PyonAir - um monitor de poluição do ar de código aberto: 10 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

O PyonAir é um sistema de baixo custo para monitorar os níveis de poluição do ar local - especificamente, material particulado. Com base na placa Pycom LoPy4 e hardware compatível com Grove, o sistema pode transmitir dados tanto por LoRa quanto por WiFi.

Realizei este projeto na Universidade de Southampton, trabalhando em uma equipe de pesquisadores. Minha principal responsabilidade era o design e o desenvolvimento do PCB. Esta foi a minha primeira vez usando o Eagle, então foi definitivamente uma experiência de aprendizado!

O objetivo do projeto PyonAir é implantar uma rede de monitores de poluição de IoT de baixo custo que nos permitirá coletar informações cruciais sobre a distribuição e as causas da poluição do ar. Embora existam muitos monitores de poluição no mercado, a maioria oferece apenas "Índice de qualidade do ar", em vez de dados brutos de PM - especialmente a preços acessíveis. Ao tornar o projeto open-source, com instruções fáceis de configuração, esperamos tornar o dispositivo PyonAir acessível a qualquer pessoa interessada na qualidade do ar, tanto pessoal quanto profissionalmente. Por exemplo, este dispositivo pode ser usado para coletar dados para projetos de estudantes, PhDs e partes independentes, tornando a pesquisa vital que tem uma reputação de custos elevados muito mais acessível. O projeto também pode ser usado para fins de divulgação, comunicando ao público sobre a qualidade do ar local e as medidas que podem ser tomadas para melhorá-la.

Nossos objetivos de simplicidade e facilidade de uso inspiraram nossa decisão de usar o sistema Grove como a espinha dorsal de nosso design. A ampla gama de módulos compatíveis permitirá aos usuários do sistema personalizar o dispositivo PyonAir de acordo com as suas necessidades, sem serem forçados a redesenhar o hardware fundamental. Enquanto isso, o LoPy4 da Pycom oferece várias opções para comunicação sem fio em um pacote único e organizado.

Neste instrutível, estarei descrevendo a jornada de design e as etapas para fabricar o PCB, seguido por instruções sobre como montar a unidade PyonAir completa.

Suprimentos

Componentes:

• LoPy4: placa principal (https://pycom.io/product/lopy4/)
• PyonAirPCB: Fácil conexão aos sensores Grove
• Plantower PMS5003: Sensor de poluição do ar (https://shop.pimoroni.com/products/pms5003-particu…
• Sensirion SPS30: Sensor de poluição do ar (https://www.mouser.co.uk/ProductDetail/Sensirion/SPS30?qs=lc2O%252bfHJPVbEPY0RBeZmPA==)
• Sensor SHT35: sensor de temperatura e umidade (https://www.seeedstudio.com/Grove-I2C-High-Accurac…
• Relógio em tempo real: unidade de relógio de backup (https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/hardware/…
• Módulo GPS: receptor GPS para hora e localização (https://www.seeedstudio.com/Grove-GPS-Module.html)
• Cabos Grove:
• Antena Pycom: capacidade LoRa (https://pycom.io/product/lora-868mhz-915mhz-sigfox…
• Cartão microSD
• Fonte de alimentação: Fonte de alimentação primária (recomendado:
• Caixa: IP66 115x90x65 mm caixa ABS à prova de intempéries (https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t…

Ferramentas:

• Ferro de solda
• Multímetro
• Chave de fenda pequena
• Cabo FTDI (opcional):

Etapa 1: Sobre o PCB

Os conectores Grove são um padrão cada vez mais popular no ecossistema de eletrônicos amadores. Os conectores plug-and-play tornam a fixação e a troca de uma ampla gama de módulos fácil e rápida, sem a necessidade de revender as juntas.

Enquanto isso, a placa LoPy4 da Pycom foi selecionada como o microcontrolador principal para o PyonAir, pois oferece 4 modos de comunicação sem fio: LoRa, Sigfox, WiFi e Bluetooth e é programada usando MicroPython.

