PyonAir - Giám sát ô nhiễm không khí nguồn mở: 10 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:31

PyonAir là một hệ thống chi phí thấp để theo dõi mức độ ô nhiễm không khí tại địa phương - cụ thể là các chất dạng hạt. Dựa trên bo mạch Pycom LoPy4 và phần cứng tương thích với Grove, hệ thống có thể truyền dữ liệu qua cả LoRa và WiFi.

Tôi đã thực hiện dự án này tại Đại học Southampton, làm việc trong một nhóm các nhà nghiên cứu. Trách nhiệm chính của tôi là thiết kế và phát triển PCB. Đây là lần đầu tiên tôi sử dụng Eagle nên đây chắc chắn là một trải nghiệm học hỏi!

Mục tiêu của dự án PyonAir là triển khai một mạng lưới giám sát ô nhiễm IoT chi phí thấp sẽ cho phép chúng tôi thu thập thông tin quan trọng về sự phân bố và nguyên nhân gây ô nhiễm không khí. Trong khi có nhiều thiết bị theo dõi ô nhiễm trên thị trường, hầu hết chỉ cung cấp "Chỉ số Chất lượng Không khí", thay vì dữ liệu PM thô - đặc biệt là với giá cả phải chăng. Bằng cách làm cho dự án mã nguồn mở, với các hướng dẫn thiết lập dễ dàng, chúng tôi hy vọng có thể làm cho thiết bị PyonAir có thể truy cập được cho bất kỳ ai quan tâm đến chất lượng không khí, dù cá nhân hay chuyên nghiệp. Ví dụ, thiết bị này có thể được sử dụng để thu thập dữ liệu cho các dự án của sinh viên, tiến sĩ và các bên độc lập, giúp cho nghiên cứu quan trọng nổi tiếng về chi phí tăng cao trở nên khả thi hơn nhiều. Dự án cũng có thể được sử dụng cho các mục đích tiếp cận cộng đồng, giao tiếp với công chúng về chất lượng không khí tại địa phương của họ và các bước có thể được thực hiện để cải thiện nó.

Mục tiêu đơn giản và dễ sử dụng của chúng tôi đã truyền cảm hứng cho quyết định sử dụng hệ thống Grove làm xương sống cho thiết kế của chúng tôi. Một loạt các mô-đun tương thích sẽ cho phép người dùng hệ thống tùy chỉnh thiết bị PyonAir theo nhu cầu của họ mà không bị buộc phải thiết kế lại phần cứng cơ bản. Trong khi đó, LoPy4 của Pycom cung cấp nhiều tùy chọn cho giao tiếp không dây trong một gói duy nhất, gọn gàng.

Trong tài liệu hướng dẫn này, tôi sẽ mô tả hành trình thiết kế và các bước để sản xuất PCB, tiếp theo là hướng dẫn cách lắp ráp bộ PyonAir đầy đủ.

Quân nhu

Các thành phần:

• LoPy4: Bo mạch chính (https://pycom.io/product/lopy4/)
• PyonAirPCB: Kết nối dễ dàng với cảm biến Grove
• Plantower PMS5003: Cảm biến ô nhiễm không khí (https://shop.pimoroni.com/products/pms5003-particu…
• Sensirion SPS30: Cảm biến ô nhiễm không khí (https://www.mouser.co.uk/ProductDetail/Sensirion/SPS30?qs=lc2O%252bfHJPVbEPY0RBeZmPA==)
• Cảm biến SHT35: Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm (https://www.seeedstudio.com/Grove-I2C-High-Accurac…
• Đồng hồ thời gian thực: Đơn vị đồng hồ dự phòng (https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/hardware/…
• Mô-đun GPS: Bộ thu GPS cho thời gian và vị trí (https://www.seeedstudio.com/Grove-GPS-Module.html)
• Cáp Grove:
• Ăng-ten Pycom: Khả năng LoRa (https://pycom.io/product/lora-868mhz-915mhz-sigfox…
• Thẻ micro SD
• Nguồn cung cấp: Nguồn điện sơ cấp (Khuyến nghị:
• Vỏ: Hộp ABS chống chịu thời tiết IP66 115x90x65 mm (https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t…

Công cụ:

• Hàn sắt
• Đồng hồ vạn năng
• Tuốc nơ vít nhỏ
• Cáp FTDI (tùy chọn):

Bước 1: Giới thiệu về PCB

Đầu nối Grove là một tiêu chuẩn ngày càng phổ biến trong hệ sinh thái thiết bị điện tử theo sở thích. Các đầu nối plug-and-play giúp việc gắn và hoán đổi nhiều loại mô-đun trở nên dễ dàng và nhanh chóng mà không cần phải tháo khớp.

Trong khi đó, bo mạch LoPy4 của Pycom được chọn làm vi điều khiển chính cho PyonAir vì nó cung cấp 4 chế độ giao tiếp không dây: LoRa, Sigfox, WiFi & Bluetooth và được lập trình bằng MicroPython.

Arduino và Raspberry Pi đã hỗ trợ lá chắn kết nối Grove nhưng chưa có tấm chắn nào được phát hành cho hệ thống Pycom. Do đó, chúng tôi đã thiết kế bo mạch mở rộng PCB của riêng mình, phù hợp với bo mạch LoPy4. PCB chứa:

• 2 ổ cắm I2C (Cảm biến nhiệt độ & RTC)
• 3 ổ cắm UART (cảm biến 2x PM & GPS)
• Ghim cho dữ liệu USB
• Một mạch bóng bán dẫn để điều khiển công suất cho các cảm biến PM
• Một mạch bóng bán dẫn để điều khiển nguồn điện cho bộ thu GPS
• Khe cắm Micro SD
• Nút người dùng
• Đầu nối đầu vào nguồn (Đầu nối thùng, JST hoặc vít)
• Bộ điều chỉnh điện áp

Bước 2: PCB V1-V3

PCB V1

Nỗ lực đầu tiên của tôi đối với PCB dựa trên khái niệm "miếng dán", trong đó một PCB mỏng sẽ nằm giữa bảng LoPy và bảng mở rộng Pycom, chẳng hạn như Pytrack (xem bản vẽ CAD). Do đó, không có lỗ lắp và bo mạch rất cơ bản, chỉ có các đầu nối và một cặp bóng bán dẫn để bật hoặc tắt cảm biến PM.

Thành thật mà nói, có rất nhiều sai lầm với bảng này:

• Đường ray quá mỏng
• Không có máy bay mặt đất
• Định hướng bóng bán dẫn kỳ lạ
• Không gian không sử dụng
• Nhãn phiên bản được viết trong một lớp theo dõi, không phải màn hình lụa

PCB V2

Đến phiên bản V2, rõ ràng là chúng tôi cần PyonAir hoạt động mà không cần bảng mạch mở rộng, vì vậy đầu vào nguồn, thiết bị đầu cuối UART và khe cắm SD đã được thêm vào thiết kế.

Vấn đề:

• Đường ray vượt qua các vùng lỗ lắp
• Không có hướng dẫn định hướng LoPy
• Định hướng giắc cắm thùng DC không chính xác

PCB V3

Các thay đổi tương đối nhỏ đã được thực hiện giữa V2 và V3 - chủ yếu là các sửa đổi cho các vấn đề ở trên.

Bước 3: PCB V4

V4 có thiết kế lại hoàn toàn toàn bộ PCB, trong đó những thay đổi sau đã được thực hiện:

• Hầu hết mọi thành phần có thể được hàn bằng tay hoặc lắp ráp trước bằng PCBA
• Gắn lỗ ở các góc
• Các thành phần được nhóm thành các vùng "Thường trực", "Nguồn" và "Người dùng"

• Nhãn cho:

  • Dải điện áp đầu vào
  • Liên kết tài liệu
  • Vị trí đèn LED LoPy
• 2 tùy chọn giá đỡ SD
• Miếng kiểm tra
• Giắc cắm thùng DC có thể được gắn trên đầu hoặc bên dưới bảng
• Định tuyến tốt hơn
• Các thành phần được đóng gói hiệu quả hơn
• Các hàng tiêu đề nữ dài hơn đã được thêm vào, vì vậy người dùng sẽ có thể sử dụng tiêu đề 4x 8 chân, thay vì 2 cặp tiêu đề 8 chân và 6 chân, làm cho nó rẻ hơn một chút.

Bước 4: PCB V5

Phiên bản cuối cùng

Một vài điều chỉnh cuối cùng này đã được thực hiện cho V5 trước khi nó được Seeed Studio gửi cho sản xuất PCBA:

• Định tuyến thậm chí gọn gàng hơn
• Cải thiện định vị nhãn
• Liên kết trang web cập nhật
• Tấm lót lụa để dán nhãn PCB trong quá trình thử nghiệm
• Các góc tròn hơn (để phù hợp hơn với bao vây đã chọn)
• Chiều dài được điều chỉnh của PCB để phù hợp với đường ray bao vây

Bước 5: Cách tạo của riêng bạn: PCBA

Thay vào đó, nếu bạn dự định sản xuất ít hơn 5 PCB, hãy xem "Cách tự chế tạo: Hàn tay" (bước tiếp theo).

Đặt hàng PCBA từ Seeed Studio

1. Đăng nhập hoặc tạo tài khoản tại
2. Nhấp vào 'Đặt hàng ngay'.
3. Tải lên tệp Gerber.
4. Điều chỉnh cài đặt (số lượng PCB & độ hoàn thiện bề mặt: HASL Không Chì).
5. Thêm bản vẽ lắp ráp & chọn và đặt tệp.
6. Chọn số lượng PCBA.
7. Thêm BOM. (N. B: Nếu bạn muốn tự mình không hàn nó và không ngại chờ lâu hơn, bạn có thể thêm bộ điều chỉnh điện áp TSRN 1-2450 vào BOM.
8. Thêm vào giỏ hàng và đặt hàng!

Vui lòng truy cập: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… để biết các tệp cần thiết.

Hàn bộ điều chỉnh điện áp

Phần duy nhất yêu cầu hàn khi sử dụng dịch vụ PCBA của Seeed là bộ điều chỉnh điện áp TSRN 1-2450. Như đã đề cập ở trên, bạn có thể bao gồm điều này trong BOM lắp ráp nhưng nó có thể thêm nhiều thời gian hơn cho đơn đặt hàng.

Nếu bạn hài lòng khi hàn nó bằng tay, chỉ cần thêm bộ điều chỉnh vào vị trí được chỉ ra bởi màn hình lụa, đảm bảo hướng chính xác. Chấm trắng trên màn lụa phải thẳng hàng với chấm trắng trên bộ điều chỉnh (xem hình).

Bước 6: Cách làm của riêng bạn: Hàn tay

Thay vào đó, nếu bạn định sản xuất một số lượng lớn PCB, hãy xem "Cách tự sản xuất: PCBA" (bước trước).

Đặt hàng PCB

Bạn có thể mua PCB từ nhiều trang web, bao gồm Seeed Studio, với một số có thể giao hàng trong vòng chưa đầy một tuần. Chúng tôi đã sử dụng Seeed Fusion, nhưng các bước này sẽ rất giống với các trang khác.

1. Đăng nhập hoặc tạo tài khoản tại
2. Nhấp vào 'Đặt hàng ngay'.
3. Tải lên tệp Gerber.
4. Điều chỉnh cài đặt (Số lượng PCB & Lớp hoàn thiện bề mặt: HASL Không chì)
5. Thêm vào giỏ hàng và đặt hàng!

Vui lòng truy cập: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… để biết các tệp cần thiết.

Đặt hàng các bộ phận

Vì bảng có các miếng đệm bổ sung cho các tùy chọn lắp SMD / xuyên lỗ, bạn không cần phải điền mọi phần. Nếu bạn đang hàn bằng tay, cách dễ nhất là tránh tất cả các SMD bằng cách điền bảng theo bảng hiển thị trong hình.

N. B. Nếu bạn tự tin với một mỏ hàn, sẽ tiết kiệm không gian hơn và rẻ hơn khi sử dụng khe cắm Micro SD gắn trên bề mặt thay vì tiêu đề 8 chân + bảng ngắt.

Bước 7: Cách tạo của riêng bạn: Lắp ráp

Sửa đổi cáp Grove

Để kết nối các cảm biến PM của bạn với các đầu nối của lùm cây, bạn sẽ cần phải nối các cáp cảm biến vào các cáp của lùm cây, như thể hiện trong hình trên. Bạn có thể làm điều này bằng cách sử dụng uốn hoặc hàn và co nhiệt. Tùy thuộc vào cảm biến bạn sử dụng, bạn sẽ cần đảm bảo sơ đồ chân khớp với các đầu vào của PCB.

Các bước lắp ráp

1. Chọn một trong các đầu vào nguồn bạn muốn sử dụng (giắc cắm thùng / đầu nối JST / vít) và kết nối nguồn cung cấp thích hợp.
2. Sử dụng đồng hồ vạn năng để kiểm tra các miếng kiểm tra V_IN và 5V ở mặt sau của PCB.
3. Khi bạn hài lòng rằng bo mạch đã được cấp nguồn chính xác, hãy tháo nguồn điện. (Nếu không, hãy thử cung cấp điện thay thế)
4. Cắm LoPy4 vào các đầu cắm 16 chân, đảm bảo đèn LED ở trên cùng (như được hiển thị trên màn hình lụa). 4 lỗ dưới cùng của tiêu đề không được sử dụng.
5. Kết nối từng thiết bị Grove vào các ổ cắm phù hợp trên PCB.
6. Cắm thẻ micro SD.
7. Kết nối lại nguồn điện. Đèn LED trên LoPy4 và GPS đều sẽ bật.
8. Sử dụng đồng hồ vạn năng để kiểm tra các miếng thử nghiệm còn lại ở mặt sau của PCB.
9. PyonAir của bạn bây giờ đã sẵn sàng để lập trình!

