PyonAir - atvērtā pirmkoda gaisa piesārņojuma monitors: 10 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:52

PyonAir ir zemu izmaksu sistēma vietējā gaisa piesārņojuma līmeņa, it īpaši cieto daļiņu, uzraudzībai. Pamatojoties uz Pycom LoPy4 plati un ar Grove saderīgu aparatūru, sistēma var pārsūtīt datus, izmantojot LoRa un WiFi.

Es uzņēmos šo projektu Sauthemptonas universitātē, strādājot pētnieku komandā. Mana galvenā atbildība bija PCB projektēšana un izstrāde. Šī bija mana pirmā reize, kad izmantoju Eagle, tāpēc tā noteikti bija mācīšanās pieredze!

Projekta PyonAir mērķis ir izvietot zemu izmaksu IoT piesārņojuma monitoru tīklu, kas ļaus mums apkopot būtisku informāciju par gaisa piesārņojuma izplatību un cēloņiem. Lai gan tirgū ir daudz piesārņojuma monitoru, lielākā daļa piedāvā tikai "gaisa kvalitātes indeksu", nevis neapstrādātus daļiņu datus - īpaši par pieņemamām cenām. Padarot projektu atvērtā koda, izmantojot vienkāršus iestatīšanas norādījumus, mēs ceram padarīt PyonAir ierīci pieejamu ikvienam, kuru personīgi vai profesionāli interesē gaisa kvalitāte. Piemēram, šo ierīci var izmantot, lai vāktu datus studentu projektiem, doktorantiem un neatkarīgām pusēm, tādējādi padarot daudz pieejamāku vitāli svarīgu pētījumu, kura reputācija pieaug. Projektu var izmantot arī informatīviem nolūkiem, sazinoties ar sabiedrības locekļiem par viņu vietējo gaisa kvalitāti un pasākumiem, ko var veikt, lai to uzlabotu.

Mūsu vienkāršības un lietošanas ērtuma mērķi iedvesmoja mūsu lēmumu izmantot Grove sistēmu kā mūsu dizaina mugurkaulu. Plašais saderīgo moduļu klāsts ļaus sistēmas lietotājiem pielāgot PyonAir ierīci savām vajadzībām, nepiespiežot pārveidot pamata aparatūru. Tikmēr Pycom's LoPy4 piedāvā vairākas bezvadu sakaru iespējas vienā, glītā iepakojumā.

Šajā pamācībā es aprakstīšu projektēšanas gaitu un PCB izgatavošanas soļus, kam seko norādījumi par pilnas PyonAir vienības salikšanu.

Piegādes

Sastāvdaļas:

• LoPy4: galvenā plate (https://pycom.io/product/lopy4/)
• PyonAirPCB: vienkāršs savienojums ar Grove sensoriem
• Plantower PMS5003: Gaisa piesārņojuma sensors (https://shop.pimoroni.com/products/pms5003-particu…
• Sensirion SPS30: Gaisa piesārņojuma sensors (https://www.mouser.co.uk/ProductDetail/Sensirion/SPS30?qs=lc2O%252bfHJPVbEPY0RBeZmPA==)
• SHT35 sensors: Temperatūras un mitruma sensors (https://www.seeedstudio.com/Grove-I2C-High-Accurac…
• Reālā laika pulkstenis: rezerves pulksteņa iekārta (https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/hardware/…
• GPS modulis: GPS uztvērējs laikam un atrašanās vietai (https://www.seeedstudio.com/Grove-GPS-Module.html)
• Grove kabeļi:
• Pycom antena: LoRa iespēja (https://pycom.io/product/lora-868mhz-915mhz-sigfox…
• MicroSD karte
• Barošanas avots: primārais barošanas avots (ieteicams:
• Korpuss: IP66 115x90x65 mm pret laika apstākļiem izturīga ABS kaste (https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t…

Rīki:

• Lodāmurs
• Multimetrs
• Mazs skrūvgriezis
• FTDI kabelis (pēc izvēles):

1. darbība. Par PCB

Grove savienotāji ir aizvien populārāks hobiju elektronikas ekosistēmas standarts. Plug-and-play savienotāji ļauj viegli un ātri piestiprināt un nomainīt plašu moduļu klāstu, un nav nepieciešams savienot šuves.

