Bezprzewodowa EKO-stacja do pomiaru jakości powietrza

Bezprzewodowa EKO-stacja do pomiaru jakości powietrza
Pobierz PDF Download icon

Na łamach EP prezentowaliśmy sposób badania zawartości pyłów zawieszonych przy użyciu aplikacji dla systemu Android oraz rejestrowaliśmy parametry powietrza stworzoną aplikacją ‘bbair_smog_logger’ dla Raspberry Pi SBC (Single Board Computer). Dziś zajmiemy się nieco bardziej złożonym tematem - budową stacji pomiarowej zasilanej energią słoneczną na bazie bezprzewodowego, laserowego sensora pyłów zawieszonych BBair z Bluetooth LE.

Idea użytkowa jest nieskomplikowana: powiesić na ścianie, postawić na biurku czy na półce taki mały ekranik. Wystarczy jedno spojrzenie, aby wiedzieć, co dzieje się na zewnątrz: jaki jest poziom stężenia pyłów zawieszonych poszczególnych frakcji czy jest ciepło, czy może zimno i czy powietrze jest przenikliwie wilgotne, czy może przyjemnie suche (rysunek 1). Gdy jednak czarodziejski ekranik jest poza zasięgiem wzroku (bo np. leżąc wygodnie na kanapie w sąsiednim pokoju, czytamy najnowszą EP ?), równie łatwo można wszystko to sprawdzić za pomocą telefonu z aplikacją BBair. Szybkie połączenie z EKO-stacją pozwoli zobaczyć wskazania. Ten projekt to proste w użyciu i użyteczne narzędzie integrujące termometr, higrometr, zegar, kalendarz i czujnik jakości powietrza, tak bardzo pomocne w codziennym życiu.

Rysunek 1. Wyniki pomiarów zaprezentowane w atrakcyjnej formie na czterocalowym, graficznym wyświetlaczu LCD

Wartość niezależnych, lokalnych pomiarów

Istnieje wiele systemów pomiarów jakości powietrza. Dociekliwi zapytają: po co zatem budować kolejny - własny system? Na tak postawione pytanie można udzielić wyczerpującej dwuwymiarowej odpowiedzi. Po pierwsze wartość edukacyjna i niesamowita satysfakcja z posiadania własnoręcznie zbudowanej stacji pomiarowej są nieocenione. Po drugie i dla wielu z pewnością dużo istotniejsze okażą się kwestie lokalności i niezależności pomiarów wykonywanych na żądanie. Posiadając własny system pomiarowy, mamy zapewnione:

  • Niezależność i wiarygodność danych pomiarowych, które nie są w żaden sposób przetwarzane;
  • Wykonywanie pomiarów na żądanie, czyli w dowolnym momencie, w którym chcemy poznać stan zaokiennego powietrza;
  • Lokalność, ponieważ po wykonaniu pomiaru za pomocą własnej zaokiennej stacji mamy pewność, że wskazanie dotyczy stanu powietrza z najbliższego otoczenia. Nie jest to szacunkowa, uśredniona wartość z kilku najbliższych, często oddalonych o kilometry stacji;
  • Możliwość obserwowania zmian zanieczyszczenia powietrza w najbliższej okolicy, a dzięki temu wyszukiwania i śledzenia źródeł zanieczyszczeń.

Budowa

EKO-stacja składa się z dwóch modułów: sensora montowanego na zewnątrz i "prezentera" instalowanego wewnątrz. Główne składniki potrzebne do realizacji projektu to:

  1. Mikrokomputer Raspberry Pi z chipem Bluetooth Smart. W zupełności wystarczy ekonomiczna wersja: Raspberry Pi zero W.
  2. Dotykowy, czterocalowy ekran LCD z interfejsem SPI (http://bit.ly/35A3tMT).
  3. Dokładny, laserowy sensor parametrów powietrza z interfejsem Bluetooth Smart - BBair (http://bit.ly/35uyxgN).
  4. Małe ogniwo słoneczne. W prototypie użyto panelu o wymiarach 6,5×6,5 cm, napięciu jałowym 5,5 V i maksymalnej mocy 0,6 W.

