PyonAir - Açık Kaynak Hava Kirliliği Monitörü: 10 Adım (Resimlerle)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:17

PyonAir, yerel hava kirliliği seviyelerini, özellikle de partikül maddeyi izlemek için düşük maliyetli bir sistemdir. Pycom LoPy4 kartına ve Grove uyumlu donanıma dayanan sistem, verileri hem LoRa hem de WiFi üzerinden iletebilir.

Bu projeyi Southampton Üniversitesi'nde bir araştırma ekibinde çalışarak üstlendim. Birincil sorumluluğum PCB'nin tasarımı ve geliştirilmesiydi. Bu, Eagle'ı ilk kullanışımdı, bu yüzden kesinlikle bir öğrenme deneyimiydi!

PyonAir projesinin amacı, hava kirliliğinin dağılımı ve nedenleri hakkında önemli bilgiler toplamamıza olanak sağlayacak düşük maliyetli, IoT kirlilik monitörlerinden oluşan bir ağ kurmaktır. Piyasada çok sayıda kirlilik monitörü bulunmasına rağmen, çoğu, özellikle uygun fiyatlarla, ham PM verileri yerine yalnızca "Hava Kalitesi İndeksi" sunar. Projeyi kolay kurulum talimatlarıyla açık kaynaklı hale getirerek, PyonAir cihazını kişisel veya profesyonel olarak hava kalitesiyle ilgilenen herkes için erişilebilir hale getirmeyi umuyoruz. Örneğin, bu cihaz öğrenci projeleri, doktoralar ve bağımsız taraflar için veri toplamak için kullanılabilir ve bu da artan maliyetlerle tanınan hayati araştırmaları çok daha erişilebilir hale getirir. Proje ayrıca, yerel hava kalitesi ve bunu iyileştirmek için atılabilecek adımlar hakkında halkla iletişim kurarak sosyal yardım amacıyla da kullanılabilir.

Basitlik ve kullanım kolaylığı hedeflerimiz, Grove sistemini tasarımımızın omurgası olarak kullanma kararımıza ilham verdi. Geniş kapsamlı uyumlu modüller, sistem kullanıcılarının temel donanımı yeniden tasarlamaya zorlanmadan PyonAir cihazını ihtiyaçlarına göre özelleştirmesine olanak tanır. Bu arada, Pycom'un LoPy4, kablosuz iletişim için tek ve düzenli bir pakette birden fazla seçenek sunar.

Bu talimatta, PCB'yi üretmek için tasarım yolculuğunu ve adımlarını ve ardından tam PyonAir ünitesinin nasıl monte edileceğine ilişkin talimatları açıklayacağım.

Gereçler

Bileşenler:

• LoPy4: Ana kart (https://pycom.io/product/lopy4/)
• PyonAirPCB: Grove sensörlerine kolay bağlantı
• Plantower PMS5003: Hava kirliliği sensörü (https://shop.pimoroni.com/products/pms5003-particu…
• Sensirion SPS30: Hava kirliliği sensörü (https://www.mouser.co.uk/ProductDetail/Sensirion/SPS30?qs=lc2O%252bfHJPVbEPY0RBeZmPA==)
• SHT35 sensörü: Sıcaklık ve nem sensörü (https://www.seeedstudio.com/Grove-I2C-High-Accurac…
• Gerçek Zamanlı Saat: Yedek saat birimi (https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/hardware/…
• GPS modülü: Zaman ve konum için GPS alıcısı (https://www.seeedstudio.com/Grove-GPS-Module.html)
• Grove kabloları:
• Pycom anteni: LoRa özelliği (https://pycom.io/product/lora-868mhz-915mhz-sigfox…
• Mikro SD kart
• Güç kaynağı: Birincil güç kaynağı (Önerilen:
• Kasa: IP66 115x90x65 mm hava koşullarına dayanıklı ABS kutu (https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t…

Aletler:

• Havya
• multimetre
• Küçük tornavida
• FTDI kablosu (isteğe bağlı):

Adım 1: PCB Hakkında

Grove konektörler, hobi elektronik ekosisteminde giderek daha popüler bir standarttır. Tak ve çalıştır konektörler, çok çeşitli modüllerin kolay ve hızlı bir şekilde takılmasını ve değiştirilmesini, bağlantıların yeniden lehimlenmesine gerek kalmadan kolaylaştırır.

Bu arada, 4 kablosuz iletişim modu sunduğundan ve MicroPython kullanılarak programlandığından Pycom'un LoPy4 kartı PyonAir için ana mikro denetleyici olarak seçildi.

Arduino ve Raspberry Pi, Grove konektör kalkanlarını zaten destekliyor ancak hiçbiri Pycom sistemi için piyasaya sürülmemişti. Bu nedenle, LoPy4 kartına uyan kendi genişletme kartı PCB'mizi tasarladık. PCB şunları içerir:

• 2 I2C soketi (Sıcaklık sensörü ve RTC)
• 3 UART soketi (2x PM sensörü ve GPS)
• USB verileri için pinler
• PM sensörlerine giden gücü kontrol etmek için bir transistör devreleri
• GPS alıcısına giden gücü kontrol etmek için bir transistör devresi
• Mikro SD yuvası
• Kullanıcı düğmesi
• Güç girişi konnektörleri (Barrel, JST veya vidalı terminal)
• Voltaj regülatörü

Adım 2: PCB V1-V3

PCB V1

PCB'deki ilk denemem, LoPy kartı ile Pycom genişletme kartı arasına ince bir PCB'nin sığacağı, örneğin Pytrack (CAD çizimine bakın) bir "şim" konseptine dayanıyordu. Bu nedenle, montaj deliği yoktu ve kart çok basitti, sadece PM sensörlerini açıp kapatmak için konektörler ve bir çift transistör içeriyordu.

Dürüst olmak gerekirse, bu tahtada çok fazla yanlış vardı:

• İzler çok inceydi
• Yer düzlemi yok
• Garip transistör yönelimleri
• kullanılmayan alan
• Sürüm etiketi, serigrafide değil, bir parça katmanında yazılmıştır.

PCB V2

V2 ile birlikte, PyonAir'in genişleme kartı olmadan çalışmasına ihtiyacımız olduğu ortaya çıktı, bu nedenle tasarıma güç girişleri, bir UART terminali ve bir SD yuvası eklendi.

Sorunlar:

• Çapraz montaj deliği bölgelerini izler
• LoPy yönlendirme kılavuzu yok
• Yanlış DC varil jakı yönü

PCB V3

V2 ve V3 arasında nispeten küçük değişiklikler yapıldı - çoğunlukla yukarıdaki sorunlara yönelik düzeltmeler.

Adım 3: PCB V4

V4, aşağıdaki değişikliklerin yapıldığı tüm PCB'nin tamamen yeniden tasarlanmasını içeriyordu:

• Hemen hemen her bileşen elle lehimlenebilir veya PCBA kullanılarak önceden monte edilebilir
• Köşelerde montaj delikleri
• "Kalıcı", "Güç" ve "Kullanıcı" bölgeleri olarak gruplandırılmış bileşenler

• Etiketler:

  • Giriş Gerilimi Aralığı
  • Dokümantasyon bağlantısı
  • LoPy LED konumu
• 2 SD tutucu seçeneği
• Test pedleri
• DC varil jakı, kartın üstüne veya altına monte edilebilir
• Daha iyi yönlendirme
• Daha verimli paketlenmiş bileşenler
• Daha uzun dişi başlık satırları eklendi, böylece bir kullanıcı 2 çift 8-pin ve 6-pin başlık yerine 4x 8-pin başlık kullanabilecek ve bu da onu biraz daha ucuz hale getiriyor.

Adım 4: PCB V5

Son versiyon

Bu son birkaç ayarlama, Seeed Studio tarafından PCBA üretimi için gönderilmeden önce V5'te yapıldı:

• Daha düzenli yönlendirme
• Geliştirilmiş etiket konumlandırma
• Güncellenmiş web sitesi bağlantısı
• Test sırasında PCB'leri etiketlemek için serigrafi pedleri
• Daha yuvarlak köşeler (seçilen muhafazaya daha iyi oturması için)
• Muhafaza raylarına uyacak şekilde ayarlanmış PCB uzunluğu

Adım 5: Kendiniz Nasıl Yapılır: PCBA

5'ten az PCB üretmeyi planlıyorsanız, bunun yerine "Kendinizi nasıl yapabilirsiniz: Elle Lehimleme" (sonraki adım) bölümüne bakın.

