PyonAir - جهاز مراقبة تلوث الهواء مفتوح المصدر: 10 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:37

PyonAir هو نظام منخفض التكلفة لمراقبة مستويات تلوث الهواء المحلي - على وجه التحديد الجسيمات. استنادًا إلى لوحة Pycom LoPy4 والأجهزة المتوافقة مع Grove ، يمكن للنظام نقل البيانات عبر كل من LoRa و WiFi.

لقد أجريت هذا المشروع في جامعة ساوثهامبتون ، حيث عملت في فريق من الباحثين. كانت مسؤوليتي الأساسية هي تصميم وتطوير ثنائي الفينيل متعدد الكلور. كانت هذه المرة الأولى التي أستخدم فيها Eagle ، لذا كانت بالتأكيد تجربة تعليمية!

الهدف من مشروع PyonAir هو نشر شبكة من أجهزة مراقبة التلوث بإنترنت الأشياء منخفضة التكلفة والتي ستسمح لنا بجمع معلومات مهمة حول التوزيع وأسباب تلوث الهواء. في حين أن هناك العديد من أجهزة مراقبة التلوث في السوق ، فإن معظمها يقدم فقط "مؤشر جودة الهواء" ، بدلاً من بيانات PM الخام - خاصةً بأسعار معقولة. من خلال جعل المشروع مفتوح المصدر ، مع تعليمات الإعداد السهلة ، نأمل أن نجعل جهاز PyonAir متاحًا لأي شخص مهتم بجودة الهواء ، سواء شخصيًا أو مهنيًا. على سبيل المثال ، يمكن استخدام هذا الجهاز لجمع البيانات لمشاريع الطلاب ، ودكتوراه الدكتوراة والأطراف المستقلة ، مما يجعل البحث الحيوي الذي يشتهر بارتفاع التكاليف أمرًا يمكن تحقيقه بشكل أكبر. يمكن أيضًا استخدام المشروع لأغراض التوعية ، والتواصل مع أفراد الجمهور حول جودة الهواء المحلي والخطوات التي يمكن اتخاذها لتحسينها.

ألهمت أهدافنا في البساطة وسهولة الاستخدام قرارنا باستخدام نظام Grove باعتباره العمود الفقري لتصميمنا. ستسمح المجموعة الواسعة من الوحدات المتوافقة لمستخدمي النظام بتخصيص جهاز PyonAir وفقًا لاحتياجاتهم ، دون الاضطرار إلى إعادة تصميم الأجهزة الأساسية. وفي الوقت نفسه ، يوفر LoPy4 من Pycom خيارات متعددة للاتصال اللاسلكي في حزمة واحدة أنيقة.

في هذا الدليل ، سأصف رحلة التصميم وخطوات تصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، متبوعة بإرشادات حول كيفية تجميع وحدة PyonAir الكاملة.

اللوازم

عناصر:

• LoPy4: اللوحة الرئيسية (https://pycom.io/product/lopy4/)
• PyonAirPCB: اتصال سهل بأجهزة استشعار Grove
• Plantower PMS5003: مستشعر تلوث الهواء (https://shop.pimoroni.com/products/pms5003-particu…)
• Sensirion SPS30: مستشعر تلوث الهواء (https://www.mouser.co.uk/ProductDetail/Sensirion/SPS30؟qs=lc2O٪252bfHJPVbEPY0RBeZmPA==)
• مستشعر SHT35: مستشعر درجة الحرارة والرطوبة (https://www.seeedstudio.com/Grove-I2C-High-Accurac …
• ساعة الوقت الحقيقي: وحدة ساعة النسخ الاحتياطي (https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/hardware/ …
• وحدة GPS: مستقبل GPS للوقت والموقع (https://www.seeedstudio.com/Grove-GPS-Module.html)
• كابلات جروف:
• هوائي Pycom: قدرة LoRa (https://pycom.io/product/lora-868mhz-915mhz-sigfox…
• بطاقة مايكرو التنمية المستدامة
• مزود الطاقة: مصدر الطاقة الأساسي (موصى به: https://cpc.farnell.com/pro-elec/pel00398/ac-dc-po …
• العلبة: IP66 115x90x65 mm صندوق ABS مانع لتسرب الماء (https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055؟ul_noapp=t …

أدوات:

• لحام حديد
• المقياس المتعدد
• مفك صغير
• كابل FTDI (اختياري):

الخطوة 1: حول ثنائي الفينيل متعدد الكلور

تعتبر موصلات Grove معيارًا شائعًا بشكل متزايد في النظام البيئي للإلكترونيات للهواة. تجعل موصلات التوصيل والتشغيل توصيل مجموعة كبيرة من الوحدات وتبديلها أمرًا سهلاً وسريعًا ، دون الحاجة إلى إعادة تشكيل المفاصل.