Tikmēr Pycom's LoPy4 plate tika izvēlēta par galveno PyonAir mikrokontrolleri, jo tā piedāvā 4 bezvadu sakaru režīmus: LoRa, Sigfox, WiFi un Bluetooth un ir ieprogrammēta, izmantojot MicroPython.

Arduino un Raspberry Pi jau atbalsta Grove savienotāju vairogus, taču neviens no tiem vēl nebija izlaists Pycom sistēmai. Tāpēc mēs izstrādājām savu paplašināšanas plates PCB, kas iekļaujas LoPy4 plāksnē. PCB satur:

• 2 I2C ligzdas (temperatūras sensors un RTC)
• 3 UART ligzdas (2x PM sensors un GPS)
• Piespraudes USB datiem
• Tranzistora shēmas PM sensoru jaudas kontrolei
• Tranzistora shēma jaudas kontrolei GPS uztvērējam
• Micro SD slots
• Lietotāja poga
• Barošanas ieejas savienotāji (muca, JST vai skrūves terminālis)
• Sprieguma regulators

2. darbība: PCB V1-V3

PCB V1

Mans pirmais PCB mēģinājums balstījās uz "shim" koncepciju, kur plāns PCB iederētos starp LoPy plati un Pycom paplašināšanas plati, piemēram, Pytrack (skat. CAD zīmējumu). Tādējādi nebija montāžas caurumu, un tāfele bija ļoti vienkārša, un tajā bija tikai savienotāji un pāris tranzistori PM sensoru ieslēgšanai vai izslēgšanai.

Godīgi sakot, šajā padomē bija daudz kļūdu:

• Trases bija pārāk plānas
• Nav zemes plaknes
• Dīvainas tranzistora orientācijas
• Neizmantotā telpa
• Versijas etiķete tika uzrakstīta sliežu slānī, nevis sietspiedē

PCB V2

Līdz V2 bija kļuvis skaidrs, ka mums ir nepieciešams, lai PyonAir darbotos bez paplašināšanas plates, tāpēc dizainam tika pievienoti barošanas avoti, UART terminālis un SD slots.

Problēmas:

• Sliedes šķērsoja montāžas caurumu zonas
• Nav LoPy orientēšanās ceļveža
• Nepareiza līdzstrāvas cilindra domkrata orientācija

PCB V3

Salīdzinoši nelielas izmaiņas tika veiktas starp V2 un V3 - lielākoties iepriekš minēto problēmu labojumi.

3. darbība: PCB V4

V4 parādīja pilnīgu visas PCB pārveidošanu, kurā tika veiktas šādas izmaiņas:

• Gandrīz katru sastāvdaļu var pielodēt ar rokām vai samontēt, izmantojot PCBA
• Montāžas caurumi stūros
• Sastāvdaļas ir sagrupētas "pastāvīgās", "jaudas" un "lietotāja" zonās

• Etiķetes:

  • Ieejas sprieguma diapazons
  • Dokumentācijas saite
  • LoPy LED atrašanās vieta
• 2 SD turētāja iespējas
• Testa spilventiņi
• Līdzstrāvas mucas domkratu var uzstādīt virs vai zem dēļa
• Labāka maršrutēšana
• Efektīvāk iepakotas sastāvdaļas
• Tika pievienotas garākas sieviešu galvenes rindas, lai lietotājs varētu izmantot 4 x 8 kontaktu galvenes, nevis 2 pārus 8 un 6 kontaktu galvenes, padarot to nedaudz lētāku.

4. darbība: PCB V5

Galīgā versija

Šīs pēdējās dažas korekcijas tika veiktas V5, pirms Seeed Studio to iesniedza PCBA ražošanai:

• Vēl sakoptāka maršrutēšana
• Uzlabota etiķetes pozicionēšana
• Atjaunināta vietnes saite
• Sietspiedes paliktņi PCB marķēšanai pārbaudes laikā
• Vairāk noapaļoti stūri (lai labāk ietilptu izvēlētajā korpusā)
• Pielāgots PCB garums, lai tas atbilstu korpusa sliedēm

5. solis: kā izveidot savu: PCBA

Ja plānojat ražot mazāk par 5 PCB, tā vietā skatiet sadaļu "Kā pagatavot pats: lodēšana ar rokām" (nākamais solis).

