PyonAir - 'n Open Source -lugbesoedelingsmonitor: 10 stappe (met foto's)

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:24

Die PyonAir is 'n goedkoop stelsel vir die monitering van plaaslike lugbesoedelingsvlakke - spesifiek deeltjies. Gebaseer op die Pycom LoPy4-bord en Grove-versoenbare hardeware, kan die stelsel data oordra oor beide LoRa en WiFi.

Ek het hierdie projek aan die Universiteit van Southampton onderneem, saam met 'n span navorsers. My primêre verantwoordelikheid was die ontwerp en ontwikkeling van die PCB. Dit was die eerste keer dat ek Eagle gebruik het, so dit was beslis 'n leerervaring!

Die doel van die PyonAir-projek is om 'n netwerk van goedkoop IoT-besoedelingsmonitors in werking te stel waarmee ons belangrike inligting kan versamel oor die verspreiding en oorsake van lugbesoedeling. Alhoewel daar baie besoedelingsmonitors op die mark is, bied die meeste slegs 'luggehalte -indeks' in plaas van rou PM -data - veral teen bekostigbare pryse. Deur die projek open-source te maak, met eenvoudige opstelinstruksies, hoop ons om die PyonAir-toestel toeganklik te maak vir almal wat belangstel in luggehalte, persoonlik of professioneel. Hierdie toestel kan byvoorbeeld gebruik word om data vir studenteprojekte, PhD's en onafhanklike partye in te samel, waardeur lewensbelangrike navorsing, wat 'n reputasie het vir stygende koste, baie meer haalbaar is. Die projek kan ook vir uitreikdoeleindes gebruik word, en met lede van die publiek kommunikeer oor hul plaaslike luggehalte en die stappe wat geneem kan word om dit te verbeter.

Ons doelwitte van eenvoud en gebruiksgemak het ons besluit om die Grove -stelsel as die ruggraat van ons ontwerp te gebruik, geïnspireer. Die wye verskeidenheid versoenbare modules stel gebruikers van die stelsel in staat om die PyonAir -toestel aan te pas by hul behoeftes, sonder dat hulle gedwing word om die basiese hardeware te herontwerp. Intussen bied Pycom se LoPy4 verskeie opsies vir draadlose kommunikasie in 'n netjiese pakket.

In hierdie instruksie beskryf ek die ontwerpreis en stappe om die PCB te vervaardig, gevolg deur instruksies oor hoe om die volledige PyonAir -eenheid te monteer.

Voorrade

Komponente:

• LoPy4: Hoofbord (https://pycom.io/product/lopy4/)
• PyonAirPCB: Maklike verbinding met Grove -sensors
• Plantower PMS5003: Sensor vir lugbesoedeling (https://shop.pimoroni.com/products/pms5003-particu…
• Sensirion SPS30: Sensor vir lugbesoedeling (https://www.mouser.co.uk/ProductDetail/Sensirion/SPS30?qs=lc2O%252bfHJPVbEPY0RBeZmPA==)
• SHT35-sensor: Temperatuur- en humiditeitsensor (https://www.seeedstudio.com/Grove-I2C-High-Accurac…
• Real Time Clock: Backup klok eenheid (https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/hardware/…
• GPS-module: GPS-ontvanger vir tyd en ligging (https://www.seeedstudio.com/Grove-GPS-Module.html)
• Grove-kabels:
• Pycom-antenne: LoRa-vermoë (https://pycom.io/product/lora-868mhz-915mhz-sigfox…
• MicroSD kaart
• Kragtoevoer: primêre kragtoevoer (aanbeveel:
• Koffer: IP66 115x90x65 mm weerbestande ABS -boks (https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t…

Gereedskap:

• Soldeerbout
• Multimeter
• Klein skroewedraaier
• FTDI-kabel (opsioneel):

Stap 1: Oor die PCB

Grove -verbindings is 'n toenemend gewilde standaard in die ekosisteem vir elektroniese stokperdjies. Die plug-and-play-verbindings maak dit maklik en vinnig om 'n wye reeks modules aan en uit te ruil, sonder om gewrigte te hoef op te los.

Intussen is die LoPy4 -bord van Pycom gekies as die belangrikste mikrobeheerder vir die PyonAir, aangesien dit 4 draadlose kommunikasiemodusse bied: LoRa, Sigfox, WiFi en Bluetooth en is geprogrammeer met behulp van MicroPython.

