tallar forats a la caixa també es mostra a la imatge superior.

Recordeu que el vostre cas hauria de:

• Protegiu l’electrònica de l’aigua i la pols
• Permetre el muntatge del dispositiu in situ
• Permetre que l’aire arribi als sensors PM
• Eviteu que l’electrònica es sobreescalfi
• Mantingueu l'electrònica de manera segura dins de la caixa

Consells sobre ubicació

Una ubicació de desplegament ideal complirà els criteris següents:

• En una regió d’interès per la contaminació atmosfèrica
• Fora de la llum solar directa
• A l'abast d'una passarel·la LoRa
• Dins del rang de WiFi
• Prop d’una font d’energia
• Punts de muntatge segurs
• Capaç de rebre senyals GPS

Pas 10: fitxers i crèdits

Tots els fitxers que necessiteu per crear el vostre propi PyonAir es poden trobar a: https://su-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… (els fitxers Zip no es poden carregar a Instructables, ho sentim!)) El Gitbook també inclou informació addicional sobre el maquinari i el programari.

Crèdits

Projecte supervisat pel Dr. Steven J Ossont, el Dr. Phil Basford i Florentin Bulot

Codi de Daneil Hausner i Peter Varga

Disseny i instruccions del circuit de Hazel Mitchell