Konfiguracja Raspberry Pi

Po podłączeniu monitora, klawiatury i zasilacza do Raspberry Pi SBC jesteśmy gotowi do instalacji systemu operacyjnego. Nie zapomnijmy również o podłączeniu ekranu LCD. W Internecie dostępnych jest wiele instrukcji, jak zainstalować system operacyjny, dlatego nie będziemy powielać tych informacji. Załóżmy, że wychodzimy z punktu, gdzie na naszej malince mamy już zainstalowany (np. za pomocą pliku ‘NOOBS_lite_v3_0’) świeży system Raspbian Lite. Jeśli nie uruchamia się w trybie graficznym, zmieńmy to, odpalając z konsoli malinowy konfigurator poleceniem:

Przygotowanie sensora

Sensor BBair jest gotowy do pracy natychmiast po włączeniu zasilania. Korzystając z urządzenia mobilnego typu smartfon lub tablet z zainstalowaną aplikacją BBair, można w dowolnej chwili wykonać pomiar jakości powietrza. Aby użyć sensora w tym projekcie, konieczne jest dostosowanie go do nowych potrzeb. Będzie to polegało na:

  1. włączeniu trybu pomiarów automatycznych,
  2. wyposażeniu sensora w funkcję ładowania z ogniwa słonecznego,
  3. oraz przystosowaniu go do pracy w warunkach atmosferycznych.

Do włączenia trybu automatycznych pomiarów wystarczy wykonanie połączenia padów konfiguracyjnych na płytce sensora. Do wyboru mamy trzy okresy, spośród których wybieramy jeden, łącząc pola według wskazówek z rysunku 2. Zwróćmy uwagę na to, że im częściej sensor będzie wykonywał pomiary, tym więcej energii będzie musiał dostarczyć panel słoneczny. Z kolei to, ile energii pozyska ogniwo fotowoltaiczne, zależy m.in. od: warunków nasłonecznienia panujących w miejscu zainstalowania sensora, sprawności układu ładowania oraz oczywiście mocy samego panelu. Sensownym kompromisem na początek wydaje się wybranie godzinnego okresu wykonywania pomiarów.

 

Rysunek 2. Sposób wyboru częstości pomiarów

Dalej zajmiemy się kwestią zasilania. EKO-stacja, czerpiąc energię jedynie z akumulatorów, wymagałaby co jakiś czas (proporcjonalny do uprzednio wybranego okresu wykonywania automatycznych pomiarów) wymiany wyczerpanego zestawu na nowy. W ten sposób mając cztery akumulatory AAA, moglibyśmy zapewnić ciągłość zasilania: dwa ogniwa byłyby w stacji, a dwa po naładowaniu oczekiwałyby na odpowiedni moment podmienienia. Byłoby to jednak nieco uciążliwe, choć wielokrotnie rzadsze niż ładowanie urządzeń mobilnych. Istnieje jednak dość prosty sposób na wyeliminowanie konieczności cyklicznej obsługi. Wykorzystując fakt, że stacja zainstalowana będzie pod gołym niebem, możemy podłączyć ją do ogromnego źródła darmowej energii. Rysunek 3 pokazuje najprostszy sposób połączenia ogniwa fotowoltaicznego poprzez diodę prostowniczą z sensorem skonfigurowanym do wykonywania pomiarów co 60 minut.

Dziwić może fakt pominięcia regulatora ładowania i zabezpieczenia użytych ogniw NiMH przed przeładowaniem. Wątpliwości szybko rozwiewa zestawienie parametrów zastosowanych elementów. W naszym klimacie użyte akumulatory o pojemności 1000 mAh nie zostaną uszkodzone panelem słonecznym o mocy szczytowej 0,6 W. Panel nigdy nie będzie pracował w punkcie swojej maksymalnej mocy, więc uzyskana ilość energii będzie niewielka. Zróbmy szybkie oszacowanie: prąd pobierany z baterii przez sensor podczas pomiaru wynosi średnio 120 mA. Pomiar trwa 1 minutę, zatem zużycie energii to 2 mAh (120 mA×1/60 h). Jeśli ustawiliśmy stację do powtarzania pomiarów co 1 godzinę, to w ciągu doby mamy 24 pomiary. Daje to ostatecznie zużycie energii równe 48 mAh na dobę. Prąd czuwania jest tak mały, że spokojnie możemy go pominąć w tych szacunkach bez negatywnego wpływu na wynik obliczeń. Gdy założymy, że panel dostarczałby energię tylko przez 5 godzin na dobę, wystarczyłby ciągły prąd ładowania o wartości 10 mA. Niewiele, ale należy wziąć pod uwagę również występowanie kilku dni pochmurnych z rzędu oraz ekspozycję ogniwa na słońce w miejscu zainstalowania EKO-stacji. Dysponując ogniwem słonecznym o większej mocy, konieczne będzie zastosowanie jakiejś formy zabezpieczenia akumulatorów przed przeładowaniem.

