PyonAir - un monitor dell'inquinamento atmosferico open source: 10 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

PyonAir è un sistema a basso costo per il monitoraggio dei livelli di inquinamento atmosferico locale, in particolare del particolato. Basato sulla scheda Pycom LoPy4 e sull'hardware compatibile con Grove, il sistema può trasmettere dati sia su LoRa che su WiFi.

Ho intrapreso questo progetto presso l'Università di Southampton, lavorando in un team di ricercatori. La mia responsabilità principale era la progettazione e lo sviluppo del PCB. Questa era la prima volta che usavo Eagle, quindi è stata sicuramente un'esperienza di apprendimento!

L'obiettivo del progetto PyonAir è implementare una rete di monitor dell'inquinamento IoT a basso costo che ci consentirà di raccogliere informazioni cruciali sulla distribuzione e le cause dell'inquinamento atmosferico. Mentre ci sono molti monitor dell'inquinamento sul mercato, la maggior parte offre solo "Indice di qualità dell'aria", piuttosto che dati grezzi sul PM, specialmente a prezzi accessibili. Rendendo il progetto open-source, con semplici istruzioni di installazione, speriamo di rendere il dispositivo PyonAir accessibile a chiunque sia interessato alla qualità dell'aria, personalmente o professionalmente. Ad esempio, questo dispositivo può essere utilizzato per raccogliere dati per progetti di studenti, dottorati di ricerca e parti indipendenti, rendendo molto più raggiungibile la ricerca vitale che ha la reputazione di aumentare i costi. Il progetto può essere utilizzato anche per scopi di sensibilizzazione, comunicando con i membri del pubblico sulla qualità dell'aria locale e sui passi che possono essere adottati per migliorarla.

I nostri obiettivi di semplicità e facilità d'uso hanno ispirato la nostra decisione di utilizzare il sistema Grove come spina dorsale del nostro design. L'ampia gamma di moduli compatibili consentirà agli utenti del sistema di personalizzare il dispositivo PyonAir in base alle proprie esigenze, senza essere costretti a riprogettare l'hardware fondamentale. Nel frattempo, LoPy4 di Pycom offre più opzioni per la comunicazione wireless in un unico pacchetto pulito.

In questo tutorial, descriverò il percorso di progettazione e i passaggi per produrre il PCB, seguito dalle istruzioni su come assemblare l'intera unità PyonAir.

Forniture

Componenti:

• LoPy4: scheda principale (https://pycom.io/product/lopy4/)
• PyonAirPCB: facile connessione ai sensori Grove
• Plantower PMS5003: Sensore di inquinamento atmosferico (https://shop.pimoroni.com/products/pms5003-particu…
• Sensirion SPS30: Sensore di inquinamento atmosferico (https://www.mouser.co.uk/ProductDetail/Sensirion/SPS30?qs=lc2O%252bfHJPVbEPY0RBeZmPA==)
• Sensore SHT35: sensore di temperatura e umidità (https://www.seeedstudio.com/Grove-I2C-High-Accurac…
• Orologio in tempo reale: unità orologio di backup (https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/hardware/…
• Modulo GPS: ricevitore GPS per ora e posizione (https://www.seeedstudio.com/Grove-GPS-Module.html)
• Cavi Grove:
• Antenna Pycom: capacità LoRa (https://pycom.io/product/lora-868mhz-915mhz-sigfox…
• Scheda MicroSD
• Alimentazione: Alimentazione primaria (Consigliato:
• Custodia: scatola ABS IP66 115x90x65 mm resistente alle intemperie (https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t…

Utensili:

• Saldatore
• Multimetro
• Cacciavite piccolo
• Cavo FTDI (opzionale):

Passaggio 1: informazioni sul PCB

I connettori Grove sono uno standard sempre più popolare nell'ecosistema dell'elettronica hobbista. I connettori plug-and-play rendono facile e veloce il collegamento e lo scambio di un'ampia gamma di moduli, senza la necessità di risaldare i giunti.

Nel frattempo, la scheda LoPy4 di Pycom è stata selezionata come microcontrollore principale per PyonAir in quanto offre 4 modalità di comunicazione wireless: LoRa, Sigfox, WiFi e Bluetooth ed è programmata utilizzando MicroPython.

