PyonAir - ein Open-Source-Luftverschmutzungsmonitor - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:16

Das PyonAir ist ein kostengünstiges System zur Überwachung der lokalen Luftverschmutzung – insbesondere des Feinstaubs. Basierend auf dem Pycom LoPy4-Board und Grove-kompatibler Hardware kann das System Daten sowohl über LoRa als auch über WLAN übertragen.

Dieses Projekt habe ich an der University of Southampton in einem Forscherteam durchgeführt. Meine Hauptverantwortung war das Design und die Entwicklung der Leiterplatte. Dies war mein erstes Mal, dass ich Eagle benutzte, also war es definitiv eine Lernerfahrung!

Das Ziel des PyonAir-Projekts ist es, ein Netzwerk kostengünstiger IoT-Verschmutzungsmonitore einzurichten, das es uns ermöglicht, wichtige Informationen über die Verteilung und die Ursachen der Luftverschmutzung zu sammeln. Während es viele Verschmutzungsmonitore auf dem Markt gibt, bieten die meisten nur den "Luftqualitätsindex" anstelle von PM-Rohdaten - insbesondere zu erschwinglichen Preisen. Indem wir das Projekt als Open-Source mit einfachen Einrichtungsanweisungen machen, hoffen wir, das PyonAir-Gerät jedem zugänglich zu machen, der sich persönlich oder beruflich für Luftqualität interessiert. Dieses Gerät kann beispielsweise verwendet werden, um Daten für Studentenprojekte, Doktoranden und unabhängige Parteien zu sammeln, wodurch wichtige Forschung, die für ihre Kostenexplosion bekannt ist, viel leichter erreichbar ist. Das Projekt kann auch für Öffentlichkeitsarbeit genutzt werden, um mit der Öffentlichkeit über ihre lokale Luftqualität und die Maßnahmen zu ihrer Verbesserung zu kommunizieren.

Unsere Ziele der Einfachheit und Benutzerfreundlichkeit haben uns zu unserer Entscheidung inspiriert, das Grove-System als Rückgrat unseres Designs zu verwenden. Die große Auswahl an kompatiblen Modulen ermöglicht es Benutzern des Systems, das PyonAir-Gerät an ihre Bedürfnisse anzupassen, ohne die grundlegende Hardware neu entwerfen zu müssen. Unterdessen bietet LoPy4 von Pycom mehrere Optionen für die drahtlose Kommunikation in einem einzigen, übersichtlichen Paket.

In diesem anweisbaren werde ich die Designreise und die Schritte zur Herstellung der Leiterplatte beschreiben, gefolgt von Anweisungen zum Zusammenbau der vollständigen PyonAir-Einheit.

Lieferungen

Komponenten:

• LoPy4: Hauptplatine (https://pycom.io/product/lopy4/)
• PyonAirPCB: Einfacher Anschluss an Grove-Sensoren
• Plantower PMS5003: Luftverschmutzungssensor (https://shop.pimoroni.com/products/pms5003-particu…
• Sensirion SPS30: Luftverschmutzungssensor (https://www.mouser.co.uk/ProductDetail/Sensirion/SPS30?qs=lc2O%252bfHJPVbEPY0RBeZmPA==)
• SHT35 Sensor: Temperatur- & Feuchtigkeitssensor (https://www.seeedstudio.com/Grove-I2C-High-Accurac…
• Echtzeituhr: Backup-Uhreinheit (https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/hardware/…
• GPS-Modul: GPS-Empfänger für Zeit & Ort (https://www.seeedstudio.com/Grove-GPS-Module.html)
• Grove-Kabel:
• Pycom-Antenne: LoRa-Fähigkeit (https://pycom.io/product/lora-868mhz-915mhz-sigfox…
• Micro SD Karte
• Stromversorgung: Primäre Stromversorgung (Empfohlen:
• Gehäuse: IP66 115x90x65 mm wetterfeste ABS Box (https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t…

Werkzeuge:

• Lötkolben
• Multimeter
• Kleiner Schraubendreher
• FTDI-Kabel (optional):

Schritt 1: Über die Platine

Grove-Steckverbinder sind ein immer beliebter werdender Standard im Hobbyelektronik-Ökosystem. Die Plug-and-Play-Steckverbinder machen das Anbringen und Austauschen einer Vielzahl von Modulen einfach und schnell, ohne dass die Verbindungen neu gelötet werden müssen.

