PyonAir - یک منبع باز آلودگی هوا: 10 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:53

PyonAir یک سیستم کم هزینه برای نظارت بر سطح آلودگی هوای محلی - به ویژه ، ذرات معلق است. بر اساس برد Pycom LoPy4 و سخت افزار سازگار با Grove ، این سیستم می تواند داده ها را از طریق LoRa و WiFi منتقل کند.

من این پروژه را در دانشگاه ساوتهمپتون و در تیمی از محققان انجام دادم. مسئولیت اصلی من طراحی و توسعه PCB بود. این اولین بار بود که از Eagle استفاده می کردم ، بنابراین قطعاً یک تجربه یادگیری بود!

هدف پروژه PyonAir استقرار شبکه ای از مانیتورهای ارزان قیمت آلودگی اینترنت اشیا است که به ما امکان می دهد اطلاعات مهمی در مورد توزیع و علل آلودگی هوا جمع آوری کنیم. در حالی که مانیتورهای آلودگی زیادی در بازار وجود دارد ، اکثر آنها به جای داده های خام PM - به ویژه با قیمت مقرون به صرفه ، "شاخص کیفیت هوا" را ارائه می دهند. با ایجاد منبع باز پروژه ، با دستورالعمل های آسان راه اندازی ، امیدواریم دستگاه PyonAir را برای هر کسی که علاقه مند به کیفیت هوا است ، به صورت شخصی یا حرفه ای ، در دسترس قرار دهیم. به عنوان مثال ، این دستگاه می تواند برای جمع آوری داده ها برای پروژه های دانشجویی ، دکترا و احزاب مستقل مورد استفاده قرار گیرد ، بنابراین تحقیقات حیاتی که دارای شهرت بالا هستند هزینه های بسیار بیشتری را قابل دستیابی می کند. این پروژه همچنین ممکن است برای اهداف تبلیغاتی ، برقراری ارتباط با مردم در مورد کیفیت هوای محلی آنها و اقدامات لازم برای بهبود آن استفاده شود.

اهداف ما از سادگی و سهولت استفاده از تصمیم ما برای استفاده از سیستم Grove به عنوان ستون فقرات طراحی ما الهام گرفته است. طیف گسترده ای از ماژول های سازگار به کاربران سیستم اجازه می دهد تا دستگاه PyonAir را بر اساس نیاز خود سفارشی کنند ، بدون اینکه مجبور به طراحی مجدد سخت افزار اساسی شوند. در همین حال ، LoPy4 Pycom گزینه های متعددی را برای ارتباط بی سیم در یک بسته واحد و مرتب ارائه می دهد.

در این مقاله آموزشی ، من طراحي مراحل و مراحل ساخت PCB را شرح خواهم داد ، و سپس دستورالعمل های مربوط به نحوه مونتاژ واحد کامل PyonAir را شرح خواهم داد.

تدارکات

اجزاء:

• LoPy4: صفحه اصلی (https://pycom.io/product/lopy4/)
• PyonAirPCB: اتصال آسان به سنسورهای Grove
• Plantower PMS5003: سنسور آلودگی هوا (https://shop.pimoroni.com/products/pms5003-particu…
• Sensirion SPS30: سنسور آلودگی هوا (https://www.mouser.co.uk/ProductDetail/Sensirion/SPS30؟qs=lc2O٪252bfHJPVbEPY0RBeZmPA==)
• سنسور SHT35: سنسور دما و رطوبت (https://www.seeedstudio.com/Grove-I2C-High-Accurac…
• ساعت واقعی: واحد ساعت پشتیبان (https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/hardware/…
• ماژول GPS: گیرنده GPS برای زمان و مکان (https://www.seeedstudio.com/Grove-GPS-Module.html)
• کابل های گروو:
• آنتن Pycom: قابلیت LoRa (https://pycom.io/product/lora-868mhz-915mhz-sigfox…
• کارت MicroSD
• منبع تغذیه: منبع تغذیه اولیه (توصیه می شود:
• قاب: IP66 جعبه ABS مقاوم در برابر آب 115x90x65 میلی متر (https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055؟ul_noapp=t…

ابزارها:

• آهن لحیم کاری
• مولتی متر
• پیچ گوشتی کوچک
• کابل FTDI (اختیاری):

مرحله 1: درباره PCB

کانکتورهای Grove یک استاندارد روزافزون در اکوسیستم علاقه مندان به وسایل الکترونیکی هستند. اتصالات plug-and-play اتصال و تعویض طیف وسیعی از ماژول ها را آسان و سریع می کند و نیازی به اتصال مجدد اتصالات نیست.