وفي الوقت نفسه ، تم اختيار لوحة LoPy4 من Pycom لتكون المتحكم الرئيسي في PyonAir لأنها توفر 4 أوضاع اتصال لاسلكية: LoRa و Sigfox و WiFi و Bluetooth وهي مبرمجة باستخدام MicroPython.

يدعم Arduino و Raspberry Pi بالفعل دروع موصل Grove ولكن لم يتم إصدار أي منها لنظام Pycom. لذلك ، قمنا بتصميم لوحة التوسيع الخاصة بنا PCB ، والتي تلائم لوحة LoPy4. يحتوي ثنائي الفينيل متعدد الكلور على:

• 2 مقابس I2C (مستشعر درجة الحرارة و RTC)
• 3 مآخذ UART (مستشعر 2x PM و GPS)
• دبابيس لبيانات USB
• دوائر ترانزستور للتحكم في الطاقة لأجهزة استشعار PM
• دائرة ترانزستور للتحكم في الطاقة لجهاز استقبال GPS
• فتحة Micro SD
• زر المستخدم
• موصلات إدخال الطاقة (برميل أو JST أو طرف برغي)
• منظم ضغط كهربي

الخطوة 2: PCB V1-V3

ثنائي الفينيل متعدد الكلور V1.0

استندت محاولتي الأولى في PCB إلى مفهوم "shim" ، حيث يتناسب PCB الرقيق بين لوحة LoPy ولوحة توسيع Pycom ، مثل Pytrack (انظر رسم CAD). على هذا النحو ، لم تكن هناك ثقوب متصاعدة وكانت اللوحة أساسية للغاية ، وتضم فقط موصلات وزوج من الترانزستورات لتشغيل أو إيقاف تشغيل مستشعرات PM.

لنكون صادقين ، كان هناك الكثير من الخطأ في هذا المنتدى:

• كانت المسارات ضعيفة للغاية
• لا توجد طائرة أرضية
• اتجاهات غريبة الترانزستور
• مساحة غير مستخدمة
• تمت كتابة تسمية الإصدار في طبقة مسار ، وليس بالشاشة الحريرية

ثنائي الفينيل متعدد الكلور V2.0

بحلول V2 ، أصبح من الواضح أننا بحاجة إلى PyonAir للعمل بدون لوحة توسعة ، لذلك تمت إضافة مدخلات الطاقة ومحطة UART وفتحة SD إلى التصميم.

مشاكل:

• عبرت المسارات مناطق الفتحات المتصاعدة
• لا يوجد دليل توجيه LoPy
• اتجاه جاك برميل DC غير صحيح

ثنائي الفينيل متعدد الكلور V3.0

تم إجراء تعديلات طفيفة نسبيًا بين V2 و V3 - معظمها تصحيحات للقضايا المذكورة أعلاه.

الخطوة 3: PCB V4.0

تميز V4 بإعادة تصميم كاملة لثنائي الفينيل متعدد الكلور بالكامل ، حيث تم إجراء التغييرات التالية:

• يمكن لحام كل مكون تقريبًا يدويًا أو تجميعه مسبقًا باستخدام PCBA
• الثقوب المتصاعدة في الزوايا
• تم تجميع المكونات في مناطق "دائمة" و "طاقة" و "مستخدم"

• تسميات لـ:

  • مدى جهد المدخلات
  • رابط التوثيق
  • موقع LoPy LED
• 2 خيارات حامل SD
• منصات الاختبار
• يمكن تركيب مقبس برميل DC في أعلى أو أسفل اللوحة
• توجيه أفضل
• مكونات معبأة بشكل أكثر كفاءة
• تمت إضافة صفوف رأس أنثى أطول ، بحيث يكون المستخدم قادرًا على استخدام رؤوس 4x ذات 8 سنون ، بدلاً من زوجين من رؤوس 8-pin و 6-pin ، مما يجعلها أرخص قليلاً.

الخطوة 4: PCB V5.0

النسخة النهائية

تم إجراء هذه التعديلات القليلة الأخيرة على V5 قبل تقديمه لتصنيع PCBA بواسطة Seeed Studio:

• توجيه أكثر تنظيمًا
• تحسين وضع الملصق
• رابط الموقع المحدث
• وسادات بالشاشة الحريرية لوصف ثنائي الفينيل متعدد الكلور أثناء الاختبار
• المزيد من الزوايا الدائرية (لتلائم العلبة المختارة بشكل أفضل)
• الطول المعدل لثنائي الفينيل متعدد الكلور ليناسب قضبان الضميمة

الخطوة 5: كيف تصنع بنفسك: PCBA

إذا كنت تخطط لتصنيع أقل من 5 مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، فراجع "كيف تصنع بنفسك: اللحام اليدوي" (الخطوة التالية) بدلاً من ذلك.

