PyonAir: un monitor de contaminación del aire de código abierto: 10 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

PyonAir es un sistema de bajo costo para monitorear los niveles de contaminación del aire local, específicamente, material particulado. Basado en la placa Pycom LoPy4 y el hardware compatible con Grove, el sistema puede transmitir datos a través de LoRa y WiFi.

Realicé este proyecto en la Universidad de Southampton, trabajando en un equipo de investigadores. Mi principal responsabilidad fue el diseño y desarrollo de la PCB. Esta fue la primera vez que usé Eagle, ¡así que definitivamente fue una experiencia de aprendizaje!

El objetivo del proyecto PyonAir es implementar una red de monitores de contaminación de IoT de bajo costo que nos permitan recopilar información crucial sobre la distribución y las causas de la contaminación del aire. Si bien hay muchos monitores de contaminación en el mercado, la mayoría solo ofrece "Índice de calidad del aire", en lugar de datos de partículas en bruto, especialmente a precios asequibles. Al hacer que el proyecto sea de código abierto, con instrucciones de configuración sencillas, esperamos que el dispositivo PyonAir sea accesible para cualquiera que esté interesado en la calidad del aire, ya sea personal o profesionalmente. Por ejemplo, este dispositivo se puede utilizar para recopilar datos para proyectos de estudiantes, doctorados y partes independientes, lo que hace que la investigación vital que tiene una reputación de costos elevados sea mucho más asequible. El proyecto también se puede utilizar con fines de divulgación, comunicándose con el público sobre la calidad del aire local y los pasos que se pueden tomar para mejorarla.

Nuestros objetivos de simplicidad y facilidad de uso inspiraron nuestra decisión de utilizar el sistema Grove como la columna vertebral de nuestro diseño. La amplia gama de módulos compatibles permitirá a los usuarios del sistema personalizar el dispositivo PyonAir según sus necesidades, sin verse obligados a rediseñar el hardware fundamental. Mientras tanto, LoPy4 de Pycom ofrece múltiples opciones para la comunicación inalámbrica en un paquete único y ordenado.

En este instructivo, describiré el viaje de diseño y los pasos para fabricar la PCB, seguido de instrucciones sobre cómo ensamblar la unidad PyonAir completa.

Suministros

Componentes:

• LoPy4: placa principal (https://pycom.io/product/lopy4/)
• PyonAirPCB: fácil conexión a los sensores Grove
• Plantower PMS5003: Sensor de contaminación del aire (https://shop.pimoroni.com/products/pms5003-particu…
• Sensirion SPS30: sensor de contaminación del aire (https://www.mouser.co.uk/ProductDetail/Sensirion/SPS30?qs=lc2O%252bfHJPVbEPY0RBeZmPA==)
• Sensor SHT35: sensor de temperatura y humedad (https://www.seeedstudio.com/Grove-I2C-High-Accurac…
• Reloj en tiempo real: Unidad de reloj de respaldo (https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/hardware/…
• Módulo GPS: receptor GPS para hora y ubicación (https://www.seeedstudio.com/Grove-GPS-Module.html)
• Cables Grove:
• Antena Pycom: capacidad LoRa (https://pycom.io/product/lora-868mhz-915mhz-sigfox…
• Tarjeta micro SD
• Fuente de alimentación: fuente de alimentación primaria (recomendado:
• Caja: Caja de ABS resistente a la intemperie IP66 115x90x65 mm (https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t…

Instrumentos:

• Soldador
• Multimetro
• Destornillador pequeño
• Cable FTDI (opcional):

Paso 1: Acerca de la PCB

Los conectores Grove son un estándar cada vez más popular en el ecosistema de la electrónica de aficionados. Los conectores plug-and-play hacen que conectar e intercambiar una amplia gama de módulos sea fácil y rápido, sin necesidad de soldar juntas.

Mientras tanto, la placa LoPy4 de Pycom fue seleccionada como el microcontrolador principal para PyonAir, ya que ofrece 4 modos de comunicación inalámbrica: LoRa, Sigfox, WiFi y Bluetooth y se programa mediante MicroPython.