در همین حال ، برد LoPy4 Pycom به عنوان میکروکنترلر اصلی PyonAir انتخاب شد زیرا 4 حالت ارتباط بی سیم ارائه می دهد: LoRa ، Sigfox ، WiFi & Bluetooth و با استفاده از MicroPython برنامه ریزی شده است.

Arduino و Raspberry Pi قبلاً از محافظ اتصال Grove پشتیبانی می کنند ، اما هنوز هیچ کدام برای سیستم Pycom منتشر نشده است. بنابراین ، ما PCB برد توسعه خود را طراحی کردیم که بر روی برد LoPy4 مناسب است. PCB شامل موارد زیر است:

• 2 سوکت I2C (سنسور دما و RTC)
• 3 سوکت UART (سنسور 2x PM و GPS)
• پین برای داده های USB
• مدارهای ترانزیستوری برای کنترل قدرت سنسورهای PM
• مدار ترانزیستوری برای کنترل قدرت گیرنده GPS
• اسلات Micro SD
• دکمه کاربر
• اتصالات ورودی برق (بشکه ، JST یا ترمینال پیچ)
• تنظیم کننده ولتاژ

مرحله 2: PCB V1-V3

PCB V1

اولین تلاش من برای PCB بر اساس یک مفهوم "shim" بود ، جایی که یک PCB نازک بین برد LoPy و یک برد توسعه Pycom ، مانند Pytrack قرار می گرفت (به نقشه CAD مراجعه کنید). به این ترتیب ، هیچ سوراخ نصب وجود نداشت و برد بسیار ساده بود و فقط کانکتورها و یک جفت ترانزیستور برای روشن یا خاموش کردن سنسورهای PM را شامل می شد.

اگر بخواهم صادقانه بگویم ، این تخته خیلی اشتباه داشت:

• آهنگها خیلی نازک بودند
• بدون هواپیمای زمینی
• جهت گیری های عجیب ترانزیستور
• فضای استفاده نشده
• برچسب نسخه در یک لایه آهنگ نوشته شده بود ، نه صفحه ابریشم

PCB V2

در V2 ، مشخص شد که ما به PyonAir نیاز داریم تا بدون برد توسعه کار کند ، بنابراین ورودی های برق ، ترمینال UART و یک اسلات SD به طراحی اضافه شد.

مسائل:

• مسیرهای عبور از مناطق سوراخ نصب
• راهنمای جهت گیری LoPy وجود ندارد
• جهت گیری جک بشکه DC اشتباه است

PCB V3

تغییرات نسبتاً جزئی بین V2 و V3 انجام شد - بیشتر اصلاحات در موارد بالا انجام شد.

مرحله 3: PCB V4

V4 دارای طراحی مجدد کامل کل PCB بود که در آن تغییرات زیر اعمال شد:

• تقریباً هر جزء را می توان با دست لحیم کرد یا از قبل با PCBA مونتاژ کرد
• نصب سوراخ در گوشه ها
• اجزاء در مناطق "دائمی" ، "قدرت" و "کاربر" گروه بندی شده اند

• برچسب ها برای:

  • محدوده ولتاژ ورودی
  • پیوند اسناد
  • محل LED LoPy
• 2 گزینه دارنده SD
• پدهای تست
• جک بشکه DC را می توان در بالا یا زیر تخته نصب کرد
• مسیریابی بهتر
• اجزای بسته بندی شده با کارآیی بیشتر
• سطرهای هدر زنانه طولانی تر اضافه شدند ، بنابراین کاربر می تواند از هدرهای 4 پین 8 برابر به جای 2 جفت سربرگ 8 پین و 6 پین استفاده کند ، که این امر کمی ارزانتر است.

مرحله 4: PCB V5

نسخه نهایی

این چند تغییر اخیر در V5 قبل از ارائه برای ساخت PCBA توسط Seeed Studio انجام شده است:

• حتی مسیریابی مرتب تر
• بهبود موقعیت برچسب
• پیوند وب سایت به روز شده است
• پدهای صفحه ابریشمی برای برچسب زدن مدار چاپی در حین آزمایش
• گوشه های گردتر (برای قرار گرفتن بهتر در محوطه انتخاب شده)
• طول PCB را متناسب با ریل های محفظه تنظیم کرده است

مرحله 5: چگونه خود را بسازید: PCBA

اگر قصد دارید کمتر از 5 PCB تولید کنید ، به جای آن "نحوه ساخت خود: لحیم کاری دستی" (مرحله بعدی) را ببینید.