Inzwischen wurde das LoPy4-Board von Pycom als Hauptmikrocontroller für den PyonAir ausgewählt, da es 4 drahtlose Kommunikationsmodi bietet: LoRa, Sigfox, WiFi & Bluetooth und mit MicroPython programmiert wird.

Arduino und Raspberry Pi unterstützen bereits Grove-Connector-Shields, aber noch keine für das Pycom-System freigegeben. Aus diesem Grund haben wir unsere eigene Erweiterungsplatine entwickelt, die auf die LoPy4-Platine passt. Die Platine enthält:

• 2 I2C-Buchsen (Temperatursensor & RTC)
• 3 UART-Buchsen (2x PM-Sensor & GPS)
• Pins für USB-Daten
• Eine Transistorschaltung zur Steuerung der Leistung der PM-Sensoren
• Eine Transistorschaltung zum Steuern der Stromversorgung des GPS-Empfängers
• Micro-SD-Slot
• Benutzertaste
• Stromeingangsanschlüsse (Barrel, JST oder Schraubklemme)
• Spannungsregler

Schritt 2: Platine V1-V3

Platine V1

Mein erster Versuch mit der Platine basierte auf einem "Shim" -Konzept, bei dem eine dünne Platine zwischen das LoPy-Board und ein Pycom-Erweiterungsboard wie das Pytrack passt (siehe CAD-Zeichnung). Daher gab es keine Befestigungslöcher und die Platine war sehr einfach und enthielt nur Anschlüsse und ein Paar Transistoren zum Ein- oder Ausschalten der PM-Sensoren.

Um ehrlich zu sein, an diesem Board war einiges falsch:

• Die Spuren waren viel zu dünn
• Keine Massefläche
• Seltsame Transistorausrichtungen
• Ungenutzter Platz
• Das Versionsetikett wurde in einer Spurebene geschrieben, nicht im Siebdruck

Platine V2

Mit V2 war klar geworden, dass wir den PyonAir ohne Erweiterungsplatine betreiben mussten, daher wurden dem Design Stromeingänge, ein UART-Anschluss und ein SD-Steckplatz hinzugefügt.

Themen:

• Spuren gekreuzter Montagelochzonen
• Kein LoPy-Orientierungsleitfaden
• Falsche Ausrichtung der DC-Buchsenbuchse

Platine V3

Zwischen V2 und V3 wurden relativ geringfügige Änderungen vorgenommen - hauptsächlich Korrekturen der oben genannten Probleme.

Schritt 3: Platine V4

V4 beinhaltete ein komplettes Redesign der gesamten Platine, bei dem folgende Änderungen vorgenommen wurden:

• Nahezu jedes Bauteil kann von Hand gelötet oder mittels PCBA vormontiert werden
• Befestigungslöcher an den Ecken
• Komponenten gruppiert in "Permanent", "Power" und "User" Zonen

• Etiketten für:

  • Eingangsspannungsbereich
  • Dokumentationslink
  • Position der LoPy-LED
• 2 SD-Halter-Optionen
• Testpads
• DC-Barrel-Buchse kann auf oder unter der Platine montiert werden
• Besseres Routing
• Effizienter verpackte Komponenten
• Es wurden längere Buchsenleistenreihen hinzugefügt, sodass ein Benutzer 4x 8-Pin-Header anstelle von 2 Paaren von 8-Pin- und 6-Pin-Headern verwenden kann, was es etwas billiger macht.

Schritt 4: Platine V5

Die endgültige Version

Diese letzten Anpassungen wurden an V5 vorgenommen, bevor es von Seeed Studio zur PCBA-Herstellung eingereicht wurde:

• Noch aufgeräumteres Routing
• Verbesserte Etikettenpositionierung
• Aktualisierter Website-Link
• Siebdruckpads zum Beschriften von Leiterplatten während des Tests
• Mehr abgerundete Ecken (um besser in das ausgewählte Gehäuse zu passen)
• Angepasste Länge der Leiterplatte für Gehäuseschienen

Schritt 5: So erstellen Sie Ihre eigene: PCBA

Wenn Sie weniger als 5 Leiterplatten herstellen möchten, lesen Sie stattdessen "So machen Sie Ihre eigenen: Handlöten" (nächster Schritt).