PCBA pasūtīšana no Seeed Studio

1. Piesakieties vai izveidojiet kontu vietnē
2. Noklikšķiniet uz "Pasūtīt tūlīt".
3. Augšupielādējiet Gerber failus.
4. Pielāgojiet iestatījumus (PCB daudzums un virsmas apdare: HASL bez svina).
5. Pievienojiet montāžas rasējumu un izvēlieties un ievietojiet failu.
6. Izvēlieties PCBA daudzumu.
7. Pievienot BOM. (N. B.: Ja vēlaties izvairīties no tā lodēšanas un nevēlaties ilgāk gaidīt, BOM varat pievienot sprieguma regulatoru TSRN 1-2450.
8. Pievienot grozam un pasūtīt!

Lūdzu, apmeklējiet: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf…, lai iegūtu nepieciešamos failus.

Sprieguma regulatora lodēšana

Vienīgā daļa, kurai nepieciešama lodēšana, izmantojot Seeed PCBA pakalpojumu, ir sprieguma regulators TSRN 1-2450. Kā minēts iepriekš, jūs varat to iekļaut montāžas BOM, bet tas var pievienot daudz vairāk laika pasūtījumam.

Ja jūs labprāt lodējat to ar rokām, vienkārši pievienojiet regulatoru zīda ekrāna norādītajai vietai, pārliecinoties, ka orientācija ir pareiza. Baltajam punktam uz sietspiedes jāsakrīt ar balto punktu uz regulatora (skat. Attēlu).

6. solis: kā izveidot savu: lodēšana ar rokām

Ja plānojat ražot lielu skaitu PCB, tā vietā skatiet sadaļu "Kā izveidot savu: PCBA" (iepriekšējais solis).

PCB pasūtīšana

Jūs varat iegādāties PCB no daudzām vietnēm, ieskaitot Seeed Studio, un dažas no tām var piegādāt mazāk nekā nedēļas laikā. Mēs izmantojām Seeed Fusion, taču šīm darbībām jābūt ļoti līdzīgām citām vietnēm.

1. Piesakieties vai izveidojiet kontu vietnē
2. Noklikšķiniet uz "Pasūtīt tūlīt".
3. Augšupielādējiet Gerber failus.
4. Pielāgojiet iestatījumus (PCB daudzums un virsmas apdare: HASL bez svina)
5. Pievienot grozam un pasūtīt!

Lūdzu, apmeklējiet: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf…, lai iegūtu nepieciešamos failus.

Detaļu pasūtīšana

Tā kā plāksnei ir papildu spilventiņi SMD/caurumu montāžas iespējām, jums nav jāaizpilda katra daļa. Ja lodējat ar rokām, visvieglāk ir izvairīties no visiem SMD, aizpildot dēli saskaņā ar attēlos redzamo tabulu.

N. B. Ja esat pārliecināts par lodēšanas gludekli, ir daudz ekonomiskāk un lētāk izmantot virsmu piestiprināmu Micro SD slotu, nevis 8 kontaktu galveni + sadalīšanas paneli.

7. solis: kā izveidot savu: montāža

Grove kabeļa modifikācijas

Lai savienotu PM sensorus ar biržu savienotājiem, sensoru kabeļi jāsavieno uz biržu kabeļiem, kā parādīts attēlā iepriekš. To var izdarīt, izmantojot gofrētus materiālus vai lodētus un termiski sarukt. Atkarībā no izmantotā sensora jums ir jāpārliecinās, vai pieslēgvieta atbilst PCB ievadēm.

