PyonAir - isang Open Source Air Pollution Monitor: 10 Hakbang (na may Mga Larawan)

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:11

Ang PyonAir ay isang sistema ng murang gastos para sa pagsubaybay sa mga lokal na antas ng polusyon sa hangin - partikular, tungkol sa maliit na butil. Batay sa paligid ng board ng Pycom LoPy4 at hardware na katugma sa Grove, maaaring magpadala ang system ng data sa parehong LoRa at WiFi.

Isinagawa ko ang proyektong ito sa University of Southampton, nagtatrabaho sa isang pangkat ng mga mananaliksik. Ang aking pangunahing responsibilidad ay ang disenyo at pag-unlad ng PCB. Ito ang aking unang pagkakataon sa paggamit ng Eagle kaya't tiyak na isang karanasan sa pag-aaral!

Ang layunin ng proyekto ng PyonAir ay upang maglagay ng isang network ng mga murang gastos, mga monitor ng polusyon ng IoT na magpapahintulot sa amin na makalikom ng mahalagang impormasyon tungkol sa pamamahagi at mga sanhi ng polusyon sa hangin. Habang maraming mga monitor ng polusyon sa merkado, ang karamihan ay nag-aalok lamang ng "Air Quality Index", sa halip na raw data ng PM - lalo na sa mga abot-kayang presyo. Sa pamamagitan ng paggawa ng open-source ng proyekto, na may madaling mga tagubilin sa pag-set up, inaasahan naming ma-access ang aparato ng PyonAir sa sinumang interesado sa kalidad ng hangin, alinman sa personal o sa propesyonal. Halimbawa, ang aparato na ito ay maaaring magamit upang mangolekta ng data para sa mga proyekto ng mag-aaral, PhDs at mga independiyenteng partido, na ginagawang mahalagang pananaliksik na may reputasyon para sa pagtaas ng gastos na mas makakamtan. Maaari ring magamit ang proyekto para sa mga layuning maabot, na nakikipag-usap sa mga miyembro ng publiko tungkol sa kanilang lokal na kalidad ng hangin at mga hakbang na maaaring gawin upang mapabuti ito.

Ang aming mga layunin ng pagiging simple at kadalian ng paggamit ay nagbigay inspirasyon sa aming desisyon na gamitin ang Grove system bilang gulugod ng aming disenyo. Papayagan ng malawak na hanay ng mga katugmang module ang mga gumagamit ng system na ipasadya ang aparato ng PyonAir sa kanilang mga pangangailangan, nang hindi pinipilit na muling idisenyo ang pangunahing hardware. Samantala, nag-aalok ang LoPy4 ng Pycom ng maraming mga pagpipilian para sa wireless na komunikasyon sa isang solong, maayos na pakete.

Sa itinuturo na ito, ilalarawan ko ang paglalakbay sa disenyo at mga hakbang sa paggawa ng PCB, na sinusundan ng mga tagubilin sa kung paano tipunin ang buong yunit ng PyonAir.

Mga gamit

Mga Bahagi:

• LoPy4: Pangunahing board (https://pycom.io/product/lopy4/)
• PyonAirPCB: Madaling koneksyon sa mga sensor ng Grove
• Plantower PMS5003: Sensor ng polusyon sa hangin (https://shop.pimoroni.com/products/pms5003-particu…
• Sensirion SPS30: Sensor ng polusyon sa hangin (https://www.mouser.co.uk/ProductDetail/Sensirion/SPS30?qs=lc2O%252bfHJPVbEPY0RBeZmPA==)
• SHT35 sensor: Temperatura at kahalumigmigan sensor (https://www.seeedstudio.com/Grove-I2C-High-Accurac…
• Real Time Clock: I-backup ang yunit ng orasan (https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/hardware/…
• Module ng GPS: GPS receiver para sa oras at lokasyon (https://www.seeedstudio.com/Grove-GPS-Module.html)
• Mga kable ng Grove:
• Antena ng Pycom: Kakayahang LoRa (https://pycom.io/product/lora-868mhz-915mhz-sigorta…
• Card ng MicroSD
• Suplay ng kuryente: Pangunahing supply ng kuryente (Inirekomenda:
• Kaso: IP66 115x90x65 mm hindi tinatablan ng panahon box ng ABS (https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t…

Mga tool:

• Panghinang
• Multimeter
• Maliit na distornilyador
• FTDI cable (opsyonal):

Hakbang 1: Tungkol sa PCB

Ang mga konektor ng Grove ay isang popular na pamantayan sa hobbyist electronics ecosystem. Ginagawa ng mga konektor na plug-and-play na madali at mabilis ang paglakip at pagpapalit ng isang malawak na hanay ng mga module, nang hindi na kailangang mag-resolder ng mga kasukasuan.