N. B. Đảm bảo rằng bạn đã làm trống thẻ SD và định dạng nó thành FAT32 trước khi cắm nó vào bảng.

CẢNH BÁO: Chỉ nên kết nối một nguồn điện tại một thời điểm. Việc kết nối nhiều nguồn cung cấp cùng một lúc có thể làm cạn pin hoặc mất nguồn điện chính!

Bước 8: Cách tạo của riêng bạn: Phần mềm

Để phát triển phần mềm, chúng tôi đã sử dụng Atom và pymakr. Cả hai đều là mã nguồn mở và sẽ hoạt động trên hầu hết các máy tính. Chúng tôi khuyên bạn nên cài đặt những thứ này trước khi tải xuống mã cho bo mạch LoPy4.

Pycom khuyên bạn nên cập nhật chương trình cơ sở của thiết bị của họ trước khi cố gắng sử dụng chúng. Hướng dẫn đầy đủ về cách làm như vậy có thể được tìm thấy tại đây:

Cài đặt

1. Để thiết bị cảm biến PM của bạn được thiết lập và chạy, hãy tải xuống phiên bản mã mới nhất của chúng tôi từ GitHub: https://github.com/pyonair/PyonAir-pycom Đảm bảo rằng bạn giải nén tất cả các tệp vào một vị trí thuận tiện trên PC hoặc máy tính xách tay của mình và tránh đổi tên bất kỳ tệp nào.
2. Mở Atom và đóng bất kỳ tệp hiện tại nào bằng cách nhấp chuột phải vào thư mục cấp cao nhất và nhấp vào "Xóa Thư mục Dự án" trong menu xuất hiện.
3. Đi tới Tệp> Mở Thư mục và chọn thư mục "lopy". Tất cả các tệp và thư mục được chứa sẽ xuất hiện trong ngăn "Dự án" ở bên trái trong Atom.
4. Cắm PyonAir PCB vào PC hoặc máy tính xách tay của bạn bằng cáp FTDI-USB và các chân RX, TX và GND trên tiêu đề bên phải bo mạch.
5. Bảng sẽ hiển thị trong Atom và kết nối tự động.
6. Để tải lên mã, chỉ cần nhấp vào nút "Tải lên" trong ngăn dưới cùng. Quá trình này có thể mất vài phút, tùy thuộc vào số lượng tệp cần được xóa và cài đặt. Sau khi tải lên thành công, nhấn Ctrl + c trên bàn phím của bạn để dừng mã, sau đó rút cáp FTDI-USB.

Cấu hình

Khi bạn thiết lập một thiết bị mới lần đầu tiên hoặc nếu bạn muốn thay đổi bất kỳ cài đặt nào, bạn sẽ cần phải định cấu hình thiết bị đó qua WiFi.

1. Tháo màn hình ô nhiễm không khí của bạn khỏi bất kỳ trường hợp nào để bạn có thể truy cập vào nút người dùng.
2. Chuẩn bị điện thoại hoặc máy tính có thể kết nối với mạng WiFi cục bộ.
3. Cấp nguồn cho thiết bị PyonAir.
4. Khi thiết lập thiết bị lần đầu tiên, thiết bị sẽ tự động chuyển sang chế độ cấu hình, được biểu thị bằng đèn LED màu xanh lam nhấp nháy. Nếu không, hãy nhấn và giữ nút người dùng trên PCB của ổ cắm Grove (có nhãn CONFIG) trong 3 giây. Đèn LED RGB sẽ chuyển sang màu xanh lam đồng nhất.
5. Kết nối với WiFi của thiết bị PyonAir. (Cái này sẽ được đặt tên là 'NewPyonAir' hoặc bất kỳ cái gì bạn đã đặt tên cho thiết bị trước đó.) Mật khẩu là 'newpyonair'.
6. Nhập https://192.168.4.10/ vào trình duyệt web của bạn. Trang cấu hình sẽ xuất hiện.
7. Điền vào tất cả các trường bắt buộc trên trang và nhấp vào 'Lưu' khi hoàn tất. (Bạn sẽ cần cung cấp chi tiết kết nối với LoRa và WiFi, chỉ định một ID duy nhất cho mỗi cảm biến và chỉ định tùy chọn của bạn liên quan đến việc thu thập dữ liệu.)
8. Thiết bị PyonAir bây giờ sẽ khởi động lại và sẽ sử dụng các cài đặt bạn đã cung cấp.

Để kết nối thiết bị của bạn với LoRa, hãy đăng ký thiết bị qua The Things Network. Tạo thiết bị mới với EUI thiết bị được hiển thị trong trang cấu hình và sao chép EUI ứng dụng và Khóa ứng dụng từ TTN vào các cấu hình.

Pybytes là trung tâm IoT trực tuyến của Pycom, qua đó bạn có thể cập nhật chương trình cơ sở, thực hiện cập nhật OTA và trực quan hóa dữ liệu từ các thiết bị được kết nối. Trước tiên, bạn cần đăng nhập hoặc tạo tài khoản tại đây: https://pyauth.pybytes.pycom.io/login sau đó làm theo các bước để đăng ký một thiết bị mới.

Thử nghiệm

Cách dễ nhất để kiểm tra xem máy theo dõi ô nhiễm không khí của bạn có hoạt động chính xác hay không là sử dụng cáp FTDI-USB và đầu cắm chân RX, TX & GND trên Grove Socket PCB. Kết nối thiết bị theo cách này cho phép bạn xem tất cả các tin nhắn và bài đọc trong Atom.

Đèn LED RGB trên bảng LoPy hiển thị trạng thái của bảng:

• Khởi tạo = Amber
• Khởi tạo thành công = Đèn xanh nhấp nháy hai lần
• Không thể truy cập thẻ SD = Đèn đỏ nhấp nháy ngay sau khi khởi động
• Vấn đề khác = Đèn đỏ nhấp nháy trong quá trình khởi chạy
• Lỗi thời gian chạy = Nhấp nháy màu đỏ

Theo mặc định, dữ liệu từ PyonAir sẽ được gửi đến máy chủ của Đại học Southampton. Bạn có thể chỉnh sửa mã trước khi triển khai thiết bị để chuyển hướng nó đến vị trí bạn chọn.

Bước 9: Cách tạo của riêng bạn: Triển khai

Bây giờ thiết bị giám sát ô nhiễm không khí của bạn đã được cấu hình đầy đủ, bạn đã sẵn sàng triển khai thiết bị!

Lời khuyên trường hợp

Vỏ mà chúng tôi chọn cho các thiết bị của mình là: https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t… Tuy nhiên, vui lòng mua một vỏ khác hoặc thiết kế của riêng bạn. Tệp SolidWorks cho hầu hết phần cứng chúng tôi sử dụng được cung cấp trong phần Thông tin bổ sung, để trợ giúp thiết kế các trường hợp tùy chỉnh. Một phương pháp được đề xuất để bố trí các cảm biến và lỗ khoét trong vỏ cũng được trình bày trong hình trên.

Chỉ cần nhớ rằng trường hợp của bạn nên:

• Bảo vệ thiết bị điện tử khỏi nước và bụi
• Cho phép gắn thiết bị tại chỗ
• Cho phép không khí tiếp cận (các) cảm biến PM
• Ngăn chặn các thiết bị điện tử quá nóng
• Giữ thiết bị điện tử an toàn bên trong hộp

Dịch vụ định vị

Một địa điểm triển khai lý tưởng sẽ đáp ứng đầy đủ các tiêu chí sau:

• Trong một khu vực quan tâm đến ô nhiễm không khí
• Ngoài ánh nắng trực tiếp
• Trong phạm vi của cổng LoRa
• Trong phạm vi của WiFi
• Gần nguồn điện
• Điểm gắn kết an toàn
• Có thể nhận tín hiệu GPS

Bước 10: Tệp & Tín dụng

Bạn có thể tìm thấy tất cả các tệp bạn cần để tạo PyonAir đầy đủ của riêng mình tại: https://su-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… (Rất tiếc, bạn không thể tải tệp Zip lên Guiductables!) Gitbook cũng bao gồm thông tin bổ sung về phần cứng và phần mềm.

Tín dụng

Dự án được giám sát bởi Tiến sĩ Steven J Ossont, Tiến sĩ Phil Basford & Florentin Bulot

Code của Daneil Hausner & Peter Varga

Thiết kế và hướng dẫn vi mạch của Hazel Mitchell