PCBA-Bestellung bei Seeed Studio

1. Melden Sie sich an oder erstellen Sie ein Konto unter
2. Klicken Sie auf 'Jetzt bestellen'.
3. Gerber-Dateien hochladen.
4. Passen Sie die Einstellungen an (PCB-Anzahl & Oberflächengüte: HASL Lead-Free).
5. Fügen Sie eine Montagezeichnung und eine Pick-and-Place-Datei hinzu.
6. Wählen Sie die PCBA-Menge aus.
7. Stückliste hinzufügen. (N. B.: Wenn Sie es vermeiden möchten, es selbst zu löten und die längere Wartezeit nicht stört, können Sie der Stückliste den Spannungsregler TSRN 1-2450 hinzufügen.
8. In den Warenkorb & bestellen!

Bitte besuchen Sie: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… für die erforderlichen Dateien.

Löten des Spannungsreglers

Das einzige Teil, das gelötet werden muss, wenn der PCBA-Service von Seeed verwendet wird, ist der Spannungsregler TSRN 1-2450. Wie oben erwähnt, können Sie dies in die Montagestückliste aufnehmen, aber es kann viel mehr Zeit für den Auftrag bedeuten.

Wenn Sie es gerne von Hand löten möchten, fügen Sie den Regler einfach an der auf dem Siebdruck angegebenen Stelle hinzu und achten Sie auf die richtige Ausrichtung. Der weiße Punkt auf dem Siebdruck sollte mit dem weißen Punkt auf dem Regler übereinstimmen (siehe Bild).

Schritt 6: So machen Sie Ihre eigenen: Handlöten

Wenn Sie eine große Anzahl von Leiterplatten herstellen möchten, lesen Sie stattdessen "So erstellen Sie Ihre eigenen: PCBA" (vorheriger Schritt).

Bestellung von Leiterplatten

Sie können PCBs von vielen Websites kaufen, einschließlich Seeed Studio, von denen einige in weniger als einer Woche geliefert werden können. Wir haben Seeed Fusion verwendet, aber diese Schritte sollten denen anderer Websites sehr ähnlich sein.

1. Melden Sie sich an oder erstellen Sie ein Konto unter
2. Klicken Sie auf 'Jetzt bestellen'.
3. Gerber-Dateien hochladen.
4. Einstellungen anpassen (PCB-Anzahl & Oberflächenbeschaffenheit: HASL Lead-Free)
5. In den Warenkorb legen und bestellen!

Bitte besuchen Sie: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… für die erforderlichen Dateien.

Bestellung von Teilen

Da die Platine über zusätzliche Pads für SMD-/Durchsteckmontageoptionen verfügt, müssen Sie nicht jedes Teil bestücken. Wenn Sie von Hand löten, ist es am einfachsten, alle SMDs zu vermeiden, indem Sie die Platine gemäß der in den Bildern gezeigten Tabelle bestücken.

Hinweis Wenn Sie sich mit einem Lötkolben sicher sind, ist es platzsparender und billiger, einen oberflächenmontierten Micro-SD-Steckplatz anstelle des 8-Pin-Headers + Breakout-Board zu verwenden.

Schritt 7: So machen Sie Ihre eigene: Montage

Grove-Kabelmodifikationen

Um Ihre PM-Sensoren an die Groove-Anschlüsse anzuschließen, müssen Sie die Sensorkabel an die Groove-Kabel spleißen, wie in der Abbildung oben gezeigt. Sie können dies entweder mit Crimps oder Löten und Schrumpfen tun. Je nach verwendetem Sensor müssen Sie sicherstellen, dass die Pinbelegung mit den Eingängen der Platine übereinstimmt.

Montageschritte

1. Wählen Sie aus, welchen der Stromeingänge Sie verwenden möchten (Trommelbuchse / JST / Schraubklemme) und schließen Sie die entsprechende Versorgung an.
2. Verwenden Sie ein Multimeter, um die V_IN- und 5V-Testpads auf der Rückseite der Platine zu überprüfen.
3. Wenn Sie zufrieden sind, dass das Board korrekt mit Strom versorgt wird, entfernen Sie das Netzteil. (Wenn nicht, versuchen Sie es mit einer alternativen Stromversorgung)
4. Stecken Sie den LoPy4 in die 16-poligen Stiftleisten und stellen Sie sicher, dass die LED oben ist (wie auf dem Siebdruck gezeigt). Die unteren 4 Löcher in den Headern sind unbenutzt.
5. Verbinden Sie jedes der Grove-Geräte mit den passenden Buchsen auf der Platine.
6. Stecken Sie die Micro-SD-Karte ein.
7. Schließen Sie die Stromversorgung wieder an. Die LEDs von LoPy4 und GPS sollten beide aufleuchten.
8. Verwenden Sie ein Multimeter, um die verbleibenden Testpads auf der Rückseite der Platine zu überprüfen.
9. Ihr PyonAir sollte jetzt programmierbereit sein!