Arduino e Raspberry Pi supportano già gli shield per connettori Grove, ma nessuno era ancora stato rilasciato per il sistema Pycom. Pertanto, abbiamo progettato la nostra scheda di espansione PCB, che si adatta alla scheda LoPy4. Il PCB contiene:

• 2 prese I2C (sensore di temperatura e RTC)
• 3 prese UART (2x sensore PM e GPS)
• Pin per dati USB
• Circuiti a transistor per il controllo dell'alimentazione ai sensori PM
• Un circuito a transistor per il controllo dell'alimentazione al ricevitore GPS
• Slot per microSD
• Pulsante utente
• Connettori di ingresso alimentazione (barrel, JST o terminale a vite)
• Regolatore di tensione

Passaggio 2: PCB V1-V3

PCB V1

Il mio primo tentativo con il PCB si è basato su un concetto di "spessore", in cui un PCB sottile si sarebbe inserito tra la scheda LoPy e una scheda di espansione Pycom, come il Pytrack (vedi disegno CAD). In quanto tale, non c'erano fori di montaggio e la scheda era molto semplice, con solo connettori e una coppia di transistor per accendere o spegnere i sensori PM.

Ad essere onesti, c'era molto di sbagliato in questa scheda:

• Le tracce erano troppo sottili
• Nessun piano di terra
• Orientamenti strani dei transistor
• Spazio inutilizzato
• L'etichetta della versione è stata scritta in uno strato di traccia, non in serigrafia

PCB V2

Con la V2, era diventato evidente che avevamo bisogno che PyonAir funzionasse senza una scheda di espansione, quindi sono stati aggiunti al progetto ingressi di alimentazione, un terminale UART e uno slot SD.

Problemi:

• Binari attraversati zone di foro di montaggio
• Nessuna guida di orientamento LoPy
• Orientamento errato della presa cilindrica CC

PCB V3

Sono state apportate modifiche relativamente minori tra V2 e V3, principalmente correzioni ai problemi di cui sopra.

Passaggio 3: PCB V4

V4 ha caratterizzato una riprogettazione completa dell'intero PCB, in cui sono state apportate le seguenti modifiche:

• Quasi tutti i componenti possono essere saldati a mano o preassemblati utilizzando PCBA
• Fori di montaggio agli angoli
• Componenti raggruppati nelle zone "Permanente", "Potenza" e "Utente"

• Etichette per:

  • Gamma di tensione in ingresso
  • Collegamento alla documentazione
  • Posizione del LED LoPy
• 2 opzioni di supporto SD
• Test pad
• Il jack a barilotto CC può essere montato sopra o sotto la scheda
• Instradamento migliore
• Componenti imballati in modo più efficiente
• Sono state aggiunte righe di intestazione femmina più lunghe, quindi un utente sarebbe in grado di utilizzare intestazioni 4x 8 pin, invece di 2 coppie di intestazioni 8 pin e 6 pin, rendendolo leggermente più economico.

Passaggio 4: PCB V5

La versione finale

Queste ultime modifiche sono state apportate alla V5 prima che fosse presentata per la produzione PCBA da Seeed Studio:

• Routing ancora più ordinato
• Posizionamento dell'etichetta migliorato
• Link al sito aggiornato
• Tamponi serigrafici per l'etichettatura dei PCB durante i test
• Angoli più arrotondati (per adattarsi meglio all'involucro selezionato)
• Lunghezza del PCB adattata alle guide dell'armadio

Passaggio 5: come crearne uno: PCBA

Se hai intenzione di produrre meno di 5 PCB, consulta invece "Come crearne uno: saldatura a mano" (passaggio successivo).

Ordinazione PCBA da Seeed Studio

1. Accedi o crea un account su
2. Fare clic su "Ordina ora".
3. Carica file Gerber.
4. Regolare le impostazioni (quantità PCB e finitura superficiale: HASL senza piombo).
5. Aggiungi il disegno dell'assieme e seleziona e posiziona il file.
6. Seleziona la quantità di PCBA.
7. Aggiungi la distinta base. (N. B.: Se vuoi evitare di saldarlo da solo e non ti preoccupare dell'attesa più lunga, puoi aggiungere il regolatore di tensione TSRN 1-2450 alla distinta base.
8. Aggiungi al carrello e ordina!

Visita: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… per i file richiesti.

Saldatura del regolatore di tensione

L'unica parte che richiede la saldatura quando si utilizza il servizio PCBA di Seeed è il regolatore di tensione TSRN 1-2450. Come accennato in precedenza, è possibile includerlo nella distinta componenti dell'assieme, ma potrebbe aggiungere molto più tempo all'ordine.

Se sei felice di saldarlo a mano, aggiungi semplicemente il regolatore nel punto indicato dalla serigrafia, assicurandoti che l'orientamento sia corretto. Il punto bianco sulla serigrafia dovrebbe allinearsi con il punto bianco sul regolatore (vedi foto).

Passaggio 6: come crearne uno: saldatura a mano

Se hai intenzione di produrre un gran numero di PCB, vedi invece "Come crearne uno tuo: PCBA" (passaggio precedente).