Arduino e Raspberry Pi já suportam blindagens de conectores Grove, mas nenhuma ainda havia sido lançada para o sistema Pycom. Portanto, projetamos nossa própria placa de expansão PCB, que se encaixa na placa LoPy4. O PCB contém:

• 2 soquetes I2C (sensor de temperatura e RTC)
• 3 soquetes UART (2x sensor PM e GPS)
• Pinos para dados USB
• Um circuito de transistor para controlar a energia para os sensores PM
• Um circuito de transistor para controlar a energia do receptor GPS
• Slot Micro SD
• Botão do usuário
• Conectores de entrada de energia (barril, JST ou terminal de parafuso)
• Regulador de voltagem

Etapa 2: PCB V1-V3

PCB V1

Minha primeira tentativa no PCB foi baseada em um conceito de "shim", onde um fino PCB caberia entre a placa LoPy e uma placa de expansão Pycom, como o Pytrack (veja o desenho CAD). Como tal, não havia furos de montagem e a placa era muito básica, apresentando apenas conectores e um par de transistores para ligar ou desligar os sensores PM.

Para ser honesto, havia muitas coisas erradas com esta placa:

• As pegadas eram muito finas
• Sem plano terrestre
• Orientações estranhas de transistores
• Espaço não utilizado
• O rótulo da versão foi escrito em uma camada de trilha, não em serigrafia

PCB V2

Na V2, ficou claro que precisávamos do PyonAir para operar sem uma placa de expansão, portanto, entradas de energia, um terminal UART e um slot SD foram adicionados ao design.

Problemas:

• Rastreia zonas de orifício de montagem cruzadas
• Guia de orientação sem LoPy
• Orientação incorreta do conector do barril DC

PCB V3

Alterações relativamente pequenas foram feitas entre V2 e V3 - principalmente correções para os problemas acima.

Etapa 3: PCB V4

O V4 apresentou um redesenho completo de todo o PCB, no qual as seguintes alterações foram feitas:

• Quase todos os componentes podem ser soldados à mão ou pré-montados usando PCBA
• Orifícios de montagem nos cantos
• Componentes agrupados nas zonas "Permanente", "Potência" e "Usuário"

• Etiquetas para:

  • Faixa de tensão de entrada
  • Link de documentação
  • Localização do LED LoPy
• 2 opções de suporte SD
• Almofadas de teste
• O conector de barril DC pode ser montado na parte superior ou embaixo da placa
• Melhor roteamento
• Componentes embalados com mais eficiência
• Linhas de cabeçalho femininas mais longas foram adicionadas, para que o usuário pudesse usar 4 cabeçalhos de 8 pinos, em vez de 2 pares de cabeçalhos de 8 e 6 pinos, tornando-o um pouco mais barato.

Etapa 4: PCB V5

A versão final

Esses últimos ajustes foram feitos no V5 antes de ser enviado para fabricação de PCBA pelo Seeed Studio:

• Rotas ainda mais organizadas
• Posicionamento de rótulo aprimorado
• Link do site atualizado
• Silkscreen almofadas para rotular PCBs durante o teste
• Cantos mais arredondados (para melhor caber no gabinete selecionado)
• Comprimento ajustado do PCB para caber nos trilhos do gabinete

Etapa 5: Como fazer o seu próprio: PCBA

Se você planeja fabricar menos de 5 PCBs, consulte "Como fazer a sua própria: Soldagem manual" (próxima etapa).

Pedido PCBA do Seeed Studio

1. Faça login ou crie uma conta em
2. Clique em 'Encomendar agora'.
3. Faça upload de arquivos Gerber.
4. Ajuste as configurações (quantidade de PCB e acabamento de superfície: HASL sem chumbo).
5. Adicione o desenho da montagem e selecione e coloque o arquivo.
6. Selecione a quantidade de PCBA.
7. Adicionar BOM. (N. B.: Se você quiser evitar a soldagem e não se importar em esperar mais, pode adicionar o regulador de tensão TSRN 1-2450 ao BOM.
8. Adicionar ao carrinho e fazer o pedido!

Visite: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… para os arquivos necessários.

Soldando o regulador de tensão

A única parte que requer solda ao usar o serviço PCBA da Seeed é o regulador de tensão TSRN 1-2450. Conforme mencionado acima, você pode incluir isso na lista de materiais de montagem, mas pode adicionar muito mais tempo ao pedido.

Se quiser soldá-lo manualmente, basta colocar o regulador no local indicado pela serigrafia, certificando-se de que a orientação está correta. O ponto branco da serigrafia deve se alinhar com o ponto branco do regulador (ver foto).

Etapa 6: Como fazer a sua própria: solda manual

Se você planeja fabricar um grande número de PCBs, consulte "Como fazer o seu próprio: PCBA" (etapa anterior).

Pedidos de PCBs

Você pode comprar PCBs de muitos sites, incluindo Seeed Studio, com alguns podendo entregar em menos de uma semana. Usamos Seeed Fusion, mas essas etapas devem ser muito semelhantes a outros sites.