Samantala, ang board ng LoPy4 ng Pycom ay napili bilang pangunahing microcontroller para sa PyonAir dahil nag-aalok ito ng 4 na wireless mode ng komunikasyon: LoRa, Sigoks, WiFi & Bluetooth at na-program na gamit ang MicroPython.

Sinuportahan na nina Arduino at Raspberry Pi ang mga kalasag na konektor ng Grove ngunit wala pang nailabas para sa Pycom system. Samakatuwid, dinisenyo namin ang aming sariling expansion board PCB, na umaangkop sa board ng LoPy4. Naglalaman ang PCB ng:

• 2 I2C sockets (Temperatura sensor at RTC)
• 3 mga socket ng UART (2x PM sensor at GPS)
• Mga Pin para sa data ng USB
• Isang circuit ng transistor para sa pagkontrol ng lakas sa mga sensor ng PM
• Isang circuit ng transistor para sa pagkontrol ng kapangyarihan sa tatanggap ng GPS
• Slot ng Micro SD
• Button ng gumagamit
• Mga konektor ng pag-input ng kuryente (Barrel, JST o terminal ng tornilyo)
• Tagapangasiwa ng boltahe

Hakbang 2: PCB V1-V3

PCB V1

Ang aking unang pagtatangka sa PCB ay batay sa isang "shim" na konsepto, kung saan ang isang manipis na PCB ay magkakasya sa pagitan ng LoPy board at isang Pycom expansion board, tulad ng Pytrack (tingnan ang pagguhit ng CAD). Tulad ng naturan, walang mga tumataas na butas at ang board ay napaka-basic, na nagtatampok lamang ng mga konektor at isang pares ng transistors para sa pag-on o pag-off ng mga PM sensor.

Upang maging matapat, maraming mali sa board na ito:

• Ang mga track ay masyadong manipis
• Walang ground plane
• Kakaibang mga orientation ng transistor
• Hindi nagamit na puwang
• Ang label ng bersyon ay nakasulat sa isang layer ng track, hindi silkscreen

PCB V2

Sa pamamagitan ng V2, naging maliwanag na kailangan namin ang PyonAir upang gumana nang walang isang board ng pagpapalawak, kaya ang mga input ng kuryente, isang UART terminal at isang puwang ng SD ay naidagdag sa disenyo.

Mga Isyu:

• Ang mga track ay tumawid sa mga tumataas na butas ng butas
• Walang gabay sa oryentasyon ng LoPy
• Maling orientation ng jack ng jack ng DC

PCB V3

Medyo maliit na pagbabago na ginawa sa pagitan ng V2 at V3 - karamihan sa mga pagwawasto sa mga isyu sa itaas.

Hakbang 3: PCB V4

Nagtatampok ang V4 ng isang kumpletong disenyo ng buong PCB, kung saan ginawa ang mga sumusunod na pagbabago:

• Halos lahat ng sangkap ay maaaring solder sa pamamagitan ng kamay o paunang naka-assemble gamit ang PCBA
• Pag-mount ng mga butas sa mga sulok
• Ang mga bahagi ay naka-grupo sa mga "Permanent", "Power" at "User" zones

• Mga label para sa:

  • Saklaw ng boltahe ng pag-input
  • Link ng dokumentasyon
  • Lokasyon ng LoPy LED
• 2 mga pagpipilian sa may-ari ng SD
• Mga pad ng pagsubok
• Ang DC barong jack ay maaaring mai-mount sa itaas o sa ilalim ng board
• Mas mahusay na pagruruta
• Mas mahusay na naka-pack na mga bahagi
• Ang mga mas mahahabang babaeng hilera ng header ay idinagdag, kaya ang isang gumagamit ay makakagamit ng 4x 8-pin na mga header, sa halip na 2 pares ng 8-pin at 6-pin na header, na ginagawang bahagyang mas mura.

Hakbang 4: PCB V5

Ang pangwakas na bersyon

Ang huling ilang mga pagsasaayos na ito ay ginawa sa V5 bago ito isumite para sa paggawa ng PCBA ng Seeed Studio:

• Kahit na mas maayos na pagruruta
• Pinahusay na pagpoposisyon ng label
• Nai-update na link ng website
• Mga silkscreen pad para sa pag-label ng mga PCB habang sinusubukan
• Mas maraming bilugan na sulok (upang mas mahusay na magkasya sa napiling enclosure)
• Naayos ang haba ng PCB upang magkasya ang mga enclosure rails

Hakbang 5: Paano Gumawa ng Iyong Sariling: PCBA

Kung nagpaplano kang gumawa ng mas mababa sa 5 PCB, tingnan ang "Paano gumawa ng iyong sarili: Hand Soldering" (susunod na hakbang) sa halip.

Ang Pag-order ng PCBA mula sa Seeed Studio

1. Mag-log in o lumikha ng isang account sa
2. Mag-click sa 'Order Ngayon'.
3. Mag-upload ng mga Gerber file.
4. Ayusin ang mga setting (dami ng PCB at tapusin sa ibabaw: HASL Lead-Free).
5. Magdagdag ng pagguhit ng pagpupulong at pumili at maglagay ng file.
6. Piliin ang dami ng PCBA.
7. Idagdag si BOM. (N. B.: Kung nais mong iwasan ang paghihinang nito mismo at huwag isiping mas matagal ang paghihintay, maaari mong idagdag ang TSRN 1-2450 boltahe regulator sa BOM.
8. Idagdag sa cart & order!

Mangyaring bisitahin ang: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… para sa mga kinakailangang file.

Paghihinang ng regulator ng boltahe

Ang nag-iisang bahagi lamang na nangangailangan ng paghihinang kapag gumagamit ng serbisyo ng PCBA ng Seeed ay ang TSRN 1-2450 voltage regulator. Tulad ng nabanggit sa itaas, maaari mo itong isama sa pagpupulong BOM ngunit maaari itong magdagdag ng mas maraming oras sa order.

Kung masaya ka na itong maghinang sa pamamagitan ng kamay, idagdag lamang ang regulator sa lugar na ipinahiwatig ng silkscreen, tiyakin na tama ang oryentasyon. Ang puting tuldok sa silkscreen ay dapat na linya kasama ang puting tuldok sa regulator (tingnan ang larawan).

Hakbang 6: Paano Gumawa ng Iyong Sarili: Paghihinang sa Kamay

Kung nagpaplano kang gumawa ng isang malaking bilang ng mga PCB, tingnan ang "Paano gumawa ng iyong sarili: PCBA" (nakaraang hakbang) sa halip.

Pag-order ng mga PCB

Maaari kang bumili ng mga PCB mula sa maraming mga website, kabilang ang Seeed Studio, na may ilang makapaghatid sa ilalim ng isang linggo. Ginamit namin ang Seeed Fusion, ngunit ang mga hakbang na ito ay dapat na magkatulad sa iba pang mga site.

1. Mag-log in o lumikha ng isang account sa
2. Mag-click sa 'Order Ngayon'.
3. Mag-upload ng Mga Gerber Files.
4. Ayusin ang mga setting (dami ng PCB at Surface finish: HASL Lead-Free)
5. Idagdag sa cart at mag-order!

Mangyaring bisitahin ang: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… para sa mga kinakailangang file.

Pag-order ng mga piyesa

Dahil ang board ay may karagdagang mga pad para sa mga pagpipilian sa pag-mount ng SMD / through-hole, hindi mo kailangang i-populate ang bawat bahagi. Kung naghihinang ka sa pamamagitan ng kamay, pinakamadaling iwasan ang lahat ng mga SMD sa pamamagitan ng pagpuno sa board ayon sa talahanayan na ipinapakita sa mga larawan.

Ang N. B. Kung tiwala ka sa isang soldering iron, mas mahusay ito sa space at mas mura na gumamit ng isang mount mount slot ng SD sa halip na 8-pin header + breakout board.

Hakbang 7: Paano Gumawa ng Iyong Sarili: Assembly

Mga pagbabago sa kable ng kable

Upang maikonekta ang iyong mga PM sensor sa mga konektor ng grove, kakailanganin mong i-splice ang mga kable ng sensor patungo sa mga cable grove, tulad ng ipinakita sa larawan sa itaas. Maaari mo itong gawin gamit ang alinman sa crimps o solder at heat-shrink. Nakasalalay sa sensor na iyong ginamit, kakailanganin mong tiyakin na ang pinout ay tumutugma sa mga input sa PCB.

Mga hakbang sa pagpupulong

1. Piliin kung alin sa mga input ng kuryente na nais mong gamitin (barrel jack / JST / screw terminal) at ikonekta ang naaangkop na supply.
2. Gumamit ng isang multimeter upang suriin ang mga V_IN at 5V test pad sa likod ng PCB.
3. Kung masaya ka na ang board ay tama ang pinapatakbo, alisin ang power supply. (Kung hindi subukan ang alternatibong supply ng kuryente)
4. I-plug ang LoPy4 sa mga header na 16-pin, tinitiyak na ang LED ay nasa itaas (tulad ng ipinakita sa silkscreen). Ang ilalim na 4 na butas sa mga header ay hindi nagamit.
5. Ikonekta ang bawat isa sa mga aparato ng Grove sa pagtutugma ng mga socket sa PCB.
6. I-plug in ang micro SD card.
7. Ikonekta muli ang suplay ng kuryente. Ang mga LED sa LoPy4 at GPS ay dapat na parehong nakabukas.
8. Gumamit ng isang multimeter upang suriin ang natitirang mga pad ng pagsubok sa likod ng PCB.
9. Dapat handa na ang iyong PyonAir na mag-program!

Ang N. B. Siguraduhin na iyong alisan ng laman ang SD card at i-format ito bilang FAT32 bago i-plug ito sa board.

BABALA: Kailanman lamang kumokonekta sa isang mapagkukunan ng kuryente sa bawat pagkakataon. Ang pagkonekta ng maraming mga supply nang sabay-sabay ay maaaring maikli ang isang baterya o lakas ng mains!

Hakbang 8: Paano Gumawa ng Iyong Sarili: Software

Para sa aming pag-unlad ng software, ginamit namin ang Atom at pymakr. Parehong mga ito ay open-source at dapat na gumana sa karamihan ng mga computer. Inirerekumenda naming i-install ang mga ito bago i-download ang code para sa LoPy4 board.

Inirekomenda ng Pycom na i-update ang firmware ng kanilang mga aparato bago tangkaing gamitin ang mga ito. Ang mga buong tagubilin sa kung paano ito gawin ay matatagpuan dito:

Pag-install

1. Upang mapagana ang iyong aparato ng PM sensor, i-download ang pinakabagong bersyon ng aming code mula sa GitHub: https://github.com/pyonair/PyonAir-pycom Siguraduhing i-extract mo ang lahat ng mga file sa isang maginhawang lokasyon sa iyong PC o laptop at iwasang palitan ang pangalan ng alinman sa mga file.
2. Buksan ang Atom at isara ang anumang kasalukuyang mga file sa pamamagitan ng pag-right click sa tuktok na folder na antas at pag-click sa "Alisin ang Project Folder" sa lilitaw na menu.
3. Pumunta sa File> Buksan ang Folder at piliin ang folder na "lopy". Ang lahat ng mga nakapaloob na mga file at folder ay dapat na lumitaw sa pane na "Project" sa kaliwa sa Atom.
4. I-plug ang PyonAir PCB sa iyong PC o laptop gamit ang isang FTDI-USB cable at ang mga RX, TX at GND na pin sa header sa kanan ng board.
5. Ang board ay dapat na magpakita sa Atom at awtomatikong kumonekta.
6. Upang mai-upload ang code, i-click lamang ang pindutang "Mag-upload" sa ibabang pane. Ang proseso ay maaaring tumagal ng ilang minuto, depende sa kung ilang mga file ang kailangang alisin at mai-install. Kapag nagtagumpay ang pag-upload, pindutin ang Ctrl + c sa iyong keyboard upang ihinto ang code, pagkatapos ay i-unplug ang FTDI-USB cable.

Pag-configure

Kapag nag-set up ka ng isang bagong aparato sa unang pagkakataon o kung nais mong baguhin ang anumang mga setting, kakailanganin mong i-configure ito sa paglipas ng WiFi.

1. Alisin ang iyong monitor ng polusyon sa hangin mula sa anumang mga kaso tulad na maaari mong ma-access ang pindutan ng gumagamit.
2. Maghanda ng isang telepono o computer na maaaring kumonekta sa mga lokal na network ng WiFi.
3. Patayin ang aparato ng PyonAir.
4. Kapag ang pag-set up ng aparato sa unang pagkakataon, dapat itong awtomatikong ilipat ang sarili nito sa mode ng pagsasaayos, na ipinahiwatig ng asul na LED flashing. Kung hindi man, pindutin nang matagal ang pindutan ng gumagamit sa Grove socket PCB (may label na CONFIG) sa loob ng 3 segundo. Ang RGB LED ay dapat na maging solidong asul.
5. Kumonekta sa WiFi ng aparato ng PyonAir. (Ito ay mapangalanang 'NewPyonAir' o kung ano ang dati mong pinangalanan ang aparato.) Ang password ay 'newpyonair'.
6. Ipasok ang https://192.168.4.10/ sa iyong web browser. Dapat lumitaw ang pahina ng pagsasaayos.
7. Punan ang lahat ng kinakailangang mga patlang sa pahina at i-click ang 'I-save' kapag tapos na. (Kakailanganin mong magbigay ng mga detalye ng koneksyon sa LoRa at WiFi, magtalaga ng isang natatanging ID sa bawat sensor, at tukuyin ang iyong mga kagustuhan tungkol sa pagkuha ng data.)
8. Ang aparato ng PyonAir ay dapat na muling mag-reboot at gagamitin ang mga setting na iyong ibinigay.

Upang ikonekta ang iyong aparato sa LoRa, irehistro ito sa pamamagitan ng The Things Network. Lumikha ng isang bagong aparato sa ipinakitang Device EUI sa pahina ng pagsasaayos, at kopyahin ang Application EUI at App Key mula sa TTN patungo sa mga pagsasaayos.

Ang Pybytes ay online IoT hub ng Pycom, kung saan maaari mong i-update ang firmware, magsagawa ng mga pag-update ng OTA at mailarawan ang data mula sa mga nakakonektang aparato. Una, kakailanganin mong mag-log in o lumikha ng isang account dito: https://pyauth.pybytes.pycom.io/login pagkatapos ay sundin ang mga hakbang upang magparehistro ng isang bagong aparato.

Pagsubok

Ang pinakamadaling paraan upang subukan na ang iyong monitor ng polusyon sa hangin ay gumagana nang tama ay ang paggamit ng isang FTDI-USB cable at ang mga header ng pin ng RX, TX & GND sa Grove Socket PCB. Ang pagkonekta ng aparato sa ganitong paraan ay nagbibigay-daan sa iyo upang tingnan ang lahat ng mga mensahe at pagbabasa sa Atom.

Ipinapakita ng RGB LED sa LoPy board ang katayuan ng board:

• Pauna = Amber
• Nagtagumpay ang Initialisation = Ang berdeng ilaw ay kumikislap ng dalawang beses
• Hindi ma-access ang SD card = Ang pulang ilaw na kumikislap kaagad pagkatapos ng boot
• Iba pang isyu = Red light flashing habang isinasagawa
• Mga error sa Runtime = Red blinking

Bilang default, ang data mula sa PyonAir ay ipapadala sa server ng University of Southampton. Maaari mong i-edit ang code bago i-deploy ang aparato upang mai-redirect ito sa isang lokasyon na iyong pinili.

Hakbang 9: Paano Gumawa ng Iyong Sariling: Pag-deploy

Ngayon na ang iyong monitor ng polusyon sa hangin ay ganap na na-configure, dapat kang maging handa upang i-deploy ang aparato!

Payo ng kaso

Ang kaso na pinili namin para sa aming mga aparato ay: https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t… Gayunpaman, huwag mag-atubiling bumili ng ibang kaso o magdisenyo ng iyong sarili. Ang mga file ng SolidWorks para sa karamihan ng hardware na ginamit namin ay ibinibigay sa seksyong Dagdag na Impormasyon, upang matulungan sa pagdidisenyo ng mga pasadyang kaso. Ang isang iminungkahing pamamaraan ng pag-aayos ng mga sensor at pagputol ng mga butas sa kaso ay ipinapakita rin sa larawan sa itaas.

Tandaan lamang na ang iyong kaso ay dapat:

• Protektahan ang electronics mula sa tubig at alikabok
• Payagan ang pag-mount ng aparato on-site
• Payagan ang hangin na maabot ang (mga) sensor ng PM
• Pigilan ang mga electronics mula sa sobrang pag-init
• I-secure ang electronics sa loob ng kaso

Locationadvice

Matutupad ng isang perpektong lokasyon ng paglawak ang mga sumusunod na pamantayan:

• Sa isang rehiyon ng interes para sa polusyon sa hangin
• Wala sa direktang sikat ng araw
• Sa loob ng saklaw ng isang LoRa gateway
• Sa loob ng saklaw ng WiFi
• Malapit sa isang mapagkukunan ng kuryente
• Mga secure na mounting point
• Makakatanggap ng mga signal ng GPS

Hakbang 10: Mga File at Kredito

Ang lahat ng mga file na kailangan mong gawin upang gumawa ng iyong sariling buong PyonAir ay matatagpuan sa: https://su-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… (Ang mga Zip file ay hindi mai-upload sa Mga Instructable, paumanhin!) Ang Gitbook ay nagsasama rin ng karagdagang impormasyon tungkol sa hardware at software.

Mga Kredito

Ang proyekto na pinangasiwaan ni Dr Steven J Ossont, Dr Phil Basford at Florentin Bulot

Code ni Daneil Hausner at Peter Varga

Disenyo ng circuit at mga tagubilin ni Hazel Mitchell