Seeed Studio'dan PCBA Siparişi

1. https://www.seeedstudio.com/fusion.html adresinde oturum açın veya bir hesap oluşturun
2. 'Şimdi Sipariş Ver'e tıklayın.
3. Gerber dosyalarını yükleyin.
4. Ayarları yapın (PCB miktarı ve yüzey kalitesi: HASL Kurşunsuz).
5. Montaj çizimi ekleyin ve dosyayı alın ve yerleştirin.
6. PCBA miktarını seçin.
7. Malzeme Listesini ekleyin. (NOT: Kendiniz lehimlemekten kaçınmak istiyorsanız ve daha uzun beklemeyi dert etmiyorsanız ürün reçetesine TSRN 1-2450 voltaj regülatörü ekleyebilirsiniz.
8. Sepete ekle ve sipariş ver!

Gerekli dosyalar için lütfen https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… adresini ziyaret edin.

Voltaj regülatörünün lehimlenmesi

Seeed'in PCBA servisini kullanırken lehimleme gerektiren tek parça TSRN 1-2450 voltaj regülatörüdür. Yukarıda belirtildiği gibi, bunu montaj ürün reçetesine dahil edebilirsiniz ancak siparişe çok daha fazla zaman kazandırabilir.

Elle lehimlemekten memnunsanız, yönlendirmenin doğru olduğundan emin olarak regülatörü serigrafi ile gösterilen yere eklemeniz yeterlidir. Serigrafi üzerindeki beyaz nokta, regülatör üzerindeki beyaz nokta ile aynı hizada olmalıdır (resme bakın).

Adım 6: Kendiniz Nasıl Yapabilirsiniz: Elle Lehimleme

Çok sayıda PCB üretmeyi planlıyorsanız, bunun yerine "Kendinizi nasıl yaparsınız: PCBA" (önceki adım) bölümüne bakın.

PCB sipariş etme

Bazıları bir haftadan kısa sürede teslim edilebilen, Seeed Studio da dahil olmak üzere birçok web sitesinden PCB satın alabilirsiniz. Seeed Fusion kullandık, ancak bu adımlar diğer sitelere çok benzer olmalıdır.

1. https://www.seeedstudio.com/fusion.html adresinde oturum açın veya bir hesap oluşturun
2. 'Şimdi Sipariş Ver'e tıklayın.
3. Gerber Dosyalarını Yükleyin.
4. Ayarları yapın (PCB miktarı ve Yüzey kalitesi: HASL Kurşunsuz)
5. Sepete ekle ve sipariş ver!

Gerekli dosyalar için lütfen https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… adresini ziyaret edin.

Parça siparişi

Kartta SMD/delikten montaj seçenekleri için ek pedler bulunduğundan, her parçayı doldurmanız gerekmez. El ile lehim yapıyorsanız, panoyu resimlerde gösterilen tabloya göre doldurarak tüm SMD'lerden kaçınmak en kolay yoldur.

not Bir havyaya güveniyorsanız, 8 pinli başlık + koparma kartı yerine yüzeye monte Micro SD yuvası kullanmak daha az yer kaplar ve daha ucuzdur.

Adım 7: Kendiniz Nasıl Yapabilirsiniz: Montaj

Grove kablo modifikasyonları

PM sensörlerinizi oluk konektörlerine bağlamak için, yukarıdaki resimde gösterildiği gibi sensör kablolarını oluk kablolarına eklemeniz gerekir. Bunu kıvrım veya lehim ve ısıyla büzüşen kullanarak yapabilirsiniz. Kullandığınız sensöre bağlı olarak, pin çıkışının PCB girişleriyle eşleştiğinden emin olmanız gerekir.

Montaj adımları

1. Güç girişlerinden hangisini kullanmak istediğinizi seçin (varil jakı / JST / vidalı terminal) ve uygun kaynağı bağlayın.
2. PCB'nin arkasındaki V_IN ve 5V test pedlerini kontrol etmek için bir multimetre kullanın.
3. Anakarta doğru şekilde güç verildiğinden memnun olduğunuzda, güç kaynağını çıkarın. (Alternatif güç kaynağını denemezseniz)
4. LoPy4'ü 16 pinli başlıklara takın, LED'in üstte olduğundan emin olun (seri ekranda gösterildiği gibi). Başlıklardaki alt 4 delik kullanılmamıştır.
5. Grove cihazlarının her birini PCB üzerindeki eşleşen soketlere bağlayın.
6. Mikro SD kartı takın.
7. Güç kaynağını yeniden bağlayın. LoPy4 ve GPS üzerindeki LED'lerin her ikisi de yanmalıdır.
8. PCB'nin arkasındaki kalan test pedlerini kontrol etmek için bir multimetre kullanın.
9. PyonAir'iniz artık programlamaya hazır olmalıdır!

not Anakarta takmadan önce SD kartı boşalttığınızdan ve FAT32 olarak biçimlendirdiğinizden emin olun.

UYARI: Bir seferde yalnızca bir güç kaynağı bağlayın. Aynı anda birden fazla sarf malzemesinin bağlanması, pilin veya şebeke gücünün kısa devre yapmasına neden olabilir!

8. Adım: Kendi Yazılımınızı Nasıl Yapabilirsiniz: Yazılım

Yazılım geliştirmemiz için Atom ve pymakr kullandık. Bunların ikisi de açık kaynaklıdır ve çoğu bilgisayarda çalışması gerekir. Bunları LoPy4 kartının kodunu indirmeden önce kurmanızı öneririz.

Pycom, kullanmaya çalışmadan önce cihazlarının donanım yazılımını güncellemenizi önerir. Bunun nasıl yapılacağına ilişkin tüm talimatlar burada bulunabilir:

Kurulum

1. PM sensör cihazınızı çalışır duruma getirmek için GitHub'dan kodumuzun en son sürümünü indirin: https://github.com/pyonair/PyonAir-pycom Tüm dosyaları PC veya dizüstü bilgisayarınızda uygun bir konuma çıkardığınızdan emin olun. ve herhangi bir dosyayı yeniden adlandırmaktan kaçının.
2. Atom'u açın ve en üstteki klasöre sağ tıklayıp beliren menüde "Proje Klasörünü Kaldır"a tıklayarak mevcut dosyaları kapatın.
3. Dosya > Klasörü Aç'a gidin ve "lopy" klasörünü seçin. İçerilen tüm dosya ve klasörler, Atom'da soldaki "Proje" bölmesinde görünmelidir.
4. PyonAir PCB'yi bir FTDI-USB kablosu ve kartın sağındaki başlıktaki RX, TX ve GND pinlerini kullanarak PC'nize veya dizüstü bilgisayarınıza takın.
5. Kart Atom'da görünmeli ve otomatik olarak bağlanmalıdır.
6. Kodu yüklemek için alt bölmedeki "Yükle" düğmesini tıklamanız yeterlidir. İşlem, kaç dosyanın kaldırılması ve yüklenmesi gerektiğine bağlı olarak birkaç dakika sürebilir. Yükleme başarılı olduğunda, kodu durdurmak için klavyenizdeki Ctrl + c tuşlarına basın, ardından FTDI-USB kablosunu çıkarın.

Yapılandırma

Yeni bir cihazı ilk kez kurduğunuzda veya herhangi bir ayarı değiştirmek istediğinizde, WiFi üzerinden yapılandırmanız gerekecektir.

1. Kullanıcı düğmesine erişebilmeniz için hava kirliliği monitörünüzü herhangi bir durumda çıkarın.
2. Yerel WiFi ağlarına bağlanabilen bir telefon veya bilgisayar hazırlayın.
3. PyonAir cihazına güç verin.
4. Cihazı ilk kez kurarken, kendini otomatik olarak mavi LED'in yanıp sönmesiyle gösterilen konfigürasyon moduna geçmelidir. Aksi takdirde, Grove soket PCB'sindeki (CONFIG etiketli) kullanıcı düğmesini 3 saniye basılı tutun. RGB LED sabit maviye dönmelidir.
5. PyonAir cihazının WiFi'sine bağlanın. (Bu, 'NewPyonAir' olarak adlandırılacaktır veya cihaza daha önce ne ad verdiyseniz.) Parola 'newpyonair'dir.
6. Web tarayıcınıza https://192.168.4.10/ girin. Yapılandırma sayfası görünmelidir.
7. Sayfadaki tüm gerekli alanları doldurun ve bitirdiğinizde 'Kaydet'i tıklayın. (LoRa ve WiFi'ye bağlantı ayrıntılarını sağlamanız, her sensöre benzersiz bir kimlik atamanız ve veri toplamayla ilgili tercihlerinizi belirtmeniz gerekecektir.)
8. PyonAir cihazı şimdi yeniden başlatılmalı ve sağladığınız ayarları kullanacaktır.

Cihazınızı LoRa'ya bağlamak için The Things Network üzerinden kaydedin. Yapılandırma sayfasında gösterilen Cihaz EUI'si ile yeni bir cihaz oluşturun ve Uygulama EUI'sini ve Uygulama Anahtarını TTN'den konfigürasyonlara kopyalayın.

Pybytes, Pycom'un aygıt yazılımını güncelleyebileceğiniz, OTA güncellemelerini gerçekleştirebileceğiniz ve bağlı cihazlardan gelen verileri görselleştirebileceğiniz çevrimiçi IoT merkezidir. Öncelikle, burada oturum açmanız veya bir hesap oluşturmanız gerekir: https://pyauth.pybytes.pycom.io/login ardından yeni bir cihaz kaydetmek için adımları izleyin.

Test yapmak

Hava kirliliği monitörünüzün doğru çalıştığını test etmenin en kolay yolu, Grove Soket PCB üzerinde bir FTDI-USB kablosu ve RX, TX & GND pin başlıklarını kullanmaktır. Cihazı bu şekilde bağlamak, Atom'daki tüm mesajları ve okumaları görmenizi sağlar.

LoPy kartındaki RGB LED, kartın durumunu gösterir:

• Başlatma = Amber
• Başlatma başarılı = Yeşil ışık iki kez yanıp sönüyor
• SD karta erişilemiyor = Önyüklemeden hemen sonra kırmızı ışık yanıp sönüyor
• Diğer sorun = Başlatma sırasında kırmızı ışık yanıp sönüyor
• Çalışma zamanı hataları = Kırmızı yanıp sönüyor

Varsayılan olarak, PyonAir'den gelen veriler University of Southampton'ın sunucusuna gönderilecektir. Cihazı, seçtiğiniz bir konuma yönlendirmek için dağıtmadan önce kodu düzenleyebilirsiniz.

9. Adım: Kendiniz Nasıl Yapabilirsiniz: Dağıtım

Artık hava kirliliği monitörünüz tamamen yapılandırıldığına göre, cihazı yerleştirmeye hazır olmalısınız!

Vaka tavsiyesi

Cihazlarımız için seçtiğimiz kasa şuydu: https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t… Ancak, farklı bir kasa satın almaktan veya kendi kasanızı tasarlamaktan çekinmeyin. Kullandığımız donanımların çoğuna ilişkin SolidWorks dosyaları, özel durumların tasarlanmasına yardımcı olmak için Ekstra Bilgi bölümünde sağlanmıştır. Sensörleri düzenlemek ve kasadaki delikleri kesmek için önerilen bir yöntem de yukarıdaki resimde gösterilmektedir.

Sadece davanızın şunları yapması gerektiğini unutmayın:

• Elektroniği su ve tozdan koruyun
• Cihazın yerinde montajına izin ver
• Havanın PM sensör(ler)ine ulaşmasına izin verin
• Elektroniklerin aşırı ısınmasını önleyin
• Elektronik aksamı kasanın içinde güvenli bir şekilde tutun

Konum tavsiyesi

İdeal bir dağıtım konumu aşağıdaki kriterleri karşılayacaktır:

• Hava kirliliğinin ilgi gösterdiği bir bölgede
• Doğrudan güneş ışığı dışında
• LoRa ağ geçidinin menzili içinde
• WiFi kapsama alanı içinde
• Bir güç kaynağına yakın
• Güvenli montaj noktaları
• GPS sinyallerini alabilir

Adım 10: Dosyalar ve Krediler

Kendi tam PyonAir'inizi yapmak için ihtiyacınız olan tüm dosyalar şu adreste bulunabilir: https://su-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… (Zip dosyaları Instructables'a yüklenemez, üzgünüm!) Gitbook ayrıca donanım ve yazılım hakkında ek bilgiler içerir.

Kredi

Dr Steven J Ossont, Dr Phil Basford ve Florentin Bulot tarafından denetlenen proje

Kod Daneil Hausner ve Peter Varga

Hazel Mitchell tarafından devre tasarımı ve talimatları