PyonAir - Pemantau Polusi Udara Sumber Terbuka: 10 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:54

PyonAir adalah sistem berbiaya rendah untuk memantau tingkat polusi udara lokal - khususnya, partikel. Berbasis di sekitar papan Pycom LoPy4 dan perangkat keras yang kompatibel dengan Grove, sistem dapat mengirimkan data melalui LoRa dan WiFi.

Saya melakukan proyek ini di University of Southampton, bekerja dalam tim peneliti. Tanggung jawab utama saya adalah desain dan pengembangan PCB. Ini adalah pertama kalinya saya menggunakan Eagle jadi itu pasti pengalaman belajar!

Tujuan proyek PyonAir adalah untuk menyebarkan jaringan pemantau polusi IoT berbiaya rendah yang memungkinkan kami mengumpulkan informasi penting tentang distribusi dan penyebab polusi udara. Meskipun ada banyak pemantau polusi di pasaran, kebanyakan hanya menawarkan "Indeks Kualitas Udara", daripada data PM mentah - terutama dengan harga terjangkau. Dengan menjadikan proyek sumber terbuka, dengan petunjuk penyiapan yang mudah, kami berharap perangkat PyonAir dapat diakses oleh siapa saja yang tertarik dengan kualitas udara, baik secara pribadi maupun profesional. Misalnya, perangkat ini dapat digunakan untuk mengumpulkan data untuk proyek mahasiswa, PhD, dan pihak independen, sehingga penelitian penting yang memiliki reputasi biaya yang melambung jauh lebih dapat dicapai. Proyek ini juga dapat digunakan untuk tujuan penjangkauan, berkomunikasi dengan anggota masyarakat tentang kualitas udara lokal mereka dan langkah-langkah yang dapat diambil untuk memperbaikinya.

Tujuan kesederhanaan dan kemudahan penggunaan kami menginspirasi keputusan kami untuk menggunakan sistem Grove sebagai tulang punggung desain kami. Berbagai macam modul yang kompatibel akan memungkinkan pengguna sistem untuk menyesuaikan perangkat PyonAir dengan kebutuhan mereka, tanpa dipaksa untuk mendesain ulang perangkat keras dasar. Sementara itu, LoPy4 Pycom menawarkan beberapa opsi untuk komunikasi nirkabel dalam satu paket yang rapi.

Dalam instruksi ini, saya akan menjelaskan perjalanan desain dan langkah-langkah untuk membuat PCB, diikuti dengan instruksi tentang cara merakit unit PyonAir lengkap.

Perlengkapan

Komponen:

• LoPy4: Papan utama (https://pycom.io/product/lopy4/)
• PyonAirPCB: Koneksi mudah ke sensor Grove
• Plantower PMS5003: Sensor polusi udara (https://shop.pimoroni.com/products/pms5003-particu…
• Sensirion SPS30: Sensor polusi udara (https://www.mouser.co.uk/ProductDetail/Sensirion/SPS30?qs=lc2O%252bfHJPVbEPY0RBeZmPA==)
• Sensor SHT35: Sensor suhu & kelembaban (https://www.seeedstudio.com/Grove-I2C-High-Accurac…
• Jam Waktu Nyata: Unit jam cadangan (https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/hardware/…
• Modul GPS: Penerima GPS untuk waktu & lokasi (https://www.seeedstudio.com/Grove-GPS-Module.html)
• Kabel Grove:
• Antena Pycom: Kemampuan LoRa (https://pycom.io/product/lora-868mhz-915mhz-sigfox…
• Kartu MicroSD
• Catu daya: Catu daya primer (Disarankan:
• Casing: Kotak ABS tahan cuaca IP66 115x90x65 mm (https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t…

Peralatan:

• Besi solder
• Multimeter
• Obeng kecil
• Kabel FTDI (opsional):

Langkah 1: Tentang PCB

Konektor Grove adalah standar yang semakin populer di ekosistem elektronik penghobi. Konektor plug-and-play membuat pemasangan dan penukaran berbagai modul menjadi mudah dan cepat, tanpa perlu menyolder ulang sambungan.

Sementara itu, papan LoPy4 Pycom dipilih sebagai mikrokontroler utama untuk PyonAir karena menawarkan 4 mode komunikasi nirkabel: LoRa, Sigfox, WiFi & Bluetooth dan diprogram menggunakan MicroPython.

Arduino dan Raspberry Pi sudah mendukung pelindung konektor Grove tetapi belum ada yang dirilis untuk sistem Pycom. Oleh karena itu, kami merancang PCB papan ekspansi kami sendiri, yang sesuai dengan papan LoPy4. PCBnya berisi:

• 2 soket I2C (Sensor suhu & RTC)
• 3 soket UART (sensor 2x PM & GPS)
• Pin untuk data USB
• Sirkuit transistor untuk mengontrol daya ke sensor PM
• Sirkuit transistor untuk mengontrol daya ke penerima GPS
• Slot Micro SD
• tombol pengguna
• Konektor input daya (Barrel, JST atau terminal sekrup)
• Regulator tegangan

Langkah 2: PCB V1-V3

PCB V1

Upaya pertama saya di PCB didasarkan pada konsep "shim", di mana PCB tipis akan muat antara papan LoPy dan papan ekspansi Pycom, seperti Pytrack (lihat gambar CAD). Dengan demikian, tidak ada lubang pemasangan dan papannya sangat sederhana, hanya menampilkan konektor dan sepasang transistor untuk menghidupkan atau mematikan sensor PM.

Sejujurnya, ada banyak yang salah dengan papan ini:

• Jejaknya terlalu tipis
• Tidak ada pesawat darat
• Orientasi transistor yang aneh
• Ruang yang tidak terpakai
• Label versi ditulis dalam lapisan trek, bukan layar sutra

PCB V2

Pada V2, menjadi jelas bahwa kami membutuhkan PyonAir untuk beroperasi tanpa papan ekspansi, sehingga input daya, terminal UART, dan slot SD ditambahkan ke desain.

Masalah:

• Trek melintasi zona lubang pemasangan
• Tidak ada panduan orientasi LoPy
• Orientasi jack barel DC salah

PCB V3

Perubahan yang relatif kecil dibuat antara V2 & V3 - sebagian besar koreksi untuk masalah di atas.

Langkah 3: PCB V4

V4 menampilkan desain ulang lengkap dari seluruh PCB, di mana perubahan berikut dibuat:

• Hampir setiap komponen dapat disolder dengan tangan atau dirakit sebelumnya menggunakan PCBA
• Lubang pemasangan di sudut
• Komponen dikelompokkan ke dalam zona "Permanen", "Daya" dan "Pengguna"

• Label untuk:

  • Rentang tegangan masukan:
  • Tautan dokumentasi
  • Lokasi LED LoPy
• 2 opsi pemegang SD
• Bantalan tes
• Jack barel DC dapat dipasang di atas atau di bawah papan
• Perutean yang lebih baik
• Komponen yang dikemas lebih efisien
• Baris header perempuan yang lebih panjang ditambahkan, sehingga pengguna dapat menggunakan header 4x 8-pin, bukan 2 pasang header 8-pin dan 6-pin, sehingga sedikit lebih murah.

Langkah 4: PCB V5

Versi terakhir

Beberapa penyesuaian terakhir ini dilakukan pada V5 sebelum dikirimkan untuk pembuatan PCBA oleh Seeed Studio:

• Perutean yang lebih rapi
• Pemosisian label yang ditingkatkan
• Tautan situs web yang diperbarui
• Bantalan silkscreen untuk pelabelan PCB selama pengujian
• Sudut yang lebih membulat (agar lebih pas di enklosur yang dipilih)
• Panjang PCB yang disesuaikan agar sesuai dengan rel penutup

Langkah 5: Cara Membuat Sendiri: PCBA

Jika Anda berencana membuat kurang dari 5 PCB, lihat "Cara membuat sendiri: Solder Tangan" (langkah berikutnya).