Arduino y Raspberry Pi ya son compatibles con los protectores de conectores Grove, pero aún no se ha lanzado ninguno para el sistema Pycom. Por lo tanto, diseñamos nuestra propia placa de expansión PCB, que encaja en la placa LoPy4. El PCB contiene:

• 2 tomas I2C (sensor de temperatura y RTC)
• 3 tomas UART (2 sensores PM y GPS)
• Pines para datos USB
• Un circuito de transistor para controlar la energía a los sensores PM
• Un circuito de transistor para controlar la alimentación del receptor GPS.
• Ranura micro SD
• Botón de usuario
• Conectores de entrada de energía (barril, JST o terminal de tornillo)
• Regulador de voltaje

Paso 2: PCB V1-V3

PCB V1

Mi primer intento con el PCB se basó en un concepto de "calce", donde un PCB delgado encajaría entre el tablero LoPy y un tablero de expansión Pycom, como el Pytrack (ver dibujo CAD). Como tal, no había orificios de montaje y la placa era muy básica, con solo conectores y un par de transistores para encender o apagar los sensores de PM.

Para ser honesto, hubo muchos errores con esta placa:

• Las pistas eran demasiado delgadas
• Sin plano de tierra
• Orientaciones extrañas de transistores
• Espacio no utilizado
• La etiqueta de la versión se escribió en una capa de pista, no en serigrafía.

PCB V2

Para V2, se hizo evidente que necesitábamos que PyonAir funcionara sin una placa de expansión, por lo que se agregaron al diseño entradas de alimentación, un terminal UART y una ranura SD.

Cuestiones:

• Rastrea zonas de orificios de montaje cruzados
• Sin guía de orientación de LoPy
• Orientación incorrecta del conector de barril de CC

PCB V3

Se realizaron alteraciones relativamente menores entre V2 y V3, en su mayoría correcciones a los problemas anteriores.

Paso 3: PCB V4

V4 contó con un rediseño completo de todo el PCB, en el que se realizaron los siguientes cambios:

• Casi todos los componentes se pueden soldar a mano o preensamblar con PCBA
• Agujeros de montaje en las esquinas
• Componentes agrupados en zonas "Permanente", "Energía" y "Usuario"

• Etiquetas para:

  • Rango de voltaje de entrada
  • Enlace de documentación
  • Ubicación del LED LoPy
• 2 opciones de soporte para SD
• Almohadillas de prueba
• El conector de barril de CC se puede montar en la parte superior o debajo de la placa
• Mejor enrutamiento
• Componentes empaquetados de manera más eficiente
• Se agregaron filas de encabezado hembra más largas, por lo que un usuario podría usar encabezados de 4x 8 pines, en lugar de 2 pares de encabezados de 8 y 6 pines, lo que lo hace un poco más barato.

Paso 4: PCB V5

¡La versión final

Estos últimos ajustes se realizaron en V5 antes de que Seeed Studio lo enviara para la fabricación de PCBA:

• Rutas aún más ordenadas
• Posicionamiento de etiquetas mejorado
• Enlace al sitio web actualizado
• Almohadillas de serigrafía para etiquetar PCB durante las pruebas
• Esquinas más redondeadas (para encajar mejor en el recinto seleccionado)
• Longitud ajustada de PCB para adaptarse a los rieles del gabinete

Paso 5: Cómo hacer el tuyo propio: PCBA

Si planea fabricar menos de 5 placas de circuito impreso, consulte "Cómo hacer las suyas propias: soldadura manual" (paso siguiente).

Pedidos de PCBA a Seeed Studio

1. Inicie sesión o cree una cuenta en
2. Haga clic en "Pedir ahora".
3. Sube archivos Gerber.
4. Ajuste la configuración (cantidad de PCB y acabado de la superficie: HASL sin plomo).
5. Agregue un dibujo de ensamblaje y elija y coloque un archivo.
6. Seleccione la cantidad de PCBA.
7. Agregar lista de materiales. (Nota: si desea evitar soldarlo usted mismo y no le importa esperar más tiempo, puede agregar el regulador de voltaje TSRN 1-2450 a la lista de materiales.
8. Añadir al carrito y hacer el pedido.

Visite: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… para obtener los archivos necesarios.

Soldar el regulador de voltaje

La única parte que requiere soldadura cuando se usa el servicio PCBA de Seeed es el regulador de voltaje TSRN 1-2450. Como se mencionó anteriormente, puede incluir esto en la lista de materiales de ensamblaje, pero puede agregar mucho más tiempo al pedido.

Si está contento de soldarlo a mano, simplemente agregue el regulador en el lugar indicado por la serigrafía, asegurándose de que la orientación sea correcta. El punto blanco de la serigrafía debe alinearse con el punto blanco del regulador (ver imagen).

Paso 6: Cómo hacer el tuyo propio: Soldadura manual

Si planea fabricar una gran cantidad de PCB, consulte "Cómo hacer el suyo propio: PCBA" (paso anterior).

Pedido de PCB

Puede comprar PCB en muchos sitios web, incluido Seeed Studio, y algunos pueden entregarse en menos de una semana. Usamos Seeed Fusion, pero estos pasos deberían ser muy similares a los de otros sitios.

