Солнечный датчик качества воздуха на Helium: руководство по проектированию и развёртыванию

Обзор системы

В условиях роста экологической осознанности я создал беспроводной, самодостаточный, защищённый от погоды, солнечный массив датчиков качества воздуха — WSPAQS — который можно установить где угодно и который передаёт данные в реальном времени через сеть Helium.

Набор датчиков измеряет CO₂ и летучие органические соединения (VOC), а также включает датчик напряжения/тока для мониторинга солнечной зарядки. Для сбора данных используется Arduino Uno, для обработки и публикации по MQTT — Raspberry Pi 3, а для LoRaWAN-соединения — Helium Starter Kit. Энергопитание обеспечивают 6-вольтовая солнечная панель Adafruit, преобразователь 24 VAC/VDC → USB (своей разработки) и модифицированный пауэрбанк.

Компоненты

• Arduino Uno (датчик-плата)
• Raspberry Pi 3 (ретранслятор данных)
• Helium Starter Kit (LoRaWAN-шлюз)
• Солнечная панель Adafruit 6 В
• Преобразователь 24 VAC/VDC → USB (своя PCB)
• Портативный аккумулятор (модифицированный)
• Модуль датчика напряжения/тока
• Стеклянные Arduino pin header (~$4, SparkFun)

Список деталей: Digikey short link

Этапы сборки

1. Подготовка пауэрбанка

Разберите обычный пауэрбанк, проверьте каждую половину на совместимость напряжений. После подтверждения пропаяйте половины вместе и добавьте два провода на выход для питания Helium-шлюза и Arduino-массива датчиков.

2. Установка солнечной панели

Закрепите 6-вольтовую панель на хорошо освещённом месте и подключите к преобразователю. Это обеспечивает непрерывную зарядку днём и накопление энергии на ночь.

3. Модификация батареи для компактности

Обрежьте корпус батареи под 7-дюймовый корпус, пропаяйте обрезанные концы. Прикрепите выходные провода так, чтобы батарея аккуратно питала весь датчик-массив.

4. Изготовление PCB

Своя PCB доступна на PCBWay. Загрузите Gerber-файлы для быстрого (7 дней) производства. Стоимость платы — $5.00.

5. Пайка платы

Начните с SMD-компонентов. Используйте низкотемпературную паяльную пасту и духовку для рефлоу. Ткань для отпайки поможет убрать лишнее припоя. Тонкий паяльник необходим для мелких контактов.

6. Схема подключения

• Контроллер заряда не нужен для свинцово-кислотной батареи; панель должна заряжать батарею, не превышая 2–5 В выше напряжения батареи.
• Вентилятор установите на стороне датчика напряжения для точного логирования тока. Плата принимает до 24 VDC, оставляя запас для расширения.

Управление питанием

Под полным солнцем вход 7 V DC потребляет 0,525–1 А с работающим вентилятором — около 144 Вт·ч в сутки. Следовательно, требуется минимум 12 В, 5,2 Вт солнечная панель, а батарея должна выдавать не менее 12 В DC. Система не начнёт передачу, пока не будет стабильного 7 В DC.

Тестирование

Проверьте все соединения перед включением, чтобы избежать повреждений. После подтверждения массив датчиков должен работать без сбоев, сообщая уровни CO₂ и VOC в реальном времени.

Передача данных

Данные приходят через Helium MQTT как сырая строка: V 6 : A 2 :T 30: C02 555: VOC 7293. Её нужно разобрать на отдельные метрики перед отправкой на платформу мониторинга.

Интеграция с Node‑RED для Librato

Node‑RED может разобрать MQTT-пейлоад на именованные поля:

msg.payload = msg.payload.replace(/V /g, 'Voltage: ').replace(/A /g, 'Current: ').replace(/T /g, 'Temperature: ').replace(/C02 /g, 'CO2: ').replace(/VOC /g, 'VOC: ');

После парсинга каждую метрику отправляют в Librato. API Librato принимает JSON; каждая метрика публикуется как gauge-точка.

Настройка Librato

1. Войдите в Librato, перейдите в Integrations > API Tokens.
2. Нажмите Generate new API Token, задайте понятное имя.
3. Скопируйте токен и запомните связанный email.
4. В Node‑RED настройте HTTP-узел Librato с токеном и желаемыми именами метрик.
5. Протестируйте поток; данные должны появиться в дашборде Librato за секунды.

Конstruкция корпуса

Корпус состоит из основания, четырёх ножек (две передние, две задние), крышки, крепления солнечной панели и маленьких защёлок. Очистите 3D-детали, затем вручную нарежьте резьбу во всех отверстиях 8‑32 с помощью штампа перед завинчиванием крышки. Соберите корпус до установки электроники для идеального соответствия.

Заключение

Helium-датчик качества воздуха выдаёт точные показания CO₂ и VOC, работает автономно на солнечной энергии и стримит данные в Librato для аналитики в реальном времени. Благодаря минимальной стоимости и простой сборке система идеальна для экологического мониторинга в удалённых или off-grid локациях.