Rysunek 3. Sposób połączenia ogniwa fotowoltaicznego

Teraz uzasadnimy, dlaczego budowana stacja nosi przedrostek EKO. W dzisiejszych czasach obfitości, gdy coraz bardziej doskwiera nam problem zaśmiecenia świata, pożądaną cechą staje się umiejętność ponownego wykorzystania użytych już rzeczy. Znalezienie dla nich nowej funkcji lub nowego wymiaru użyteczności. W tym właśnie duchu wykonana została obudowa EKO-stacji chroniąca sensor przed letnim deszczem i zimowym śniegiem. W sumie bardzo proste w wykonaniu, bardzo tanie i bardzo skuteczne rozwiązanie. W cienkiej ściance obciętej butelki PET wykonano niewielki otwór, przez który przeprowadzony jest przewód od ogniwa słonecznego do wnętrza. Otwór zabezpieczony został klejem, który jednocześnie mocuje panel fotowoltaiczny. Przez otwór w nakrętce przewleczono twardy drut w otulinie izolacyjnej obustronnie zakończony uformowanymi haczykami: jeden z nich posłuży do podwieszenia sensora BBair, a drugi do zainstalowania całego zestawu EKO-stacji w docelowym miejscu zbierania danych pomiarowych. Instalując sensor wewnątrz butelkowej kopułki, pamiętajmy o tym, aby otwory służące do zasysania badanego powietrza skierowane były w dół (rysunek 4).

Rysunek 4. Gotowy sensor w pomysłowej obudowie

Instalacja aplikacji BBair_station na Raspberry Pi

Część sprzętowa jest już gotowa. Pozostaje zainstalować oprogramowanie i świętować zakończenie projektu. Ponieważ proces instalacji niezbędnego oprogramowania składa się z kilku kroków, dla ułatwienia przygotowany został skrypt wykonujący w kolejności wszystkie niezbędne zadania. Logujemy się zatem do systemu i pobieramy go poleceniem:

Rysunek 6. Efekt uruchomienia skryptu

Aplikacja BBair_station zadomowiła się w systemie, a na pulpicie znajduje się ikona umożliwiająca jej uruchomienie. Z aplikacji można korzystać na dużym ekranie, mając podczas pracy bieżące informacje o stanie powietrza za oknem (rysunek 7). Skorzystanie z podłączonego wyświetlacza LCD umożliwi nam pobrany skrypt, uruchomimy go z parametrem "lcd-4".

Rysunek 7. Widok działającej aplikacji

Po wpisaniu komendy:

Rysunek 9. Skrypt umożliwiający ponowne przełączenie ekranów

Ponowne przełączenie ekranów jest równie proste - wystarczy komenda (rysunek 9):

Na zakończenie pozostaje jeszcze zająć się kwestią systemowego wygaszacza ekranu. Jest on domyślnie włączony i po jakimś czasie bezczynności wskaźnika i klawiatury wyświetlacz (monitor) podłączony do Raspberry Pi zostanie wygaszony, uniemożliwiając odczyt parametrów powietrza. O ile w sytuacji korzystania z aplikacji na dużym monitorze nie powinno być to wielkim problemem, o tyle w przypadku wiszącego na ścianie magicznego ekranu taka sytuacja może stać się irytująca. Chęć odczytania wyników pomiaru wiązałaby się za każdym razem z koniecznością dotknięcia ekranu wyświetlacza. Aby móc zarządzać wygaszaczem ekranu, najprościej zainstalować aplikację xscreensaver poleceniem:

Mariusz Żądło
iram@poczta.onet.pl

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
listopad 2019
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Zobacz też
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik wrzesień 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio wrzesień 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

Automatyka Podzespoły Aplikacje wrzesień 2020

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna wrzesień 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich sierpień 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów