PyonAir - монитор загрязнения воздуха с открытым исходным кодом: 10 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:49

PyonAir - это недорогая система для мониторинга локальных уровней загрязнения воздуха, в частности твердых частиц. Основанная на плате Pycom LoPy4 и оборудовании, совместимом с Grove, система может передавать данные как по LoRa, так и по Wi-Fi.

Я взялся за этот проект в Университете Саутгемптона, работая в группе исследователей. Моя основная ответственность заключалась в проектировании и разработке печатной платы. Я впервые использовал Eagle, так что это был определенно полезный опыт!

Цель проекта PyonAir - развернуть сеть недорогих IoT-мониторов загрязнения, которые позволят нам собирать важную информацию о распространении и причинах загрязнения воздуха. Хотя на рынке существует множество мониторов загрязнения, большинство из них предлагает только «Индекс качества воздуха», а не необработанные данные о ТЧ, особенно по доступным ценам. Сделав проект с открытым исходным кодом и с простыми инструкциями по настройке, мы надеемся сделать устройство PyonAir доступным для всех, кто интересуется качеством воздуха, лично или профессионально. Например, это устройство можно использовать для сбора данных для студенческих проектов, докторантов и независимых сторон, что делает жизненно важные исследования, которые имеют репутацию очень высоких затрат, гораздо более доступными. Проект также может быть использован в информационных целях, для информирования представителей общественности об их местном качестве воздуха и мерах, которые можно предпринять для его улучшения.

Наши цели простоты и легкости использования вдохновили нас на решение использовать систему Grove в качестве основы нашего дизайна. Широкий спектр совместимых модулей позволит пользователям системы настраивать устройство PyonAir в соответствии со своими потребностями без необходимости переделывать основное оборудование. Между тем, Pycom LoPy4 предлагает несколько вариантов беспроводной связи в одном удобном пакете.

В этом руководстве я опишу путь проектирования и шаги по изготовлению печатной платы, а затем дам инструкции о том, как собрать полную установку PyonAir.

Запасы

Компоненты:

• LoPy4: Основная плата (https://pycom.io/product/lopy4/)
• PyonAirPCB: простое подключение к датчикам Grove
• Plantower PMS5003: датчик загрязнения воздуха (https://shop.pimoroni.com/products/pms5003-particu…
• Sensirion SPS30: датчик загрязнения воздуха (https://www.mouser.co.uk/ProductDetail/Sensirion/SPS30?qs=lc2O%252bfHJPVbEPY0RBeZmPA==)
• Датчик SHT35: Датчик температуры и влажности (https://www.seeedstudio.com/Grove-I2C-High-Accurac…
• Часы реального времени: резервный модуль часов (https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/hardware/…
• Модуль GPS: GPS-приемник для определения времени и местоположения (https://www.seeedstudio.com/Grove-GPS-Module.html)
• Кабели Grove:
• Антенна Pycom: возможность LoRa (https://pycom.io/product/lora-868mhz-915mhz-sigfox…
• Карта MicroSD
• Источник питания: основной источник питания (рекомендуется:
• Корпус: водонепроницаемый корпус из АБС-пластика IP66 115x90x65 мм (https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t…

Инструменты:

• Паяльник
• Мультиметр
• Маленькая отвертка
• Кабель FTDI (необязательно):

Шаг 1: о печатной плате

Соединители Grove становятся все более популярным стандартом в экосистеме электроники для любителей. Разъемы plug-and-play позволяют легко и быстро подключать и заменять широкий спектр модулей без необходимости перепаивать стыки.

Между тем, плата Pycom LoPy4 была выбрана в качестве основного микроконтроллера для PyonAir, поскольку она предлагает 4 режима беспроводной связи: LoRa, Sigfox, WiFi и Bluetooth и программируется с помощью MicroPython.

Arduino и Raspberry Pi уже поддерживают экраны разъемов Grove, но для системы Pycom еще не выпущены. Поэтому мы разработали собственную печатную плату платы расширения, которая подходит для платы LoPy4. Печатная плата содержит:

• 2 разъема I2C (датчик температуры и RTC)
• 3 разъема UART (2 датчика PM и GPS)
• Контакты для данных USB
• Транзисторные схемы для управления питанием датчиков PM
• Схема на транзисторе для управления питанием GPS-приемника.
• Слот для Micro SD
• Кнопка пользователя
• Разъемы ввода питания (цилиндр, JST или винтовой зажим)
• Регулятор напряжения

Шаг 2: печатная плата V1-V3

Печатная плата V1

Моя первая попытка создания печатной платы была основана на концепции «прокладки», когда тонкая печатная плата помещалась между платой LoPy и платой расширения Pycom, такой как Pytrack (см. Чертеж САПР). Таким образом, не было монтажных отверстий, а плата была очень простой, с только разъемами и парой транзисторов для включения и выключения датчиков PM.

Если честно, с этой платой было много не так:

• Следы были слишком тонкими
• Нет заземляющего слоя
• Странные ориентации транзисторов
• Неиспользуемое пространство
• Этикетка версии была написана на слое дорожек, а не на шелкографии.

Печатная плата V2

К выпуску V2 стало очевидно, что нам нужен PyonAir для работы без платы расширения, поэтому в конструкцию были добавлены входы питания, терминал UART и слот SD.

Проблемы:

• Следы пересекают зоны монтажных отверстий
• Нет руководства по ориентации LoPy
• Неправильная ориентация цилиндрического гнезда постоянного тока

Печатная плата V3

Между версиями V2 и V3 были внесены относительно незначительные изменения - в основном исправления проблем, описанных выше.

Шаг 3: PCB V4

V4 отличался полной переработкой всей печатной платы, в которую были внесены следующие изменения:

• Почти каждый компонент можно припаять вручную или предварительно собрать с помощью печатной платы.
• Монтажные отверстия по углам
• Компоненты сгруппированы в «Постоянную», «Мощную» и «Пользовательскую» зоны.

• Этикетки для:

  • Диапазон входного напряжения
  • Ссылка на документацию
  • Расположение светодиода LoPy
• 2 варианта держателя SD
• Тестовые площадки
• Штекерное гнездо постоянного тока может быть установлено сверху или снизу платы.
• Лучшая маршрутизация
• Более эффективно упакованные компоненты
• Были добавлены более длинные женские строки заголовков, поэтому пользователь мог использовать 4x 8-контактных заголовка вместо 2 пар 8-контактных и 6-контактных заголовков, что сделало его немного дешевле.

Шаг 4: PCB V5

Финальная версия

Эти последние несколько изменений были внесены в V5 перед тем, как Seeed Studio отправила его на производство печатных плат:

• Еще более аккуратная маршрутизация
• Улучшенное позиционирование этикеток
• Обновленная ссылка на сайт
• Подушечки для шелкографии для маркировки печатных плат во время тестирования
• Более закругленные углы (чтобы лучше вписаться в выбранный корпус)
• Отрегулированная длина печатной платы для соответствия направляющим корпуса

Шаг 5: Как сделать свой собственный: PCBA

Если вы планируете изготовить менее 5 печатных плат, вместо этого см. «Как сделать самостоятельно: ручная пайка» (следующий шаг).

Заказ печатной платы в Seeed Studio

1. Войдите или создайте учетную запись на
2. Нажмите «Заказать сейчас».
3. Загрузите файлы Gerber.
4. Отрегулируйте настройки (количество печатных плат и обработка поверхности: HASL Lead-Free).
5. Добавьте сборочный чертеж и выберите и поместите файл.
6. Выберите количество печатных плат.
7. Добавить спецификацию. (Примечание: если вы хотите избежать пайки самостоятельно и не возражаете против более длительного ожидания, вы можете добавить стабилизатор напряжения TSRN 1-2450 в спецификацию.
8. В корзину и заказ!

Посетите: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf…, чтобы найти необходимые файлы.

Пайка регулятора напряжения

Единственная деталь, которая требует пайки при использовании услуги Seeed PCBA, - это регулятор напряжения TSRN 1-2450. Как упоминалось выше, вы можете включить это в сборочную спецификацию, но это может добавить намного больше времени к заказу.

Если вы счастливы припаять его вручную, просто добавьте регулятор в место, указанное шелкографией, убедившись, что ориентация правильная. Белая точка на шелкографии должна совпадать с белой точкой на регуляторе (см. Рис.).

Шаг 6: Как сделать самому: ручная пайка

Если вы планируете производить большое количество печатных плат, вместо этого см. «Как сделать свой собственный: PCBA» (предыдущий шаг).

Заказ печатных плат

Вы можете приобрести печатные платы на многих веб-сайтах, включая Seeed Studio, доставка некоторых из них занимает менее недели. Мы использовали Seeed Fusion, но эти шаги должны быть очень похожи на другие сайты.

1. Войдите или создайте учетную запись на
2. Нажмите «Заказать сейчас».
3. Загрузите файлы Gerber.
4. Отрегулируйте настройки (количество печатных плат и обработка поверхности: HASL без свинца)
5. В корзину и заказывайте!

Посетите: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf…, чтобы найти необходимые файлы.

Заказ запасных частей

Поскольку на плате есть дополнительные контактные площадки для вариантов монтажа SMD / через отверстие, вам не нужно заполнять каждую часть. Если вы паяете вручную, проще всего избежать SMD, установив плату в соответствии с таблицей, показанной на рисунках.

N. B. Если вы уверены в паяльнике, более компактно и дешевле использовать слот Micro SD для поверхностного монтажа вместо 8-контактного разъема + коммутационная плата.

Шаг 7: Как сделать свой собственный: сборка

Модификации кабеля Grove

Чтобы подключить датчики PM к разъемам Grove, вам необходимо наклеить кабели датчиков на кабели Grove, как показано на рисунке выше. Сделать это можно при помощи обжима или припоя и термоусадки. В зависимости от используемого датчика вам необходимо убедиться, что распиновка соответствует входам на печатной плате.

Этапы сборки

1. Выберите, какой из входов питания вы хотите использовать (цилиндрический разъем / JST / винтовой зажим), и подключите соответствующий источник питания.
2. Используйте мультиметр, чтобы проверить тестовые площадки V_IN и 5V на задней стороне печатной платы.
3. Когда вы убедитесь, что плата правильно запитана, отключите блок питания. (Если нет, попробуйте альтернативный источник питания)
4. Подключите LoPy4 к 16-контактным разъемам, убедившись, что светодиод находится вверху (как показано на шелкографии). Нижние 4 отверстия в коллекторах не используются.
5. Подключите каждое из устройств Grove к соответствующим разъемам на печатной плате.
6. Вставьте карту micro SD.
7. Подключите источник питания. Светодиоды на LoPy4 и GPS должны загореться.
8. Используйте мультиметр, чтобы проверить оставшиеся тестовые площадки на обратной стороне печатной платы.
9. Ваш PyonAir теперь готов к программированию!

N. B. Убедитесь, что вы очистили SD-карту и отформатировали ее как FAT32, прежде чем вставлять ее в плату.

ВНИМАНИЕ! Подключайте одновременно только один источник питания. Одновременное подключение нескольких источников питания может привести к короткому замыканию аккумулятора или электросети!

Шаг 8: Как сделать свое собственное: программное обеспечение

Для разработки программного обеспечения мы использовали Atom и pymakr. Оба они имеют открытый исходный код и должны работать на большинстве компьютеров. Мы рекомендуем установить их перед загрузкой кода для платы LoPy4.

Pycom рекомендует обновить прошивку своих устройств, прежде чем пытаться их использовать. Полные инструкции о том, как это сделать, можно найти здесь:

Установка

1. Чтобы настроить датчик PM, загрузите последнюю версию нашего кода с GitHub: https://github.com/pyonair/PyonAir-pycom. Убедитесь, что вы распаковали все файлы в удобное место на вашем ПК или ноутбуке. и избегайте переименования каких-либо файлов.
2. Откройте Atom и закройте все текущие файлы, щелкнув правой кнопкой мыши папку верхнего уровня и выбрав «Удалить папку проекта» в появившемся меню.
3. Перейдите в File> Open Folder и выберите папку lopy. Все содержащиеся файлы и папки должны появиться на панели «Проект» слева в Atom.
4. Подключите печатную плату PyonAir к компьютеру или ноутбуку с помощью кабеля FTDI-USB и контактов RX, TX и GND на разъеме справа от платы.
5. Плата должна появиться в Atom и подключиться автоматически.
6. Чтобы загрузить код, просто нажмите кнопку «Загрузить» на нижней панели. Этот процесс может занять несколько минут, в зависимости от того, сколько файлов нужно удалить и установить. После успешной загрузки нажмите Ctrl + c на клавиатуре, чтобы остановить код, затем отсоедините кабель FTDI-USB.

Конфигурация

Когда вы впервые настраиваете новое устройство или хотите изменить какие-либо настройки, вам нужно будет настроить его через Wi-Fi.

1. Удалите монитор загрязнения воздуха из любых ящиков, чтобы вы могли получить доступ к кнопке пользователя.
2. Подготовьте телефон или компьютер, который может подключаться к локальным сетям Wi-Fi.
3. Включите устройство PyonAir.
4. При первой настройке устройство должно автоматически переключиться в режим настройки, о чем будет свидетельствовать мигание синего светодиода. В противном случае нажмите и удерживайте пользовательскую кнопку на печатной плате разъема Grove (обозначенную CONFIG) в течение 3 секунд. Светодиод RGB должен гореть постоянно синим.
5. Подключитесь к Wi-Fi устройства PyonAir. (Он будет называться «NewPyonAir» или как вы ранее назвали устройство.) Пароль - «newpyonair».
6. Введите https://192.168.4.10/ в свой веб-браузер. Должна появиться страница конфигурации.
7. Заполните все обязательные поля на странице и по завершении нажмите «Сохранить». (Вам нужно будет предоставить сведения о подключении к LoRa и WiFi, назначить уникальный идентификатор каждому датчику и указать свои предпочтения в отношении сбора данных.)
8. Теперь устройство PyonAir должно перезагрузиться и будет использовать указанные вами настройки.

Чтобы подключить свое устройство к LoRa, зарегистрируйте его через The Things Network. Создайте новое устройство с EUI устройства, показанным на странице конфигурации, и скопируйте EUI приложения и ключ приложения из TTN в конфигурации.

Pybytes - это онлайн-центр Интернета вещей Pycom, через который вы можете обновлять прошивку, выполнять обновления OTA и визуализировать данные с подключенных устройств. Во-первых, вам необходимо войти в систему или создать учетную запись здесь: https://pyauth.pybytes.pycom.io/login, затем выполните действия, чтобы зарегистрировать новое устройство.

Тестирование

Самый простой способ проверить правильность работы монитора загрязнения воздуха - использовать кабель FTDI-USB и штыревые разъемы RX, TX и GND на печатной плате Grove Socket. Такое подключение устройства позволяет просматривать все сообщения и показания в Atom.

Светодиод RGB на плате LoPy показывает состояние платы:

• Инициализация = Янтарный
• Инициализация прошла успешно = зеленый свет мигает дважды
• Невозможно получить доступ к SD-карте = красный индикатор мигает сразу после загрузки
• Другая проблема = красный свет мигает во время инициализации
• Ошибки выполнения = мигает красным

По умолчанию данные с PyonAir отправляются на сервер Саутгемптонского университета. Вы можете отредактировать код перед развертыванием устройства, чтобы перенаправить его в любое место по вашему выбору.

Шаг 9: Как сделать свое собственное: развертывание

Теперь, когда ваш монитор загрязнения воздуха полностью настроен, вы должны быть готовы к развертыванию устройства!

Консультации по случаю

Корпус, который мы выбрали для наших устройств, был: https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t … Однако вы можете свободно покупать другой корпус или создавать свои собственные. Файлы SolidWorks для большей части оборудования, которое мы использовали, представлены в разделе «Дополнительная информация», чтобы помочь в разработке пользовательских корпусов. Один из предложенных способов размещения датчиков и вырезания отверстий в корпусе также показан на рисунке выше.

Просто помните, что ваш случай должен:

• Защищайте электронику от воды и пыли.
• Разрешить установку устройства на месте
• Дайте воздуху достичь датчика (-ов) PM
• Предотвратить перегрев электроники
• Надежно удерживайте электронику внутри корпуса.

Расположение

Идеальное место для развертывания будет соответствовать следующим критериям:

• В районе, представляющем интерес с точки зрения загрязнения воздуха
• Вдали от прямых солнечных лучей
• В пределах досягаемости шлюза LoRa
• В пределах досягаемости Wi-Fi
• Близко к источнику питания
• Надежные точки крепления
• Возможность приема сигналов GPS

Шаг 10: файлы и кредиты

Все файлы, необходимые для создания собственного полноценного PyonAir, можно найти по адресу: https://su-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… (Zip-файлы не могут быть загружены в Instructables, извините!) Gitbook также включает дополнительную информацию об аппаратном и программном обеспечении.

Кредиты

Руководили проектом д-р Стивен Дж. Оссонт, д-р Фил Басфорд и Флорентин Бюло.

Код от Дэнила Хауснера и Питера Варги

Схема и инструкции Хейзел Митчелл