1. Inicie sesión o cree una cuenta en
2. Haga clic en "Pedir ahora".
3. Sube archivos Gerber.
4. Ajuste la configuración (cantidad de PCB y acabado de la superficie: HASL sin plomo)
5. ¡Añádelo al carrito y haz tu pedido!

Visite: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… para obtener los archivos necesarios.

Pedido de piezas

Como la placa tiene almohadillas adicionales para las opciones de montaje de SMD / orificios pasantes, no es necesario completar todas las partes. Si está soldando a mano, es más fácil evitar todos los SMD rellenando la placa de acuerdo con la tabla que se muestra en las imágenes.

nótese bien Si está seguro con un soldador, es más eficiente en el espacio y más económico usar una ranura Micro SD de montaje en superficie en lugar del cabezal de 8 pines + placa de conexión.

Paso 7: Cómo hacer el tuyo propio: Ensamblaje

Modificaciones de cables Grove

Para conectar sus sensores de PM a los conectores de la arboleda, deberá empalmar los cables del sensor en los cables de la arboleda, como se muestra en la imagen de arriba. Puede hacer esto usando prensas o soldadura y termorretráctil. Dependiendo del sensor que use, deberá asegurarse de que el pinout coincida con las entradas de la PCB.

Pasos de montaje

1. Elija cuál de las entradas de alimentación desea utilizar (conector de barril / JST / terminal de tornillo) y conecte la fuente adecuada.
2. Use un multímetro para verificar las almohadillas de prueba V_IN y 5V en la parte posterior de la PCB.
3. Cuando esté satisfecho de que la placa esté correctamente alimentada, retire la fuente de alimentación. (Si no, prueba una fuente de alimentación alternativa)
4. Conecte el LoPy4 en los encabezados de 16 pines, asegurándose de que el LED esté en la parte superior (como se muestra en la serigrafía). Los 4 orificios inferiores de los encabezados no se utilizan.
5. Conecte cada uno de los dispositivos Grove en los enchufes correspondientes de la PCB.
6. Conecte la tarjeta micro SD.
7. Vuelva a conectar la fuente de alimentación. Los LED del LoPy4 y del GPS deben encenderse.
8. Use un multímetro para verificar las almohadillas de prueba restantes en la parte posterior de la PCB.
9. ¡Su PyonAir ya debería estar listo para programar!

nótese bien Asegúrese de vaciar la tarjeta SD y formatearla como FAT32 antes de conectarla a la placa.

ADVERTENCIA: Solo conecte una fuente de alimentación a la vez. ¡Conectar varios suministros al mismo tiempo podría provocar un cortocircuito en la batería o en el suministro eléctrico!

Paso 8: Cómo hacer el suyo propio: software

Para nuestro desarrollo de software, usamos Atom y pymakr. Ambos son de código abierto y deberían funcionar en la mayoría de las computadoras. Recomendamos instalarlos antes de descargar el código para la placa LoPy4.

Pycom recomienda actualizar el firmware de sus dispositivos antes de intentar usarlos. Las instrucciones completas sobre cómo hacerlo se pueden encontrar aquí:

Instalación

1. Para que su dispositivo sensor de PM esté en funcionamiento, descargue la última versión de nuestro código de GitHub: https://github.com/pyonair/PyonAir-pycom Asegúrese de extraer todos los archivos a una ubicación conveniente en su PC o computadora portátil y evite cambiar el nombre de cualquiera de los archivos.
2. Abra Atom y cierre los archivos actuales haciendo clic con el botón derecho en la carpeta de nivel superior y haciendo clic en "Eliminar carpeta de proyecto" en el menú que aparece.
3. Vaya a Archivo> Abrir carpeta y seleccione la carpeta "lopy". Todos los archivos y carpetas contenidos deberían aparecer en el panel "Proyecto" a la izquierda en Atom.
4. Conecte la PCB PyonAir a su PC o computadora portátil con un cable FTDI-USB y los pines RX, TX y GND en el encabezado a la derecha de la placa.
5. La placa debería aparecer en Atom y conectarse automáticamente.
6. Para cargar el código, simplemente haga clic en el botón "Cargar" en el panel inferior. El proceso puede tardar unos minutos, dependiendo de la cantidad de archivos que deban eliminarse e instalarse. Una vez que la carga se haya realizado correctamente, presione Ctrl + c en su teclado para detener el código, luego desconecte el cable FTDI-USB.

Configuración

Cuando configure un nuevo dispositivo por primera vez o si desea cambiar alguna configuración, deberá configurarlo a través de WiFi.