Arduino en Raspberry Pi ondersteun reeds Grove -aansluitskerms, maar nog geen is vir die Pycom -stelsel vrygestel nie. Daarom het ons ons eie uitbreidingskaart PCB ontwerp wat op die LoPy4 -bord pas. Die PCB bevat:

• 2 I2C -voetstukke (temperatuursensor en RTC)
• 3 UART -voetstukke (2x PM -sensor en GPS)
• Spelde vir USB -data
• 'N Transistorkringe vir die beheer van krag na die PM -sensors
• 'N Transistorkring om die krag van die GPS -ontvanger te beheer
• Micro SD -gleuf
• Gebruikersknoppie
• Kraginvoerverbindings (loop, JST of skroefaansluiting)
• Spanningsreguleerder

Stap 2: PCB V1-V3

PCB V1

My eerste poging tot die PCB was gebaseer op 'n 'shim' konsep, waar 'n dun PCB tussen die LoPy -bord en 'n Pycom -uitbreidingskaart sou pas, soos die Pytrack (sien CAD -tekening). As sodanig was daar geen bevestigingsgate nie en die bord was baie basies, met slegs verbindings en 'n paar transistors om die PM -sensors aan of uit te skakel.

Om eerlik te wees, daar was baie fout met hierdie bord:

• Die spore was heeltemal te dun
• Geen grondvliegtuig nie
• Vreemde transistor -oriëntasies
• Ongebruikte ruimte
• Die weergawetiket is in 'n snitlaag geskryf, nie op syskerm nie

PCB V2

By V2 het dit duidelik geword dat ons die PyonAir nodig het om sonder 'n uitbreidingskaart te werk, sodat kraginvoer, 'n UART -aansluiting en 'n SD -gleuf by die ontwerp gevoeg is.

Kwessies:

• Spore gekruisde montagegate
• Geen LoPy -oriënteringsgids nie
• Verkeerde rigting van die DC -domkrag

PCB V3

Relatief geringe veranderinge is aangebring tussen V2 en V3 - meestal regstellings aan die bogenoemde kwessies.

Stap 3: PCB V4

V4 bevat 'n volledige herontwerp van die hele PCB, waarin die volgende veranderinge aangebring is:

• Byna elke komponent kan met die hand gesoldeer word of vooraf met PCBA gemonteer word
• Monteer gate op hoeke
• Komponente gegroepeer in die "Permanente", "Krag" en "Gebruiker" sones

• Etikette vir:

  • Ingangsspanningsreeks
  • Dokumentasie skakel
  • LoPy LED -ligging
• 2 opsies vir SD -houers
• Toetsblokkies
• DC -vatkrag kan bo -op of onder die bord gemonteer word
• Beter routing
• Doeltreffender verpakte komponente
• Langer vroulike koprye is bygevoeg, sodat 'n gebruiker 4x 8-pen-koppe kan gebruik, in plaas van 2 pare 8-pen- en 6-pen-opskrifte, wat dit effens goedkoper maak.

Stap 4: PCB V5

Die finale weergawe

Die laaste paar aanpassings is aan die V5 aangebring voordat dit deur Seeed Studio vir die vervaardiging van PCBA ingedien is:

• Selfs netjieser roete
• Verbeterde etikettering
• Opgedateerde webwerf skakel
• Seefdrukblokkies vir die etikettering van PCB's tydens toetsing
• Meer afgeronde hoeke (om beter in die geselekteerde omhulsel te pas)
• Die lengte van die PCB is aangepas om die relings te pas

Stap 5: Hoe om u eie te maak: PCBA

As u van plan is om minder as 5 PCB's te vervaardig, gaan dan na "Hoe om u eie te maak: hand soldeer" (volgende stap).

PCBA bestel by Seeed Studio

1. Meld aan of skep 'n rekening by
2. Klik op 'Bestel nou'.
3. Laai Gerber -lêers op.
4. Pas die instellings aan (PCB-hoeveelheid en oppervlakafwerking: HASL loodvry).
5. Voeg monteringstekening by en kies en plaas lêer.
6. Kies PCBA hoeveelheid.
7. Voeg BOM by. (NB: as u dit wil vermy om self te soldeer en nie langer omgee nie, kan u die TSRN 1-2450 spanningsreguleerder by die stuklijst voeg.
8. Voeg in mandjie en bestel!

Besoek gerus: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… vir die vereiste lêers.

Soldeer die spanningsreguleerder

Die enigste deel wat soldeer by die gebruik van Seeed se PCBA-diens, is die TSRN 1-2450 spanningsreguleerder. Soos hierbo genoem, kan u dit by die monteerlijst insluit, maar dit kan baie meer tyd by die bestelling voeg.

As u dit met die hand wil soldeer, voeg dan die reguleerder by die plek wat deur die syskerm aangedui word, en sorg dat die oriëntasie korrek is. Die wit kolletjie op die syskerm moet in lyn wees met die wit kolletjie op die reguleerder (sien prentjie).

Stap 6: Hoe om u eie te maak: hand soldeer

As u van plan is om 'n groot aantal PCB's te vervaardig, gaan dan na "Hoe om u eie te maak: PCBA" (vorige stap).