Montāžas soļi

1. Izvēlieties kādu no barošanas avotiem, ko vēlaties izmantot (cilindra domkrats / JST / skrūves spaile), un pievienojiet atbilstošo barošanas avotu.
2. Izmantojiet multimetru, lai pārbaudītu V_IN un 5V testa spilventiņus PCB aizmugurē.
3. Kad esat priecīgs, ka tāfele ir pareizi barota, noņemiet strāvas padevi. (Ja nē, izmēģiniet alternatīvu barošanas avotu)
4. Pievienojiet LoPy4 16 kontaktu galvenēm, pārliecinoties, ka gaismas diode atrodas augšpusē (kā parādīts sietspiedē). Apakšējie 4 caurumi galvenēs nav izmantoti.
5. Pievienojiet katru Grove ierīci atbilstošajām ligzdām uz PCB.
6. Pievienojiet micro SD karti.
7. Atkārtoti pievienojiet barošanas avotu. Gan LoPy4, gan GPS gaismas diodēm vajadzētu ieslēgties.
8. Izmantojiet multimetru, lai pārbaudītu atlikušos testa paliktņus PCB aizmugurē.
9. Jūsu PyonAir tagad ir jābūt gatavam programmēšanai!

N. B. Pārliecinieties, ka esat iztukšojis SD karti un formatējis to kā FAT32, pirms pievienojat to plates.

BRĪDINĀJUMS: Vienlaikus pievienojiet tikai vienu barošanas avotu. Ja vienlaikus pievienojat vairākus barošanas avotus, var izlādēties akumulators vai strāvas padeve!

8. solis: kā izveidot savu: programmatūra

Programmatūras izstrādei mēs izmantojām Atom un pymakr. Abas no tām ir atvērtā koda, un tām vajadzētu darboties lielākajā daļā datoru. Mēs iesakām tos instalēt pirms LoPy4 plates koda lejupielādes.

Pycom iesaka atjaunināt ierīču programmaparatūru, pirms mēģināt tās izmantot. Pilnu instrukciju, kā to izdarīt, varat atrast šeit:

Uzstādīšana

1. Lai sāktu darboties PM sensora ierīce, lejupielādējiet mūsu koda jaunāko versiju no vietnes GitHub: https://github.com/pyonair/PyonAir-pycom Pārliecinieties, vai visi faili ir iegūti ērtā datora vai klēpjdatora vietā un izvairieties pārdēvēt nevienu failu.
2. Atveriet Atom un aizveriet visus pašreizējos failus, ar peles labo pogu noklikšķinot uz augšējā līmeņa mapes un parādītajā izvēlnē noklikšķinot uz "Noņemt projekta mapi".
3. Dodieties uz Fails> Atvērt mapi un atlasiet mapi "lopy". Visiem iekļautajiem failiem un mapēm vajadzētu parādīties Atom kreisajā pusē esošajā rūtī "Projekts".
4. Pievienojiet PyonAir PCB savam datoram vai klēpjdatoram, izmantojot FTDI-USB kabeli un RX, TX un GND tapas galvenē pa labi no paneļa.
5. Plātnei vajadzētu parādīties Atom un automātiski izveidot savienojumu.
6. Lai augšupielādētu kodu, vienkārši noklikšķiniet uz pogas "Augšupielādēt" apakšējā rūtī. Process var aizņemt dažas minūtes, atkarībā no tā, cik failu ir jānoņem un jāinstalē. Kad augšupielāde ir izdevusies, nospiediet tastatūras taustiņu kombināciju Ctrl + c, lai apturētu kodu, un atvienojiet FTDI-USB kabeli.

Konfigurācija

Pirmoreiz iestatot jaunu ierīci vai ja vēlaties mainīt iestatījumus, tā būs jākonfigurē, izmantojot WiFi.

1. Noņemiet gaisa piesārņojuma monitoru no visiem gadījumiem, lai varētu piekļūt lietotāja pogai.
2. Sagatavojiet tālruni vai datoru, kas spēj izveidot savienojumu ar vietējiem WiFi tīkliem.
3. Ieslēdziet PyonAir ierīci.
4. Pirmo reizi iestatot ierīci, tai automātiski jāpāriet konfigurācijas režīmā, par ko liecina zila gaismas diode. Pretējā gadījumā nospiediet un 3 sekundes turiet lietotāja pogu Grove ligzdas PCB (ar apzīmējumu CONFIG). RGB gaismas diodei jākļūst zilā krāsā.
5. Izveidojiet savienojumu ar PyonAir ierīces WiFi. (Tā nosaukums būs “NewPyonAir” vai jebkurš cits ierīces nosaukums.) Parole ir “newpyonair”.
6. Ievadiet tīmekļa pārlūkprogrammā https://192.168.4.10/. Parādīsies konfigurācijas lapa.
7. Aizpildiet visus lapas obligātos laukus un, kad esat pabeidzis, noklikšķiniet uz "Saglabāt". (Jums būs jāsniedz informācija par savienojumiem ar LoRa un WiFi, katram sensoram jāpiešķir unikāls ID un jānorāda jūsu vēlmes attiecībā uz datu iegūšanu.)
8. PyonAir ierīcei tagad vajadzētu atsāknēt un izmantot jūsu norādītos iestatījumus.