Hinweis Stellen Sie sicher, dass Sie die SD-Karte leeren und als FAT32 formatieren, bevor Sie sie in das Board einstecken.

WARNUNG: Schließen Sie immer nur eine Stromquelle gleichzeitig an. Das gleichzeitige Anschließen mehrerer Netzteile kann zu einem Kurzschluss der Batterie oder des Netzstroms führen!

Schritt 8: So erstellen Sie Ihre eigene: Software

Für unsere Softwareentwicklung haben wir Atom und pymakr verwendet. Beide sind Open Source und sollten auf den meisten Computern funktionieren. Wir empfehlen, diese zu installieren, bevor Sie den Code für das LoPy4-Board herunterladen.

Pycom empfiehlt, die Firmware ihrer Geräte zu aktualisieren, bevor Sie versuchen, sie zu verwenden. Eine vollständige Anleitung dazu finden Sie hier:

Installation

1. Um Ihr PM-Sensorgerät zum Laufen zu bringen, laden Sie die neueste Version unseres Codes von GitHub herunter: https://github.com/pyonair/PyonAir-pycom Stellen Sie sicher, dass Sie alle Dateien an einen geeigneten Ort auf Ihrem PC oder Laptop extrahieren und vermeiden Sie das Umbenennen von Dateien.
2. Öffnen Sie Atom und schließen Sie alle aktuellen Dateien, indem Sie mit der rechten Maustaste auf den Ordner der obersten Ebene klicken und im angezeigten Menü auf "Projektordner entfernen" klicken.
3. Gehen Sie zu Datei > Ordner öffnen und wählen Sie den Ordner "lopy". Alle enthaltenen Dateien und Ordner sollten im Bereich "Projekt" links in Atom angezeigt werden.
4. Stecken Sie die PyonAir-Platine mit einem FTDI-USB-Kabel und den RX-, TX- und GND-Pins am Header rechts neben der Platine in Ihren PC oder Laptop.
5. Das Board sollte in Atom angezeigt werden und sich automatisch verbinden.
6. Um den Code hochzuladen, klicken Sie einfach auf die Schaltfläche "Hochladen" im unteren Bereich. Der Vorgang kann einige Minuten dauern, je nachdem, wie viele Dateien entfernt und installiert werden müssen. Sobald der Upload erfolgreich war, drücken Sie Strg + c auf Ihrer Tastatur, um den Code zu stoppen, und ziehen Sie dann das FTDI-USB-Kabel ab.

Aufbau

Wenn Sie ein neues Gerät zum ersten Mal einrichten oder Einstellungen ändern möchten, müssen Sie es über WLAN konfigurieren.

1. Entfernen Sie Ihren Luftverschmutzungsmonitor aus allen Fällen, damit Sie auf die Benutzerschaltfläche zugreifen können.
2. Bereiten Sie ein Telefon oder einen Computer vor, der sich mit lokalen WLAN-Netzwerken verbinden kann.
3. Schalten Sie das PyonAir-Gerät ein.
4. Beim erstmaligen Einrichten sollte das Gerät automatisch in den Konfigurationsmodus wechseln, was durch blaues Blinken der LED angezeigt wird. Andernfalls halten Sie die Benutzertaste auf der Platine der Grove-Buchse (mit der Bezeichnung CONFIG) 3 Sekunden lang gedrückt. Die RGB-LED sollte durchgehend blau leuchten.
5. Verbinden Sie sich mit dem WLAN des PyonAir-Geräts. (Dies wird 'NewPyonAir' heißen oder wie auch immer Sie das Gerät zuvor benannt haben.) Das Passwort ist 'newpyonair'.
6. Geben Sie https://192.168.4.10/ in Ihren Webbrowser ein. Die Konfigurationsseite sollte erscheinen.
7. Füllen Sie alle erforderlichen Felder auf der Seite aus und klicken Sie auf „Speichern“, wenn Sie fertig sind. (Sie müssen Verbindungsdetails zu LoRa und WiFi bereitstellen, jedem Sensor eine eindeutige ID zuweisen und Ihre Präferenzen bezüglich der Datenerfassung angeben.)
8. Das PyonAir-Gerät sollte jetzt neu starten und die von Ihnen bereitgestellten Einstellungen verwenden.