1. Faça login ou crie uma conta em
2. Clique em 'Encomendar agora'.
3. Faça upload de arquivos Gerber.
4. Ajuste as configurações (quantidade de PCB e acabamento de superfície: HASL sem chumbo)
5. Adicione ao carrinho e faça o pedido!

Visite: https://s-u-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf… para os arquivos necessários.

Pedidos de peças

Como a placa tem almofadas adicionais para opções de montagem SMD / através do orifício, você não precisa preencher todas as partes. Se você estiver soldando manualmente, é mais fácil evitar todos os SMDs preenchendo a placa de acordo com a tabela mostrada nas fotos.

N. B. Se você está confiante com um ferro de solda, é mais eficiente em termos de espaço e mais barato usar um slot Micro SD de montagem em superfície em vez do conector de 8 pinos + placa de breakout.

Etapa 7: Como fazer o seu próprio: Montagem

Modificações de cabo Grove

Para conectar seus sensores PM aos conectores de ranhura, você precisará emendar os cabos do sensor nos cabos de ranhura, conforme mostrado na imagem acima. Você pode fazer isso usando crimpagem ou solda e termorretrátil. Dependendo do sensor que você usa, você precisará certificar-se de que a pinagem corresponde às entradas para o PCB.

Etapas de montagem

1. Escolha qual das entradas de energia você deseja usar (conector cilíndrico / JST / terminal de parafuso) e conecte a fonte apropriada.
2. Use um multímetro para verificar os blocos de teste V_IN e 5V na parte traseira do PCB.
3. Quando estiver satisfeito com a alimentação correta da placa, remova a fonte de alimentação. (Se não, tente uma fonte de alimentação alternativa)
4. Conecte o LoPy4 aos conectores de 16 pinos, garantindo que o LED esteja na parte superior (conforme mostrado na serigrafia). Os 4 orifícios inferiores nos cabeçalhos não são usados.
5. Conecte cada um dos dispositivos Grove nos soquetes correspondentes no PCB.
6. Conecte o cartão micro SD.
7. Reconecte a fonte de alimentação. Os LEDs no LoPy4 e no GPS devem acender.
8. Use um multímetro para verificar os blocos de teste restantes na parte traseira do PCB.
9. O seu PyonAir já deve estar pronto para ser programado!

N. B. Certifique-se de esvaziar o cartão SD e formatá-lo como FAT32 antes de conectá-lo à placa.

AVISO: Sempre conecte uma fonte de alimentação por vez. Conectar várias fontes ao mesmo tempo pode causar curto-circuito na bateria ou na rede elétrica!

Etapa 8: Como fazer o seu próprio: software

Para o nosso desenvolvimento de software, usamos Atom e pymakr. Ambos são de código aberto e devem funcionar na maioria dos computadores. Recomendamos instalá-los antes de baixar o código para a placa LoPy4.

A Pycom recomenda atualizar o firmware de seus dispositivos antes de tentar usá-los. As instruções completas sobre como fazer isso podem ser encontradas aqui:

Instalação

1. Para colocar seu dispositivo sensor de PM em funcionamento, baixe a versão mais recente de nosso código no GitHub: https://github.com/pyonair/PyonAir-pycom Certifique-se de extrair todos os arquivos para um local conveniente em seu PC ou laptop e evite renomear qualquer um dos arquivos.
2. Abra o Atom e feche todos os arquivos atuais clicando com o botão direito na pasta de nível superior e clicando em "Remover pasta de projeto" no menu que aparece.
3. Vá para Arquivo> Abrir pasta e selecione a pasta "lopy". Todos os arquivos e pastas contidos devem aparecer no painel "Projeto" à esquerda no Atom.
4. Conecte o PyonAir PCB em seu PC ou laptop usando um cabo FTDI-USB e os pinos RX, TX e GND no conector à direita da placa.
5. A placa deve aparecer no Atom e conectar-se automaticamente.
6. Para fazer upload do código, basta clicar no botão "Upload" no painel inferior. O processo pode demorar alguns minutos, dependendo de quantos arquivos precisam ser removidos e instalados. Assim que o upload for bem-sucedido, pressione Ctrl + c no teclado para interromper o código e, em seguida, desconecte o cabo FTDI-USB.

Configuração

Quando você configura um novo dispositivo pela primeira vez ou se deseja alterar alguma configuração, será necessário configurá-lo por WiFi.