Lai savienotu savu ierīci ar LoRa, reģistrējiet to, izmantojot The Things Network. Izveidojiet jaunu ierīci ar konfigurācijas lapā parādīto ierīces EUI un nokopējiet lietojumprogrammas EUI un lietotnes atslēgu no TTN uz konfigurācijām.

Pybytes ir Pycom tiešsaistes IoT centrs, ar kura palīdzību jūs varat atjaunināt programmaparatūru, veikt OTA atjauninājumus un vizualizēt datus no pievienotajām ierīcēm. Vispirms jums jāpiesakās vai jāizveido konts šeit: https://pyauth.pybytes.pycom.io/login, pēc tam veiciet darbības, lai reģistrētu jaunu ierīci.

Testēšana

Vienkāršākais veids, kā pārbaudīt, vai gaisa piesārņojuma mērītājs darbojas pareizi, ir izmantot FTDI-USB kabeli un RX, TX & GND tapu galvenes Grove Socket PCB. Ierīces pievienošana šādā veidā ļauj apskatīt visus Atom ziņojumus un rādījumus.

RGB gaismas diode LoPy panelī parāda tāfeles statusu:

• Inicializēšana = dzintars
• Inicializēšana izdevās = zaļā gaisma mirgo divas reizes
• Nevar piekļūt SD kartei = tūlīt pēc palaišanas mirgo sarkana gaisma
• Cita problēma: inicializācijas laikā mirgo sarkanā gaisma
• Izpildlaika kļūdas = mirgo sarkanā krāsā

Pēc noklusējuma dati no PyonAir tiks nosūtīti uz Sauthemptonas Universitātes serveri. Pirms ierīces izvietošanas varat rediģēt kodu, lai to novirzītu uz jūsu izvēlēto vietu.

9. darbība. Kā izveidot savu: izvietošana

Tagad, kad gaisa piesārņojuma monitors ir pilnībā konfigurēts, jums jābūt gatavam ierīces izvietošanai!

Lietas padoms

Korpuss, kuru mēs izvēlējāmies savām ierīcēm, bija šāds: https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t… Tomēr nekautrējieties iegādāties citu futrāli vai noformēt savu. SolidWorks faili lielākajai daļai mūsu izmantotās aparatūras ir sniegti sadaļā Papildu informācija, lai palīdzētu izstrādāt pielāgotus futrāļus. Viena no piedāvātajām metodēm sensoru sakārtošanai un caurumu griešanai korpusā ir parādīta arī attēlā iepriekš.

Vienkārši atcerieties, ka jūsu gadījumā:

• Aizsargājiet elektroniku no ūdens un putekļiem
• Atļaut ierīces uzstādīšanu uz vietas
• Ļaujiet gaisam sasniegt PM sensoru (-us)
• Novērst elektronikas pārkaršanu
• Droši turiet elektroniku korpusa iekšpusē

Padoms par atrašanās vietu

Ideāla izvietošanas vieta atbildīs šādiem kritērijiem:

• Reģionā, kas interesē gaisa piesārņojumu
• No tiešiem saules stariem
• LoRa vārtejas diapazonā
• WiFi diapazonā
• Netālu no barošanas avota
• Droši stiprinājuma punkti
• Spēj uztvert GPS signālus

10. darbība: faili un kredīti

Visus failus, kas nepieciešami, lai izveidotu pilnu PyonAir, var atrast vietnē: https://su-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… (Zip failus nevar augšupielādēt Instructables, diemžēl!) Gitbook ietver arī papildu informāciju par aparatūru un programmatūru.

Kredīti

Projektu uzrauga Dr Steven J Ossont, Dr Phil Basford & Florentin Bulot

Daneila Hausnera un Pētera Vargas kods

Ķēdes dizains un instrukcijas - Hazel Mitchell