PCB's bestel

U kan PCB's koop op baie webwerwe, insluitend Seeed Studio, waarvan sommige binne 'n week kan aflewer. Ons het Seeed Fusion gebruik, maar hierdie stappe moet baie ooreenstem met ander webwerwe.

1. Meld aan of skep 'n rekening by
2. Klik op 'Bestel nou'.
3. Laai Gerber -lêers op.
4. Pas die instellings aan (PCB-hoeveelheid en oppervlakafwerking: HASL loodvry)
5. Voeg in mandjie en bestel!

Besoek gerus: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… vir die vereiste lêers.

Onderdele bestel

Aangesien die bord ekstra pads vir SMD/deur-gat-monteeropsies het, hoef u nie elke deel te vul nie. As u met die hand soldeer, is dit die maklikste om alle SMD's te vermy deur die bord te vul volgens die tabel op die foto's.

N. B. As u vol vertroue in 'n soldeerbout is, is dit meer ruimte-doeltreffend en goedkoper om 'n Micro SD-gleuf op die oppervlak te gebruik in plaas van die 8-pen kop + uitbreekbord.

Stap 7: Hoe om u eie te maak: samestelling

Grove kabel veranderings

Om u PM -sensors aan die boskonneksies te koppel, moet u die sensorkabels op die boskabels verbind, soos in die prent hierbo getoon. U kan dit doen met krimp of soldeer en krimp hitte. Afhangende van die sensor wat u gebruik, moet u seker maak dat die pinout by die insette pas by die PCB.

Montagestappe

1. Kies watter een van die ingange wat u wil gebruik (vataansluiting / JST / skroefaansluiting) en koppel die toepaslike toevoer aan.
2. Gebruik 'n multimeter om die V_IN en 5V toetsblokkies aan die agterkant van die printplaat na te gaan.
3. As u bly is dat die bord korrek aangeskakel is, moet u die kragtoevoer verwyder. (Indien nie, probeer alternatiewe kragtoevoer)
4. Koppel die LoPy4 in die 16-pen-kopstukke om te verseker dat die LED bo-op is (soos op die seeskerm aangedui). Die onderste 4 gate in die kopstukke is ongebruik.
5. Koppel elk van die Grove -toestelle in die bypassende voetstukke op die PCB.
6. Koppel die mikro -SD -kaart aan.
7. Koppel die kragtoevoer weer aan. Die LED's op die LoPy4 en GPS moet albei aanskakel.
8. Gebruik 'n multimeter om die oorblywende toetsblokkies aan die agterkant van die printplaat na te gaan.
9. U PyonAir behoort nou gereed te wees om te programmeer!

N. B. Maak seker dat u die SD -kaart leegmaak en dit as FAT32 formateer voordat u dit op die bord aansluit.

WAARSKUWING: Sluit slegs een kragbron op 'n slag aan. Deur veelvuldige toebehore gelyktydig aan te sluit, kan 'n battery of hoofstroom ontbreek!

Stap 8: Hoe om u eie te maak: sagteware

Vir ons sagteware -ontwikkeling het ons Atom en pymakr gebruik. Albei is open source en behoort op die meeste rekenaars te werk. Ons beveel aan dat u dit installeer voordat u die kode vir die LoPy4 -bord aflaai.

Pycom beveel aan dat u die firmware van hul toestelle opdateer voordat u dit probeer gebruik. Die volledige instruksies oor hoe u dit kan doen, kan u hier vind:

Installasie

1. Laai die nuutste weergawe van ons kode af van GitHub om u PM-sensorapparaat aan die gang te kry: https://github.com/pyonair/PyonAir-pycom Maak seker dat u al die lêers na 'n gerieflike plek op u rekenaar of skootrekenaar onttrek en vermy die hernoeming van enige van die lêers.
2. Maak Atom oop en maak enige huidige lêers toe deur met die rechtermuisknop op die gids op die hoogste vlak te klik en op 'Verwyder projekmap' te klik in die menu wat verskyn.
3. Gaan na File> Map oopmaak en kies die gids "lopy". Alle lêers en gidse wat daarin vervat is, moet in die "Projek" -venster aan die linkerkant in Atom verskyn.
4. Koppel die PyonAir PCB aan u rekenaar of skootrekenaar met 'n FTDI-USB-kabel en die RX-, TX- en GND-penne regs op die bord.
5. Die bord moet in Atom verskyn en outomaties aansluit.
6. Om die kode op te laai, klik eenvoudig op die knoppie "Laai op" in die onderste venster. Die proses kan 'n paar minute duur, afhangende van hoeveel lêers verwyder en geïnstalleer moet word. Sodra die oplaai suksesvol was, druk Ctrl + c op u sleutelbord om die kode te stop en trek die FTDI-USB-kabel uit.