طلب PCBA من Seeed Studio

1. قم بتسجيل الدخول أو إنشاء حساب على
2. انقر فوق "اطلب الآن".
3. تحميل ملفات جربر.
4. ضبط الإعدادات (كمية PCB وإنهاء السطح: HASL خالية من الرصاص).
5. إضافة رسم التجميع واختيار ووضع الملف.
6. حدد كمية PCBA.
7. أضف BOM. (ملحوظة: إذا كنت تريد تجنب اللحام بنفسك ولا تمانع في الانتظار لفترة أطول ، يمكنك إضافة منظم الجهد TSRN 1-2450 إلى BOM.
8. أضف إلى عربة التسوق والنظام!

يرجى زيارة: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… للملفات المطلوبة.

لحام منظم الجهد

الجزء الوحيد الذي يتطلب لحام عند استخدام خدمة PCBA من Seeed هو TSRN 1-2450 منظم الجهد. كما هو مذكور أعلاه ، يمكنك تضمين هذا في BOM للتجميع ولكنه قد يضيف الكثير من الوقت إلى الطلب.

إذا كنت سعيدًا بلحامها يدويًا ، فما عليك سوى إضافة المنظم إلى المكان المشار إليه بالشاشة الحريرية ، مع التأكد من صحة الاتجاه. يجب أن تصطف النقطة البيضاء على الشاشة الحريرية مع النقطة البيضاء على المنظم (انظر الصورة).

الخطوة 6: كيف تصنع بنفسك: لحام اليد

إذا كنت تخطط لتصنيع عدد كبير من مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، فراجع "كيف تصنع بنفسك: PCBA" (الخطوة السابقة) بدلاً من ذلك.

طلب ثنائي الفينيل متعدد الكلور

يمكنك شراء ثنائي الفينيل متعدد الكلور من العديد من المواقع ، بما في ذلك Seeed Studio ، مع قدرة بعضها على التسليم في أقل من أسبوع. استخدمنا Seeed Fusion ، ولكن يجب أن تكون هذه الخطوات مشابهة جدًا للمواقع الأخرى.

1. قم بتسجيل الدخول أو إنشاء حساب على
2. انقر فوق "اطلب الآن".
3. تحميل ملفات جربر.
4. ضبط الإعدادات (كمية PCB وإنهاء السطح: HASL خالية من الرصاص)
5. أضف إلى عربة التسوق والنظام!

يرجى زيارة: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… للملفات المطلوبة.

طلب قطع الغيار

نظرًا لأن اللوحة بها وسادات إضافية لخيارات تثبيت SMD / عبر الفتحات ، فلن تحتاج إلى ملء كل جزء. إذا كنت تقوم باللحام يدويًا ، فمن الأسهل تجنب جميع SMDs عن طريق ملء اللوحة وفقًا للجدول الموضح في الصور.

ملحوظة. إذا كنت واثقًا من استخدام مكواة اللحام ، فسيكون من الأفضل توفير المساحة والأرخص استخدام فتحة Micro SD المثبتة على السطح بدلاً من الرأس ذي 8 سنون + لوحة الفصل.

الخطوة 7: كيف تصنع بنفسك: التجميع

تعديلات كابل جروف

لتوصيل مستشعرات PM بموصلات البستان ، ستحتاج إلى لصق كبلات المستشعر على كبلات البستان ، كما هو موضح في الصورة أعلاه. يمكنك القيام بذلك باستخدام التجعيد أو اللحام وتقليص الحرارة. اعتمادًا على المستشعر الذي تستخدمه ، ستحتاج إلى التأكد من أن pinout يطابق المدخلات إلى PCB.