1. Remova o monitor de poluição do ar de todos os casos, de modo que você possa acessar o botão do usuário.
2. Prepare um telefone ou computador que seja capaz de se conectar a redes WiFi locais.
3. Ligue o dispositivo PyonAir.
4. Ao configurar o dispositivo pela primeira vez, ele deve alternar automaticamente para o modo de configuração, indicado pelo LED azul piscando. Caso contrário, pressione e segure o botão do usuário no soquete PCB da Grove (identificado como CONFIG) por 3 segundos. O LED RGB deve ficar totalmente azul.
5. Conecte-se ao WiFi do dispositivo PyonAir. (Ele se chamará 'NewPyonAir' ou o nome anterior ao dispositivo.) A senha é 'newpyonair'.
6. Digite https://192.168.4.10/ em seu navegador da web. A página de configuração deve aparecer.
7. Preencha todos os campos obrigatórios da página e clique em 'Salvar' quando terminar. (Você precisará fornecer detalhes de conexão para LoRa e WiFi, atribuir um ID exclusivo a cada sensor e especificar suas preferências em relação à aquisição de dados.)
8. O dispositivo PyonAir deve reiniciar agora e usará as configurações fornecidas.

Para conectar seu dispositivo ao LoRa, registre-o através da The Things Network. Crie um novo dispositivo com o EUI do dispositivo mostrado na página de configuração e copie o EUI do aplicativo e a chave do aplicativo do TTN para as configurações.

Pybytes é o hub IoT online da Pycom, por meio do qual você pode atualizar o firmware, realizar atualizações OTA e visualizar dados de dispositivos conectados. Primeiro, você precisa fazer login ou criar uma conta aqui: https://pyauth.pybytes.pycom.io/login e, em seguida, siga as etapas para registrar um novo dispositivo.

Testando

A maneira mais fácil de testar se o monitor de poluição do ar está funcionando corretamente é usando um cabo FTDI-USB e os conectores de pinos RX, TX e GND no PCB de soquete Grove. Conectar o dispositivo dessa forma permite que você visualize todas as mensagens e leituras no Atom.

O LED RGB na placa LoPy mostra o status da placa:

• Inicializando = âmbar
• Inicialização bem-sucedida = luz verde pisca duas vezes
• Não é possível acessar o cartão SD = luz vermelha piscando imediatamente após a inicialização
• Outro problema = luz vermelha piscando durante a inicialização
• Erros de tempo de execução = vermelho piscando

Por padrão, os dados do PyonAir serão enviados ao servidor da Universidade de Southampton. Você pode editar o código antes de implantar o dispositivo para redirecioná-lo para um local de sua escolha.

Etapa 9: Como fazer o seu próprio: implantação

Agora que seu monitor de poluição do ar está totalmente configurado, você deve estar pronto para implantar o dispositivo!

Conselho de caso

A caixa que selecionamos para nossos dispositivos foi: https://www.ebay.co.uk/itm/173630987055?ul_noapp=t… No entanto, fique à vontade para comprar uma caixa diferente ou projetar a sua própria. Os arquivos do SolidWorks para a maioria do hardware que usamos são fornecidos na seção Informações extras, para ajudar a projetar casos personalizados. Um método proposto para organizar os sensores e fazer orifícios na caixa também é mostrado na imagem acima.

Lembre-se de que seu caso deve:

• Proteja os eletrônicos da água e poeira
• Permitir a montagem do dispositivo no local
• Permita que o ar alcance o (s) sensor (es) PM
• Evite o superaquecimento da eletrônica
• Segure os componentes eletrônicos com segurança dentro do estojo

Conselho de localização

Um local de implantação ideal atenderá aos seguintes critérios:

• Em uma região de interesse para a poluição do ar
• Fora da luz solar direta
• Dentro do alcance de um gateway LoRa
• Dentro do alcance de WiFi
• Perto de uma fonte de energia
• Pontos de montagem seguros
• Capaz de receber sinais GPS

Etapa 10: Arquivos e créditos

Todos os arquivos de que você precisa para fazer seu PyonAir completo podem ser encontrados em: https://su-pm-sensor.gitbook.io/pyonair/extra-inf … (Os arquivos Zip não podem ser carregados para o Instructables, desculpe!) O Gitbook também inclui informações adicionais sobre o hardware e o software.

Créditos

Projeto supervisionado pelo Dr. Steven J Ossont, Dr. Phil Basford e Florentin Bulot

Código de Daneil Hausner e Peter Varga

Projeto e instruções do circuito por Hazel Mitchell