سفارش PCBA از استودیو Seeed

1. وارد شوید یا حسابی ایجاد کنید در
2. بر روی "اکنون سفارش دهید" کلیک کنید.
3. بارگذاری فایل های Gerber.
4. تنظیمات را تنظیم کنید (مقدار PCB و سطح: HASL بدون سرب).
5. نقشه مونتاژ را اضافه کرده و فایل را انتخاب کرده و قرار دهید.
6. مقدار PCBA را انتخاب کنید.
7. BOM را اضافه کنید (نکته: اگر می خواهید از لحیم کاری آن خودداری کنید و دیگر منتظر نباشید ، می توانید تنظیم کننده ولتاژ TSRN 1-2450 را به BOM اضافه کنید.
8. اضافه به سبد خرید و سفارش!

لطفاً برای دریافت فایل های مورد نیاز به آدرس: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… مراجعه کنید.

لحیم کاری تنظیم کننده ولتاژ

تنها بخشی که هنگام استفاده از سرویس PCBA Seeed نیاز به لحیم کاری دارد ، تنظیم کننده ولتاژ TSRN 1-2450 است. همانطور که در بالا ذکر شد ، می توانید این را در BOM اسمبلی قرار دهید اما ممکن است زمان بیشتری به سفارش اضافه کند.

اگر خوشحال هستید که آن را با دست لحیم می کنید ، به سادگی تنظیم کننده را به محلی که صفحه ابریشم نشان می دهد اضافه کنید و مطمئن شوید جهت درست است. نقطه سفید روی صفحه ابریشم باید با نقطه سفید تنظیم کننده هم راستا باشد (تصویر را ببینید).

مرحله ششم: چگونه خود را بسازید: لحیم کاری دستی

اگر قصد دارید تعداد زیادی PCB تولید کنید ، به جای آن "نحوه ساخت خود: PCBA" (مرحله قبلی) را ببینید.

سفارش PCB

شما می توانید PCB ها را از بسیاری از وب سایت ها ، از جمله Seeed Studio خریداری کنید ، برخی از آنها می توانند در کمتر از یک هفته تحویل داده شوند. ما از Seeed Fusion استفاده کردیم ، اما این مراحل باید بسیار شبیه به سایت های دیگر باشد.

1. وارد شوید یا حسابی ایجاد کنید در
2. بر روی "اکنون سفارش دهید" کلیک کنید.
3. بارگذاری فایل های Gerber
4. تنظیمات را تنظیم کنید (مقدار PCB و سطح: HASL بدون سرب)
5. اضافه به سبد خرید و سفارش!

لطفاً برای دریافت فایل های مورد نیاز به آدرس: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… مراجعه کنید.

سفارش قطعات

از آنجا که برد دارای پدهای اضافی برای گزینه های نصب SMD/از طریق سوراخ است ، نیازی نیست که هر قسمت را پر کنید. اگر با دست لحیم می زنید ، با پر کردن برد مطابق جدول نشان داده شده در تصاویر ، از همه SMD ها جلوگیری کنید.

N. B. اگر از آهن لحیم کاری اطمینان دارید ، استفاده از شکاف Micro SD روی سطح به جای تخته سربرگ + پین شکست 8 پین مقرون به صرفه تر و مقرون به صرفه تر است.

مرحله 7: چگونه خود را بسازید: مونتاژ

تغییرات کابل Grove

برای اتصال سنسورهای PM خود به کانکتورهای نخل ، باید کابل های سنسور را روی کابل های نخل متصل کنید ، همانطور که در تصویر بالا نشان داده شده است. شما می توانید این کار را با استفاده از چنگک یا لحیم کاری و حرارتی کوچک انجام دهید. بسته به سنسوری که استفاده می کنید ، باید مطمئن شوید که pinout با ورودی های PCB مطابقت دارد.