خطوات التجميع

1. اختر أحد مداخل الطاقة التي ترغب في استخدامها (مقبس برميل / JST / طرف برغي) وقم بتوصيل الإمداد المناسب.
2. استخدم مقياسًا متعددًا للتحقق من وسادات اختبار V_IN و 5 V على الجزء الخلفي من ثنائي الفينيل متعدد الكلور.
3. عندما تكون سعيدًا بأن اللوحة تعمل بالطاقة بشكل صحيح ، قم بإزالة مصدر الطاقة. (إذا لم تجرب مصدر طاقة بديل)
4. قم بتوصيل LoPy4 في الرؤوس ذات 16 سنًا ، مع التأكد من أن مؤشر LED في الجزء العلوي (كما هو موضح على الشاشة الحريرية). الفتحات الأربعة السفلية في الرؤوس غير مستخدمة.
5. قم بتوصيل كل من أجهزة Grove بالمآخذ المتطابقة الموجودة على PCB.
6. قم بتوصيل بطاقة micro SD.
7. أعد توصيل مصدر الطاقة. يجب أن يتم تشغيل كل من مصابيح LED الموجودة في LoPy4 و GPS.
8. استخدم مقياسًا متعددًا للتحقق من منصات الاختبار المتبقية على الجزء الخلفي من ثنائي الفينيل متعدد الكلور.
9. يجب أن يكون PyonAir جاهزًا الآن للبرمجة!

ملحوظة. تأكد من إفراغ بطاقة SD وتهيئتها على أنها FAT32 قبل توصيلها باللوحة.

تحذير: قم بتوصيل مصدر طاقة واحد فقط في كل مرة. قد يؤدي توصيل عدة مصادر في نفس الوقت إلى تقصير طاقة البطارية أو التيار الكهربائي!

الخطوة 8: كيف تصنع بنفسك: البرمجيات

لتطوير برامجنا ، استخدمنا Atom و pymakr. كلاهما مفتوح المصدر ويجب أن يعمل على معظم أجهزة الكمبيوتر. نوصي بتثبيت هذه قبل تنزيل الكود الخاص بلوحة LoPy4.

توصي Pycom بتحديث البرامج الثابتة لأجهزتهم قبل محاولة استخدامها. يمكن العثور على التعليمات الكاملة حول كيفية القيام بذلك هنا:

التركيب

1. للحصول على جهاز استشعار PM وتشغيله ، قم بتنزيل أحدث إصدار من الكود الخاص بنا من GitHub: https://github.com/pyonair/PyonAir-pycom تأكد من استخراج جميع الملفات إلى مكان مناسب على جهاز الكمبيوتر أو الكمبيوتر المحمول. وتجنب إعادة تسمية أي من الملفات.
2. افتح Atom وأغلق أي ملفات حالية بالنقر بزر الماوس الأيمن فوق مجلد المستوى العلوي والنقر فوق "إزالة مجلد المشروع" في القائمة التي تظهر.
3. اذهب إلى ملف> فتح مجلد وحدد المجلد "lopy". يجب أن تظهر كافة الملفات والمجلدات المضمنة في جزء "المشروع" على اليسار في Atom.
4. قم بتوصيل PyonAir PCB بجهاز الكمبيوتر أو الكمبيوتر المحمول الخاص بك باستخدام كبل FTDI-USB ودبابيس RX و TX و GND على الرأس على يمين اللوحة.
5. يجب أن تظهر اللوحة في Atom وأن تتصل تلقائيًا.
6. لتحميل الكود ، ما عليك سوى النقر فوق الزر "تحميل" في الجزء السفلي. قد تستغرق العملية بضع دقائق ، اعتمادًا على عدد الملفات التي يجب إزالتها وتثبيتها. بمجرد نجاح التحميل ، اضغط على Ctrl + c على لوحة المفاتيح لإيقاف الرمز ، ثم افصل كابل FTDI-USB.

إعدادات

عندما تقوم بإعداد جهاز جديد لأول مرة أو إذا كنت تريد تغيير أي إعدادات ، فستحتاج إلى تكوينه عبر شبكة WiFi.

1. قم بإزالة جهاز مراقبة تلوث الهواء من أي حالات بحيث يمكنك الوصول إلى زر المستخدم.
2. قم بإعداد هاتف أو كمبيوتر يمكنه الاتصال بشبكات WiFi المحلية.
3. قم بتشغيل جهاز PyonAir.
4. عند إعداد الجهاز لأول مرة ، يجب أن يتحول تلقائيًا إلى وضع التكوين ، المشار إليه بواسطة وميض LED الأزرق. بخلاف ذلك ، اضغط مع الاستمرار على زر المستخدم في Grove socket PCB (المسمى CONFIG) لمدة 3 ثوانٍ. يجب أن يتحول RGB LED إلى اللون الأزرق الثابت.
5. قم بالاتصال بشبكة WiFi الخاصة بجهاز PyonAir. (سيطلق على هذا اسم "NewPyonAir" أو أيًا كان ما قمت بتسميته مسبقًا بالجهاز.) كلمة المرور هي "newpyonair".
6. أدخل https://192.168.4.10/ في متصفح الويب الخاص بك. يجب أن تظهر صفحة التكوين.
7. املأ جميع الحقول المطلوبة في الصفحة وانقر فوق "حفظ" عند الانتهاء. (ستحتاج إلى تقديم تفاصيل الاتصال بـ LoRa و WiFi ، وتعيين معرف فريد لكل جهاز استشعار ، وتحديد تفضيلاتك فيما يتعلق بالحصول على البيانات.)
8. يجب الآن إعادة تشغيل جهاز PyonAir وسيستخدم الإعدادات التي قدمتها.