Ordinazione di PCB

Puoi acquistare PCB da molti siti Web, incluso Seeed Studio, con alcuni in grado di consegnare in meno di una settimana. Abbiamo usato Seeed Fusion, ma questi passaggi dovrebbero essere molto simili ad altri siti.

1. Accedi o crea un account su
2. Fare clic su "Ordina ora".
3. Carica file Gerber.
4. Regolare le impostazioni (quantità PCB e finitura superficiale: HASL senza piombo)
5. Aggiungi al carrello e ordina!

Visita: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… per i file richiesti.

Ordinare le parti

Poiché la scheda dispone di pad aggiuntivi per le opzioni di montaggio SMD/foro passante, non è necessario popolare ogni parte. Se stai saldando a mano, è più facile evitare tutti gli SMD popolando la scheda secondo la tabella mostrata nelle immagini.

N. B. Se sei sicuro di un saldatore, è più efficiente in termini di spazio ed economico utilizzare uno slot Micro SD a montaggio superficiale invece dell'intestazione a 8 pin + scheda breakout.

Passaggio 7: come crearne uno: assemblaggio

Modifiche al cavo Grove

Per collegare i tuoi sensori PM ai connettori Grove, dovrai unire i cavi dei sensori ai cavi Grove, come mostrato nell'immagine sopra. Puoi farlo usando crimpature o saldatura e termoretraibile. A seconda del sensore che usi, dovrai assicurarti che il pinout corrisponda agli ingressi del PCB.

Fasi di montaggio

1. Scegliere quale degli ingressi di alimentazione si desidera utilizzare (barrel jack/JST/terminale a vite) e collegare l'alimentatore appropriato.
2. Usa un multimetro per controllare i test pad V_IN e 5V sul retro del PCB.
3. Quando sei soddisfatto che la scheda sia correttamente alimentata, rimuovi l'alimentatore. (In caso contrario, provare con un'alimentazione alternativa)
4. Collega la LoPy4 alle intestazioni a 16 pin, assicurandoti che il LED sia in alto (come mostrato sulla serigrafia). I 4 fori inferiori nelle intestazioni sono inutilizzati.
5. Collegare ciascuno dei dispositivi Grove alle prese corrispondenti sul PCB.
6. Collega la scheda micro SD.
7. Ricollegare l'alimentazione. I LED su LoPy4 e GPS dovrebbero accendersi entrambi.
8. Usa un multimetro per controllare i test pad rimanenti sul retro del PCB.
9. Il tuo PyonAir dovrebbe ora essere pronto per la programmazione!

N. B. Assicurati di svuotare la scheda SD e formattarla come FAT32 prima di collegarla alla scheda.

AVVERTENZA: collegare sempre una sola fonte di alimentazione alla volta. Il collegamento di più alimentatori contemporaneamente potrebbe cortocircuitare una batteria o l'alimentazione di rete!

Passaggio 8: come crearne uno: software

Per lo sviluppo del nostro software, abbiamo utilizzato Atom e pymakr. Entrambi sono open-source e dovrebbero funzionare sulla maggior parte dei computer. Si consiglia di installarli prima di scaricare il codice per la scheda LoPy4.

Pycom consiglia di aggiornare il firmware dei propri dispositivi prima di tentare di utilizzarli. Le istruzioni complete su come farlo possono essere trovate qui:

Installazione

1. Per far funzionare il tuo dispositivo sensore PM, scarica l'ultima versione del nostro codice da GitHub: https://github.com/pyonair/PyonAir-pycom Assicurati di estrarre tutti i file in una posizione comoda sul tuo PC o laptop ed evitare di rinominare i file.
2. Apri Atom e chiudi tutti i file correnti facendo clic con il pulsante destro del mouse sulla cartella di livello superiore e facendo clic su "Rimuovi cartella progetto" nel menu che appare.
3. Vai su File > Apri cartella e seleziona la cartella "lopy". Tutti i file e le cartelle contenuti dovrebbero apparire nel riquadro "Progetto" a sinistra in Atom.
4. Collega il PCB PyonAir al tuo PC o laptop utilizzando un cavo FTDI-USB e i pin RX, TX e GND sull'intestazione a destra della scheda.
5. La scheda dovrebbe apparire in Atom e connettersi automaticamente.
6. Per caricare il codice, fai semplicemente clic sul pulsante "Carica" nel riquadro in basso. Il processo potrebbe richiedere alcuni minuti, a seconda di quanti file devono essere rimossi e installati. Una volta che il caricamento è riuscito, premi Ctrl + c sulla tastiera per interrompere il codice, quindi scollega il cavo FTDI-USB.

Configurazione

Quando configuri un nuovo dispositivo per la prima volta o se desideri modificare le impostazioni, dovrai configurarlo tramite WiFi.

1. Rimuovi il tuo monitor dell'inquinamento atmosferico da tutti i casi in modo da poter accedere al pulsante utente.
2. Prepara un telefono o un computer in grado di connettersi alle reti WiFi locali.
3. Alimenta il dispositivo PyonAir.
4. Quando si configura il dispositivo per la prima volta, dovrebbe passare automaticamente alla modalità di configurazione, indicata dal LED blu lampeggiante. Altrimenti, premere e tenere premuto il pulsante utente sulla PCB della presa Grove (etichettato CONFIG) per 3 secondi. Il LED RGB dovrebbe diventare blu fisso.
5. Connettiti al WiFi del dispositivo PyonAir. (Questo sarà chiamato 'NewPyonAir' o come hai chiamato il dispositivo in precedenza.) La password è 'newpyonair'.
6. Inserisci https://192.168.4.10/ nel tuo browser web. Dovrebbe apparire la pagina di configurazione.
7. Compila tutti i campi richiesti nella pagina e fai clic su "Salva" al termine. (Dovrai fornire i dettagli della connessione a LoRa e WiFi, assegnare un ID univoco a ciascun sensore e specificare le tue preferenze riguardo all'acquisizione dei dati.)
8. Il dispositivo PyonAir dovrebbe ora riavviarsi e utilizzerà le impostazioni fornite.

Per connettere il tuo dispositivo a LoRa, registralo tramite The Things Network. Crea un nuovo dispositivo con l'EUI del dispositivo mostrato nella pagina di configurazione e copia l'EUI dell'applicazione e la chiave dell'app da TTN alle configurazioni.

Pybytes è l'hub IoT online di Pycom, attraverso il quale è possibile aggiornare il firmware, eseguire aggiornamenti OTA e visualizzare i dati dai dispositivi connessi. Innanzitutto, dovrai accedere o creare un account qui: https://pyauth.pybytes.pycom.io/login, quindi seguire i passaggi per registrare un nuovo dispositivo.

test

Il modo più semplice per verificare che il monitor dell'inquinamento atmosferico funzioni correttamente è utilizzare un cavo FTDI-USB e le intestazioni dei pin RX, TX e GND sul PCB Grove Socket. Collegando il dispositivo in questo modo puoi visualizzare tutti i messaggi e le letture in Atom.

Il LED RGB sulla scheda LoPy mostra lo stato della scheda:

• Inizializzazione = ambra
• Inizializzazione riuscita = la spia verde lampeggia due volte
• Impossibile accedere alla scheda SD = La luce rossa lampeggia immediatamente dopo l'avvio
• Altro problema = La luce rossa lampeggia durante l'inizializzazione
• Errori di runtime = Rosso lampeggiante

Per impostazione predefinita, i dati dal PyonAir verranno inviati al server dell'Università di Southampton. Puoi modificare il codice prima di distribuire il dispositivo per reindirizzarlo a una posizione a tua scelta.

Passaggio 9: come crearne uno: distribuzione

Ora che il tuo monitor dell'inquinamento atmosferico è completamente configurato, dovresti essere pronto per distribuire il dispositivo!

Consiglio di caso

La custodia che abbiamo selezionato per i nostri dispositivi era: https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t… Tuttavia, sentiti libero di acquistare una custodia diversa o di crearne una tua. I file SolidWorks per la maggior parte dell'hardware utilizzato sono forniti nella sezione Informazioni aggiuntive, per aiutare nella progettazione di casi personalizzati. Un metodo proposto per disporre i sensori e praticare fori nella custodia è mostrato anche nella figura sopra.

Ricorda solo che il tuo caso dovrebbe:

• Proteggi l'elettronica da acqua e polvere
• Consentire il montaggio del dispositivo in loco
• Consentire all'aria di raggiungere i sensori PM
• Prevenire il surriscaldamento dell'elettronica
• Tieni l'elettronica saldamente all'interno della custodia

Consigli sulla posizione

Una posizione di distribuzione ideale soddisferà i seguenti criteri:

• In una regione di interesse per l'inquinamento atmosferico
• Fuori dalla luce solare diretta
• Entro il raggio di un gateway LoRa
• Entro la portata del WiFi
• Vicino a una fonte di energia
• Punti di montaggio sicuri
• In grado di ricevere segnali GPS

Passaggio 10: file e crediti

Tutti i file necessari per creare il tuo PyonAir completo possono essere trovati su: https://su-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… (i file zip non possono essere caricati su Instructables, mi dispiace!) Il Gitbook include anche informazioni aggiuntive sull'hardware e sul software.

Titoli di coda

Progetto supervisionato dal dott. Steven J Ossont, dal dott. Phil Basford e da Florentin Bulot

Codice di Daneil Hausner e Peter Varga

Progettazione del circuito e istruzioni di Hazel Mitchell