مراحل مونتاژ

1. یکی از ورودی های برق مورد نظر خود را انتخاب کنید (جک بشکه / JST / پایانه پیچ) و منبع مناسب را وصل کنید.
2. از یک مولتی متر برای بررسی پدهای تست V_IN و 5V در پشت PCB استفاده کنید.
3. وقتی از برق صحیح برد خوشحال شدید ، منبع تغذیه را جدا کنید. (اگر منبع تغذیه جایگزین را امتحان نکردید)
4. LoPy4 را به هدرهای 16 پینی وصل کنید ، مطمئن شوید که LED در بالا قرار دارد (همانطور که در صفحه ابریشم نشان داده شده است). 4 سوراخ پایینی در هدرها استفاده نشده است.
5. هر یک از دستگاه های Grove را به سوکت های منطبق روی PCB وصل کنید.
6. کارت micro SD را وصل کنید.
7. منبع تغذیه را دوباره وصل کنید. LED های LoPy4 و GPS هر دو باید روشن شوند.
8. با استفاده از یک مولتی متر ، پدهای تست باقی مانده در پشت PCB را بررسی کنید.
9. PyonAir شما اکنون باید برای برنامه ریزی آماده باشد!

N. B. مطمئن شوید که کارت SD را خالی کرده و قبل از اتصال به برد ، آن را FAT32 فرمت کنید.

هشدار: فقط یک منبع تغذیه را در یک زمان وصل کنید. اتصال چندین منبع به طور همزمان می تواند باعث کاهش شارژ باتری یا برق اصلی شود!

مرحله 8: چگونه خود را بسازید: نرم افزار

برای توسعه نرم افزار ما از Atom و pymakr استفاده کردیم. هر دوی اینها منبع باز هستند و باید در اکثر رایانه ها کار کنند. توصیه می کنیم این موارد را قبل از بارگیری کد هیئت مدیره LoPy4 نصب کنید.

Pycom توصیه می کند که سیستم عامل دستگاه خود را قبل از استفاده از آنها به روز کنید. دستورالعمل کامل نحوه انجام این کار را می توانید در اینجا پیدا کنید:

نصب و راه اندازی

1. برای راه اندازی دستگاه حسگر PM خود ، آخرین نسخه کد ما را از GitHub بارگیری کنید: https://github.com/pyonair/PyonAir-pycom مطمئن شوید که همه فایلها را در مکان مناسب روی رایانه یا لپ تاپ خود استخراج کرده اید. و از تغییر نام هر یک از فایل ها خودداری کنید.
2. Atom را باز کرده و با کلیک راست روی پوشه سطح بالا و کلیک روی "Remove Project Folder" در منوی ظاهر شده ، پرونده های فعلی را ببندید.
3. به File> Open Folder رفته و پوشه "lopy" را انتخاب کنید. همه پرونده ها و پوشه های موجود باید در پنجره "Project" در سمت چپ در Atom ظاهر شوند.
4. PCB PyonAir را با استفاده از کابل FTDI-USB و پین های RX ، TX و GND در هدر سمت راست برد ، به رایانه یا لپ تاپ خود وصل کنید.
5. برد باید در Atom نمایش داده شود و به طور خودکار متصل شود.
6. برای بارگذاری کد ، کافی است روی دکمه "بارگذاری" در قسمت پایین کلیک کنید. بسته به تعداد فایل هایی که باید حذف و نصب شوند ، ممکن است چند دقیقه طول بکشد. پس از موفقیت آمیز بودن بارگذاری ، کلید Ctrl + c را روی صفحه کلید خود فشار دهید تا کد متوقف شود ، سپس کابل FTDI-USB را از برق بکشید.

پیکربندی

وقتی برای اولین بار یک دستگاه جدید راه اندازی می کنید یا اگر می خواهید هرگونه تنظیماتی را تغییر دهید ، باید آن را از طریق WiFi پیکربندی کنید.

1. مانیتور آلودگی هوا را از مواردی که می توانید به دکمه کاربر دسترسی پیدا کنید حذف کنید.
2. تلفن یا رایانه ای را آماده کنید که بتواند به شبکه های WiFi محلی متصل شود.
3. دستگاه PyonAir را تغذیه کنید.
4. هنگام تنظیم دستگاه برای اولین بار ، باید به طور خودکار به حالت پیکربندی تغییر کند ، که با چشمک زدن LED آبی نشان داده می شود. در غیر این صورت ، دکمه کاربر را در PCB سوکت Grove (با برچسب CONFIG) فشار داده و 3 ثانیه نگه دارید. چراغ RGB باید آبی کامل شود.
5. به وای فای دستگاه PyonAir متصل شوید. (این نام "NewPyonAir" یا هر چیزی که قبلاً دستگاه نامگذاری کرده اید نامگذاری می شود.) رمز عبور "newpyonair" است.
6. https://192.168.4.10/ را در مرورگر وب خود وارد کنید. صفحه پیکربندی باید ظاهر شود.
7. تمام فیلدهای مورد نیاز را در صفحه پر کنید و پس از اتمام روی "ذخیره" کلیک کنید. (شما باید جزئیات اتصال LoRa و WiFi را ارائه دهید ، یک شناسه منحصر به فرد به هر سنسور اختصاص دهید ، و ترجیحات خود را در مورد جمع آوری داده ها مشخص کنید.)
8. اکنون دستگاه PyonAir باید راه اندازی مجدد شود و از تنظیماتی که ارائه کرده اید استفاده خواهد کرد.