لتوصيل جهازك بـ LoRa ، قم بتسجيله عبر The Things Network. أنشئ جهازًا جديدًا باستخدام Device EUI الموضح في صفحة التكوين ، وانسخ تطبيق EUI ومفتاح التطبيق من TTN إلى التكوينات.

Pybytes هو محور إنترنت الأشياء عبر الإنترنت من Pycom ، والذي يمكنك من خلاله تحديث البرامج الثابتة وإجراء تحديثات OTA وتصور البيانات من الأجهزة المتصلة. أولاً ، ستحتاج إلى تسجيل الدخول أو إنشاء حساب هنا: https://pyauth.pybytes.pycom.io/login ثم اتبع الخطوات لتسجيل جهاز جديد.

اختبارات

أسهل طريقة لاختبار عمل جهاز مراقبة تلوث الهواء لديك بشكل صحيح هي استخدام كبل FTDI-USB ورؤوس الدبوس RX و TX و GND على Grove Socket PCB. يتيح لك توصيل الجهاز بهذه الطريقة عرض جميع الرسائل والقراءات في Atom.

يُظهر RGB LED على لوحة LoPy حالة اللوحة:

• التهيئة = العنبر
• نجحت التهيئة = يومض الضوء الأخضر مرتين
• لا يمكن الوصول إلى بطاقة SD = وميض الضوء الأحمر فور بدء التشغيل
• مشكلة أخرى = وميض الضوء الأحمر أثناء التهيئة
• أخطاء وقت التشغيل = يومض باللون الأحمر

بشكل افتراضي ، سيتم إرسال البيانات من PyonAir إلى خادم جامعة ساوثهامبتون. يمكنك تعديل الرمز قبل نشر الجهاز لإعادة توجيهه إلى موقع من اختيارك.

الخطوة 9: كيف تصنعها بنفسك: النشر

الآن بعد أن تم تكوين جهاز مراقبة تلوث الهواء بالكامل ، يجب أن تكون جاهزًا لنشر الجهاز!

نصيحة حالة

الحالة التي اخترناها لأجهزتنا كانت: https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055؟ul_noapp=t… ومع ذلك ، لا تتردد في شراء علبة مختلفة أو تصميم خاص بك. يتم توفير ملفات SolidWorks لمعظم الأجهزة التي استخدمناها في قسم معلومات إضافية ، للمساعدة في تصميم الحالات المخصصة. تظهر أيضًا إحدى الطرق المقترحة لترتيب المستشعرات وقطع الثقوب في العلبة في الصورة أعلاه.

فقط تذكر أن قضيتك يجب أن:

• حماية الأجهزة الإلكترونية من الماء والغبار
• السماح بتركيب الجهاز في الموقع
• السماح للهواء بالوصول إلى مستشعر (مستشعرات) PM
• منع ارتفاع درجة حرارة الأجهزة الإلكترونية
• امسك الأجهزة الإلكترونية بإحكام داخل العلبة

الموقع

موقع النشر المثالي سوف يفي بالمعايير التالية:

• في منطقة ذات أهمية لتلوث الهواء
• خارج ضوء الشمس المباشر
• ضمن نطاق بوابة LoRa
• ضمن نطاق WiFi
• بالقرب من مصدر طاقة
• نقاط تثبيت آمنة
• قادرة على استقبال إشارات GPS

الخطوة 10: الملفات والاعتمادات

يمكن العثور على جميع الملفات التي يجب أن تحتاجها لإنشاء PyonAir الكامل الخاص بك على: https://su-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… (لا يمكن تحميل ملفات Zip إلى Instructables ، آسف!) يتضمن Gitbook أيضًا معلومات إضافية حول الأجهزة والبرامج.

الاعتمادات

أشرف على المشروع الدكتور ستيفن جيه أوسونت والدكتور فيل باسفورد وفلورنتين بولوت

كود دانيل هاوسنر وبيتر فارجا

تصميم الدوائر والتعليمات بواسطة Hazel Mitchell