Um Ihr Gerät mit LoRa zu verbinden, registrieren Sie es über The Things Network. Erstellen Sie ein neues Gerät mit der auf der Konfigurationsseite angezeigten Geräte-EUI und kopieren Sie die Anwendungs-EUI und den App-Schlüssel von TTN in die Konfigurationen.

Pybytes ist der Online-IoT-Hub von Pycom, über den Sie Firmware aktualisieren, OTA-Updates durchführen und Daten von verbundenen Geräten visualisieren können. Zuerst müssen Sie sich hier einloggen oder ein Konto erstellen: https://pyauth.pybytes.pycom.io/login dann folgen Sie den Schritten, um ein neues Gerät zu registrieren.

Testen

Der einfachste Weg, um zu testen, ob Ihr Luftverschmutzungsmonitor richtig funktioniert, ist die Verwendung eines FTDI-USB-Kabels und der RX-, TX- und GND-Stiftleisten auf der Grove-Sockelplatine. Wenn Sie das Gerät auf diese Weise anschließen, können Sie alle Nachrichten und Messwerte in Atom anzeigen.

Die RGB-LED auf dem LoPy-Board zeigt den Status des Boards an:

• Initialisieren = Gelb
• Initialisierung erfolgreich = Grünes Licht blinkt zweimal
• Kein Zugriff auf SD-Karte = Rotes Licht blinkt sofort nach dem Booten
• Anderes Problem = Rotes Licht blinkt während der Initialisierung
• Laufzeitfehler = Rot blinkend

Standardmäßig werden Daten vom PyonAir an den Server der University of Southampton gesendet. Sie können den Code bearbeiten, bevor Sie das Gerät bereitstellen, um es an einen Ort Ihrer Wahl umzuleiten.

Schritt 9: So erstellen Sie Ihre eigenen: Bereitstellung

Nachdem Ihr Luftverschmutzungsmonitor nun vollständig konfiguriert ist, sollten Sie bereit sein, das Gerät einzusetzen!

Fallberatung

Das Gehäuse, das wir für unsere Geräte ausgewählt haben, war: https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t… Sie können jedoch gerne ein anderes Gehäuse kaufen oder Ihr eigenes entwerfen. SolidWorks-Dateien für die meisten von uns verwendeten Hardware werden im Abschnitt Extra Info bereitgestellt, um beim Konstruieren von benutzerdefinierten Gehäusen zu helfen. Eine vorgeschlagene Methode zum Anordnen der Sensoren und zum Schneiden von Löchern im Gehäuse ist ebenfalls im Bild oben gezeigt.

Denken Sie daran, dass Ihr Fall:

• Schützen Sie die Elektronik vor Wasser und Staub
• Ermöglichen Sie die Montage des Geräts vor Ort
• Lassen Sie Luft den/die PM-Sensor(en) erreichen
• Verhindern Sie, dass die Elektronik überhitzt
• Halten Sie die Elektronik sicher im Gehäuse

Standortberatung

Ein idealer Einsatzort erfüllt folgende Kriterien:

• In einer Region von Interesse für Luftverschmutzung
• Ohne direkte Sonneneinstrahlung
• In Reichweite eines LoRa-Gateways
• In Reichweite von WLAN
• In der Nähe einer Stromquelle
• Sichere Befestigungspunkte
• Kann GPS-Signale empfangen

Schritt 10: Dateien & Credits

Alle Dateien, die Sie benötigen, um Ihr eigenes vollständiges PyonAir zu erstellen, finden Sie unter: https://su-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… (Zip-Dateien können nicht auf Instructables hochgeladen werden, sorry!) Das Gitbook enthält auch zusätzliche Informationen zur Hard- und Software.

Credits

Projekt betreut von Dr. Steven J. Ossont, Dr. Phil Basford & Florentin Bulot

Code von Daneil Hausner & Peter Varga

Schaltungsdesign & Anleitung von Hazel Mitchell