Konfigurasie

As u die eerste keer 'n nuwe toestel opstel of as u enige instellings wil verander, moet u dit via WiFi instel.

1. Verwyder u lugbesoedelingsmonitor uit alle gevalle sodat u toegang tot die gebruikersknoppie kan kry.
2. Berei 'n telefoon of rekenaar voor wat met plaaslike WiFi -netwerke verbind kan word.
3. Skakel die PyonAir -toestel aan.
4. As die toestel vir die eerste keer opgestel word, moet dit outomaties in die konfigurasiemodus oorgaan, aangedui deur 'n blou LED wat flikker. Andersins, hou die gebruikersknoppie op die Grove -aansluiting PCB (gemerk CONFIG) vir 3 sekondes ingedruk. Die RGB -LED moet soliede blou word.
5. Koppel aan die PyonAir -toestel se WiFi. (Dit sal 'NewPyonAir' genoem word of wat u ook al die toestel genoem het.) Die wagwoord is 'newpyonair'.
6. Voer https://192.168.4.10/ in u webblaaier in. Die opsetbladsy moet verskyn.
7. Vul alle vereiste velde op die bladsy in en klik op 'Stoor' as u klaar is. (U moet verbindingsbesonderhede aan LoRa en WiFi verskaf, 'n unieke ID aan elke sensor toewys en u voorkeure met betrekking tot die verkryging van data spesifiseer.)
8. Die PyonAir -toestel behoort nou weer te begin en gebruik die instellings wat u verskaf het.

Om u toestel aan LoRa te koppel, moet u dit registreer via The Things Network. Skep 'n nuwe toestel met die Device EUI wat op die konfigurasiebladsy verskyn, en kopieer die Application EUI en App Key van TTN na die konfigurasies.

Pybytes is Pycom se aanlyn IoT -hub, waardeur u firmware kan opdateer, OTA -opdaterings kan uitvoer en data van gekoppelde toestelle kan visualiseer. Eerstens moet u aanmeld of 'n rekening hier skep: https://pyauth.pybytes.pycom.io/login en volg dan die stappe om 'n nuwe toestel te registreer.

Toets

Die maklikste manier om te toets of u lugbesoedelingsmonitor korrek werk, is met behulp van 'n FTDI-USB-kabel en die RX-, TX- en GND-penkoppe op die Grove Socket PCB. Deur die toestel op hierdie manier aan te sluit, kan u al die boodskappe en lesings in Atom sien.

Die RGB -LED op die LoPy -bord toon die status van die bord:

• Initialiseer = Amber
• Initialisering het geslaag = Groen lig knip twee keer
• Het nie toegang tot SD -kaart nie = Rooi lig flikker onmiddellik na opstart
• Ander probleem = Rooi lig flikker tydens inisialisering
• Runtydfoute = Rooi knipper

Standaard word data van die PyonAir na die Universiteit van Southampton se bediener gestuur. U kan die kode wysig voordat u die toestel ontplooi om dit na 'n plek van u keuse te herlei.

Stap 9: Hoe u u eie kan maak: implementering

Noudat u lugbesoedelingsmonitor volledig gekonfigureer is, moet u gereed wees om die toestel te ontplooi!

Saakadvies

Die saak wat ons vir ons toestelle gekies het, was: https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t… Koop egter 'n ander geval of ontwerp u eie. SolidWorks -lêers vir die meeste hardeware wat ons gebruik het, word in die afdeling Extra Info verskaf om u te help met die ontwerp van pasgemaakte gevalle. Een voorgestelde metode om die sensors te rangskik en gate in die omhulsel te sny, word ook op die foto hierbo getoon.

Onthou net dat u saak die volgende moet doen:

• Beskerm die elektronika teen water en stof
• Laat die toestel ter plaatse monteer
• Laat lug die PM -sensor (s) bereik
• Voorkom dat die elektronika oorverhit
• Hou die elektronika stewig in die omhulsel

Plekadvies

'N Ideale implementeringsplek sal aan die volgende kriteria voldoen:

• In 'n gebied van belang vir lugbesoedeling
• Uit direkte sonlig
• Binne die bereik van 'n LoRa -poort
• Binne WiFi bereik
• Naby aan 'n kragbron
• Veilige bevestigingspunte
• In staat om GPS -seine te ontvang

Stap 10: lêers en krediete

Al die lêers wat u benodig om u eie volledige PyonAir te maak, kan gevind word op: https://su-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… (zip-lêers kan nie na Instructables gelaai word nie, jammer!) Die Gitbook bevat ook bykomende inligting oor die hardeware en sagteware.

Krediete

Onder toesig van die projek deur dr Steven J Ossont, dr Phil Basford en Florentin Bulot

Kode deur Daneil Hausner en Peter Varga

Kringontwerp en instruksies deur Hazel Mitchell