1. Retire su monitor de contaminación del aire de todos los casos de modo que pueda acceder al botón de usuario.
2. Prepare un teléfono o computadora que pueda conectarse a redes WiFi locales.
3. Encienda el dispositivo PyonAir.
4. Al configurar el dispositivo por primera vez, debería cambiar automáticamente al modo de configuración, indicado por el LED azul parpadeando. De lo contrario, presione y mantenga presionado el botón de usuario en el PCB del conector Grove (etiquetado CONFIG) durante 3 segundos. El LED RGB debe volverse azul fijo.
5. Conéctese al WiFi del dispositivo PyonAir. (Esto se llamará 'NewPyonAir' o lo que sea que hayas nombrado previamente al dispositivo). La contraseña es 'newpyonair'.
6. Ingrese https://192.168.4.10/ en su navegador web. Debería aparecer la página de configuración.
7. Complete todos los campos obligatorios en la página y haga clic en 'Guardar' cuando haya terminado. (Deberá proporcionar detalles de conexión a LoRa y WiFi, asignar una identificación única a cada sensor y especificar sus preferencias con respecto a la adquisición de datos).
8. El dispositivo PyonAir ahora debería reiniciarse y utilizará la configuración que proporcionó.

Para conectar su dispositivo a LoRa, regístrelo a través de The Things Network. Cree un nuevo dispositivo con el EUI del dispositivo que se muestra en la página de configuración y copie el EUI de la aplicación y la Clave de la aplicación de TTN a las configuraciones.

Pybytes es el centro de IoT en línea de Pycom, a través del cual puede actualizar el firmware, realizar actualizaciones OTA y visualizar datos de los dispositivos conectados. Primero, deberá iniciar sesión o crear una cuenta aquí: https://pyauth.pybytes.pycom.io/login y luego siga los pasos para registrar un nuevo dispositivo.

Pruebas

La forma más fácil de probar que su monitor de contaminación del aire está funcionando correctamente es usando un cable FTDI-USB y los encabezados de clavija RX, TX y GND en el PCB del conector Grove. Conectar el dispositivo de esta manera le permite ver todos los mensajes y lecturas en Atom.

El LED RGB de la placa LoPy muestra el estado de la placa:

• Inicializando = ámbar
• Inicialización exitosa = La luz verde parpadea dos veces
• No se puede acceder a la tarjeta SD = la luz roja parpadea inmediatamente después del arranque
• Otro problema = luz roja parpadeando durante la inicialización
• Errores de tiempo de ejecución = rojo parpadeando

De forma predeterminada, los datos de PyonAir se enviarán al servidor de la Universidad de Southampton. Puede editar el código antes de implementar el dispositivo para redirigirlo a la ubicación que elija.

Paso 9: Cómo hacer el tuyo propio: Implementación

Ahora que su monitor de contaminación del aire está completamente configurado, ¡debería estar listo para implementar el dispositivo!

Asesoramiento de casos

El estuche que seleccionamos para nuestros dispositivos fue: https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t… Sin embargo, siéntase libre de comprar un estuche diferente o diseñar el suyo propio. Los archivos de SolidWorks para la mayor parte del hardware que usamos se proporcionan en la sección Información adicional, para ayudar con el diseño de casos personalizados. En la imagen de arriba también se muestra un método propuesto para disponer los sensores y hacer agujeros en la carcasa.

Solo recuerde que su caso debe:

• Proteja la electrónica del agua y el polvo.
• Permitir el montaje del dispositivo en el sitio
• Deje que el aire llegue a los sensores de PM
• Evita que la electrónica se sobrecaliente
• Sostenga la electrónica de forma segura dentro de la caja

Asesoramiento de ubicación

Una ubicación de implementación ideal cumplirá los siguientes criterios:

• En una región de interés por la contaminación del aire
• Fuera de la luz solar directa
• Dentro del alcance de una puerta de enlace LoRa
• Dentro del alcance de WiFi
• Cerca de una fuente de energía
• Puntos de montaje seguros
• Capaz de recibir señales GPS

Paso 10: Archivos y créditos

Todos los archivos que necesita para crear su propio PyonAir completo se pueden encontrar en: https://su-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… (Los archivos zip no se pueden cargar en Instructables, ¡lo siento!) El Gitbook también incluye información adicional sobre el hardware y el software.

Créditos

Proyecto supervisado por el Dr. Steven J Ossont, el Dr. Phil Basford y Florentin Bulot

Código de Daneil Hausner y Peter Varga

Diseño e instrucciones del circuito por Hazel Mitchell