Pemesanan PCBA dari Seeed Studio

1. Masuk atau buat akun di
2. Klik 'Pesan Sekarang'.
3. Unggah file Gerber.
4. Sesuaikan pengaturan (jumlah PCB & permukaan akhir: HASL Bebas Timbal).
5. Tambahkan gambar perakitan & pilih dan tempatkan file.
6. Pilih jumlah PCBA.
7. Tambahkan BOM. (N. B.: Jika Anda ingin menghindari penyolderan sendiri dan tidak keberatan menunggu lebih lama, Anda dapat menambahkan regulator tegangan TSRN 1-2450 ke BOM.
8. Tambahkan ke troli & pesan!

Silakan kunjungi: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… untuk file yang diperlukan.

Menyolder regulator tegangan

Satu-satunya bagian yang memerlukan penyolderan saat menggunakan layanan PCBA Seeed adalah regulator tegangan TSRN 1-2450. Seperti disebutkan di atas, Anda dapat memasukkan ini ke dalam BOM perakitan tetapi mungkin menambah lebih banyak waktu untuk pesanan.

Jika Anda senang menyoldernya dengan tangan, cukup tambahkan regulator ke tempat yang ditunjukkan oleh sablon, pastikan orientasinya benar. Titik putih pada silkscreen harus sejajar dengan titik putih pada regulator (lihat gambar).

Langkah 6: Cara Membuat Sendiri: Solder Tangan

Jika Anda berencana membuat PCB dalam jumlah besar, lihat "Cara membuat sendiri: PCBA" (langkah sebelumnya).

Pemesanan PCB

Anda dapat membeli PCB dari banyak situs web, termasuk Seeed Studio, dengan beberapa dapat dikirim dalam waktu kurang dari seminggu. Kami menggunakan Seeed Fusion, tetapi langkah-langkah ini harus sangat mirip dengan situs lain.

1. Masuk atau buat akun di
2. Klik 'Pesan Sekarang'.
3. Unggah File Gerber.
4. Sesuaikan pengaturan (kuantitas PCB & Permukaan akhir: HASL Bebas Timbal)
5. Tambahkan ke troli dan pesan!

Silakan kunjungi: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… untuk file yang diperlukan.

Memesan suku cadang

Karena papan memiliki bantalan tambahan untuk opsi pemasangan SMD/lubang, Anda tidak perlu mengisi setiap bagian. Jika Anda menyolder dengan tangan, paling mudah untuk menghindari semua SMD dengan mengisi papan sesuai dengan tabel yang ditunjukkan pada gambar.

N. B. Jika Anda yakin dengan besi solder, akan lebih hemat ruang dan lebih murah menggunakan slot Micro SD yang dipasang di permukaan daripada 8-pin header + breakout board.

Langkah 7: Cara Membuat Sendiri: Perakitan

Modifikasi kabel Grove

Untuk menghubungkan sensor PM Anda ke konektor grove, Anda harus menyambungkan kabel sensor ke kabel grove, seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas. Anda dapat melakukan ini menggunakan crimps atau solder dan heat-shrink. Tergantung pada sensor yang Anda gunakan, Anda harus memastikan pinout cocok dengan input ke PCB.

Langkah perakitan

1. Pilih salah satu input daya yang ingin Anda gunakan (jack barel / JST / terminal sekrup) dan hubungkan catu daya yang sesuai.
2. Gunakan multimeter untuk memeriksa bantalan uji V_IN dan 5V di bagian belakang PCB.
3. Saat Anda senang bahwa papan diberi daya dengan benar, lepaskan catu daya. (Jika tidak coba catu daya alternatif)
4. Colokkan LoPy4 ke header 16-pin, pastikan LED berada di atas (seperti yang ditunjukkan pada silkscreen). 4 lubang bawah di header tidak digunakan.
5. Hubungkan masing-masing perangkat Grove ke soket yang cocok pada PCB.
6. Colokkan kartu micro SD.
7. Sambungkan kembali catu daya. LED pada LoPy4 dan GPS harus menyala.
8. Gunakan multimeter untuk memeriksa bantalan uji yang tersisa di bagian belakang PCB.
9. PyonAir Anda sekarang harus siap untuk diprogram!

N. B. Pastikan Anda mengosongkan kartu SD dan memformatnya sebagai FAT32 sebelum mencolokkannya ke papan.

PERINGATAN: Hanya sambungkan satu sumber daya pada satu waktu. Menghubungkan beberapa suplai pada saat yang sama dapat menyebabkan arus pendek baterai atau daya listrik!

Langkah 8: Cara Membuat Sendiri: Perangkat Lunak

Untuk pengembangan perangkat lunak kami, kami menggunakan Atom dan pymakr. Keduanya open-source dan harus bekerja di sebagian besar komputer. Kami menyarankan untuk menginstal ini sebelum mengunduh kode untuk papan LoPy4.

Pycom merekomendasikan untuk memperbarui firmware perangkat mereka sebelum mencoba menggunakannya. Petunjuk lengkap tentang cara melakukannya dapat ditemukan di sini:

Instalasi

1. Untuk mengaktifkan dan menjalankan perangkat sensor PM Anda, unduh versi terbaru kode kami dari GitHub: https://github.com/pyonair/PyonAir-pycom Pastikan Anda mengekstrak semua file ke lokasi yang nyaman di PC atau laptop Anda dan hindari mengganti nama file apa pun.
2. Buka Atom dan tutup semua file saat ini dengan mengklik kanan folder tingkat atas dan mengklik "Hapus Folder Proyek" di menu yang muncul.
3. Buka File > Buka Folder dan pilih folder "copy". Semua file dan folder yang ada akan muncul di panel "Project" di sebelah kiri di Atom.
4. Colokkan PCB PyonAir ke PC atau laptop Anda menggunakan kabel FTDI-USB dan pin RX, TX, dan GND pada header di sebelah kanan papan.
5. Papan akan muncul di Atom dan terhubung secara otomatis.
6. Untuk mengunggah kode, cukup klik tombol "Unggah" di panel bawah. Prosesnya mungkin memakan waktu beberapa menit, tergantung pada berapa banyak file yang perlu dihapus dan diinstal. Setelah unggahan berhasil, tekan Ctrl + c pada keyboard Anda untuk menghentikan kode, lalu cabut kabel FTDI-USB.

Konfigurasi

Saat Anda mengatur perangkat baru untuk pertama kalinya atau jika Anda ingin mengubah pengaturan apa pun, Anda harus mengonfigurasinya melalui WiFi.

1. Hapus monitor polusi udara Anda dari kasus apa pun sehingga Anda dapat mengakses tombol pengguna.
2. Siapkan ponsel atau komputer yang mampu terhubung ke jaringan WiFi lokal.
3. Nyalakan perangkat PyonAir.
4. Saat mengatur perangkat untuk pertama kalinya, perangkat akan secara otomatis beralih ke mode konfigurasi, ditunjukkan dengan LED biru berkedip. Jika tidak, tekan dan tahan tombol pengguna pada PCB soket Grove (berlabel CONFIG) selama 3 detik. LED RGB akan berubah menjadi biru pekat.
5. Hubungkan ke WiFi perangkat PyonAir. (Ini akan diberi nama 'NewPyonAir' atau apa pun yang Anda beri nama perangkat sebelumnya.) Kata sandinya adalah 'newpyonair'.
6. Masukkan https://192.168.4.10/ ke browser web Anda. Halaman konfigurasi akan muncul.
7. Isi semua bidang yang diperlukan pada halaman dan klik 'Simpan' setelah selesai. (Anda harus memberikan detail koneksi ke LoRa dan WiFi, menetapkan ID unik untuk setiap sensor, dan menentukan preferensi Anda terkait akuisisi data.)
8. Perangkat PyonAir sekarang harus reboot dan akan menggunakan pengaturan yang Anda berikan.

Untuk menghubungkan perangkat Anda ke LoRa, daftarkan melalui The Things Network. Buat perangkat baru dengan Device EUI yang ditampilkan di halaman konfigurasi, dan salin Application EUI dan App Key dari TTN ke konfigurasi.

Pybytes adalah hub IoT online Pycom, tempat Anda dapat memperbarui firmware, melakukan pembaruan OTA, dan memvisualisasikan data dari perangkat yang terhubung. Pertama, Anda harus masuk atau membuat akun di sini: https://pyauth.pybytes.pycom.io/login lalu ikuti langkah-langkah untuk mendaftarkan perangkat baru.

Pengujian

Cara termudah untuk menguji apakah monitor polusi udara Anda berfungsi dengan benar adalah menggunakan kabel FTDI-USB dan pin header RX, TX & GND pada Grove Socket PCB. Menghubungkan perangkat dengan cara ini memungkinkan Anda melihat semua pesan dan bacaan di Atom.

LED RGB pada papan LoPy menunjukkan status papan:

• Inisialisasi = Kuning
• Inisialisasi berhasil = Lampu hijau berkedip dua kali
• Tidak dapat mengakses kartu SD = Lampu merah berkedip segera setelah boot
• Masalah lain = Lampu merah berkedip selama inisialisasi
• Kesalahan runtime = Merah berkedip

Secara default, data dari PyonAir akan dikirim ke server Universitas Southampton. Anda dapat mengedit kode sebelum menerapkan perangkat untuk mengarahkannya ke lokasi pilihan Anda.

Langkah 9: Cara Membuat Sendiri: Deployment

Sekarang setelah monitor polusi udara Anda terkonfigurasi sepenuhnya, Anda harus siap untuk menggunakan perangkat!

Saran kasus

Kasing yang kami pilih untuk perangkat kami adalah: https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t… Namun, jangan ragu untuk membeli kasing lain atau mendesain sendiri. File SolidWorks untuk sebagian besar perangkat keras yang kami gunakan disediakan di bagian Info Tambahan, untuk membantu merancang kasing khusus. Salah satu metode yang diusulkan untuk mengatur sensor dan memotong lubang pada casing juga ditunjukkan pada gambar di atas.

Ingatlah bahwa kasing Anda harus:

• Lindungi elektronik dari air dan debu
• Izinkan pemasangan perangkat di tempat
• Biarkan udara mencapai sensor PM
• Mencegah elektronik dari panas berlebih
• Pegang elektronik dengan aman di dalam kasing

Saran lokasi

Lokasi penerapan yang ideal akan memenuhi kriteria berikut:

• Di wilayah yang menarik untuk polusi udara
• Terhindar dari sinar matahari langsung
• Dalam jangkauan gateway LoRa
• Dalam jangkauan WiFi
• Dekat dengan sumber listrik
• Titik pemasangan yang aman
• Dapat menerima sinyal GPS

Langkah 10: File & Kredit

Semua file yang Anda perlukan untuk membuat PyonAir lengkap Anda sendiri dapat ditemukan di: https://su-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… (File Zip tidak dapat diunggah ke Instructables, maaf!) Gitbook juga menyertakan informasi tambahan tentang perangkat keras dan perangkat lunak.

Kredit

Proyek diawasi oleh Dr Steven J Ossont, Dr Phil Basford & Florentin Bulot

Kode oleh Daneil Hausner & Peter Varga

Desain & instruksi sirkuit oleh Hazel Mitchell