برای اتصال دستگاه خود به LoRa ، آن را از طریق The Things Network ثبت کنید. یک دستگاه جدید با Device EUI نشان داده شده در صفحه پیکربندی ایجاد کنید و Application EUI و App Key را از TTN در تنظیمات کپی کنید.

Pybytes مرکز IoT آنلاین Pycom است که از طریق آن می توانید سیستم عامل را به روز کنید ، به روز رسانی OTA را انجام دهید و داده های دستگاه های متصل را تجسم کنید. ابتدا ، باید وارد سیستم شوید یا حسابی ایجاد کنید: https://pyauth.pybytes.pycom.io/login سپس مراحل ثبت یک دستگاه جدید را دنبال کنید.

آزمایش کردن

ساده ترین راه برای بررسی عملکرد صحیح مانیتور آلودگی هوا استفاده از کابل FTDI-USB و سرصفحه های پین RX ، TX & GND در PCB Grove Socket است. اتصال دستگاه به این روش به شما امکان می دهد همه پیام ها و خواندن ها را در Atom مشاهده کنید.

LED RGB روی برد LoPy وضعیت برد را نشان می دهد:

• راه اندازی اولیه = کهربا
• مقدار دهی اولیه موفق شد = چراغ سبز دوبار چشمک می زند
• دسترسی به کارت SD امکان پذیر نیست = چراغ قرمز بلافاصله پس از راه اندازی چشمک می زند
• مسئله دیگر = چشمک زدن چراغ قرمز در هنگام راه اندازی اولیه
• خطاهای زمان اجرا = چشمک زدن قرمز

به طور پیش فرض ، داده های PyonAir به سرور دانشگاه ساوتهمپتون ارسال می شود. می توانید کد را قبل از استقرار دستگاه ویرایش کنید تا به مکان دلخواه شما هدایت شود.

مرحله 9: چگونه خود را بسازید: استقرار

اکنون که مانیتور آلودگی هوا کاملاً پیکربندی شده است ، باید آماده استقرار دستگاه باشید!

مشاوره موردی

موردی که برای دستگاه های خود انتخاب کردیم این بود: https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055؟ul_noapp=t… با این حال ، با خیال راحت یک کیس متفاوت بخرید یا خودتان آن را طراحی کنید. فایلهای SolidWorks برای اکثر سخت افزارهایی که استفاده کردیم در قسمت Extra Info ارائه شده است تا به طراحی موارد سفارشی کمک کند. یکی از روش های پیشنهادی برای چیدمان سنسورها و برش سوراخ در قاب نیز در تصویر بالا نشان داده شده است.

فقط به یاد داشته باشید که مورد شما باید:

• از وسایل الکترونیکی در برابر آب و گرد و غبار محافظت کنید
• اجازه دهید دستگاه در محل نصب شود
• اجازه دهید هوا به سنسور (های) PM برسد
• از گرم شدن بیش از حد وسایل الکترونیکی جلوگیری کنید
• وسایل الکترونیکی را در داخل کیس محکم نگه دارید

توصیه مکان

یک مکان استقرار ایده آل معیارهای زیر را برآورده می کند:

• در منطقه مورد علاقه برای آلودگی هوا
• دور از نور مستقیم خورشید
• در محدوده دروازه LoRa
• در محدوده WiFi
• نزدیک به منبع تغذیه
• نقاط نصب ایمن
• قابلیت دریافت سیگنال GPS

مرحله 10: پرونده ها و اعتبارات

همه فایلهایی که برای ساختن کامل PyonAir خود نیاز دارید را می توانید در آدرس زیر مشاهده کنید: https://su-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf…) Gitbook همچنین شامل اطلاعات اضافی در مورد سخت افزار و نرم افزار است.

وام

پروژه تحت نظارت دکتر استیون جی اوسونت ، دکتر فیل بسفورد و فلورنتین بولوت

کد توسط دانیل هاوزنر و پیتر وارگا

طراحی مدار و دستورالعمل ها توسط Hazel Mitchell