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Die interaktive Karte der Luftqualität Teil 1: Die Entstehung der Zellen

In diesem Artikel werde ich versuchen, herauszufinden, wie die einzelnen Zellen der interaktiven Luftqualitätskarte aufgebaut sind.

Die in diesem Artikel gezeigte Hardware und die Konstruktionsmethoden sind nicht endgültig, ich versuche nur, einige der technischen Aspekte des größeren Projekts der interaktiven Luftqualitätskarte herauszufinden.

Es gibt zwei Hauptmerkmale der Zellen, aus denen die Karte bestehen wird. Das erste ist der Näherungssensor, um den beabsichtigten künstlerischen Reiz des Projekts und seine vorgeschlagene interaktive Natur zu erhalten, denke ich, dass es wirklich cool sein wird, die Bereiche auf der Karte durch Nähe zu aktivieren, im Gegensatz zu Kontaktinteraktionen von etwas wie einem Knopf, außerdem ist es potenziell sicherer, die Karte nicht physisch berühren zu müssen, wenn man die COVID-Zeiten bedenkt, in denen wir derzeit leben.

Wie erkennt man die Nähe der Hände?

Die Optionen, die ich dafür in Betracht gezogen habe, sind optischer Näherungssensor und kapazitiver Näherungssensor, optische Näherungssensoren sind in der Regel ideal für die Erkennung von undurchsichtigen Objekten, und sie haben in der Regel einen längeren Erfassungsbereich, die zweite Option, die ich in Betracht gezogen habe, ist kapazitiver Näherungssensor, diese Sensortechnologie kann verwendet werden, um leitfähige Körper zu erkennen, Körper, die eine Auswirkung auf die Kapazität des Sensors mit dem Boden haben, kapazitiver Sensor hat eine viel kürzere Reichweite in der Regel weniger als 10cm. nach einigen vorläufigen Tests habe ich beschlossen, mit kapazitivem Näherungssensor zu gehen, meine Wahl wird weiter unten im Artikel Sinn machen.

Die zweite Eigenschaft, die die Zellen haben müssen, ist die Fähigkeit, ihre Farbe zu ändern, um die aktuellen Luftqualitätsstufen in den Bereichen anzuzeigen, die sie repräsentieren. Dies ist offensichtlich eine Aufgabe für adressierbare LEDs; aber um eine Luftqualitätskarte zu erstellen, die nicht nur funktional, sondern auch optisch ansprechend ist, ist es wichtig, die Beleuchtung der Karte so weich (diffus) wie möglich zu gestalten, was die Karte hoffentlich etwas zugänglicher macht.

Um eine weiche Beleuchtung von einer Reihe von LEDs zu erreichen, ist es am einfachsten, eine Diffusionsfolie davor zu platzieren. Je nachdem, wie lichtbrechend die Folie ist, muss man die Folie in der Regel in einem großen Abstand von den LEDs platzieren, um die gewünschte weiche und gleichmäßige Beleuchtung zu erreichen; dieser Abstand ist wichtig, wie ich später erläutern werde.

A diffusion sheet about 40mm away from the leds

Eine Diffusionsfolie in etwa 40 mm Abstand von einigen LEDs

Eine zweite, weniger verbreitete Methode, um mit LEDs eine weiche Beleuchtung zu erzielen, ist die Nachahmung der Randbeleuchtungs-Technologie, die in den meisten LCD-Bildschirmen verwendet wird. Diesen Trick habe ich von DIY Perks auf YouTube gelernt.

replicate the edge lighting technology

Wenn Sie schon einmal den LCD-Bildschirm eines Laptops auseinander genommen haben, werden Sie ein Sandwich aus verschiedenen Materialschichten finden, das für die gleichmäßige Beleuchtung sorgt, die die auf dem LCD-Bildschirm erzeugten Bilder hinterleuchtet.

Die erste Schicht ist in der Regel eine weiße, reflektierende Folie, die auch eine neutrale Grundfarbe für die Hintergrundbeleuchtung liefert. Auf diese Schicht folgt in der Regel ein konisch zulaufender Lichtleiter aus PMMA-Kunststoff, dessen eine Seite mit ungleichmäßig verteilten Punkten gefüllt ist und der in der Regel von seiner dicken Seite her von einer dünnen Leuchtstoffröhre beleuchtet wird, Das Licht dieser Röhre wandert durch den Lichtleiter und wird von den winzigen Punkten in Richtung des LCD-Bildschirms reflektiert. Die nächste Schicht, die auf den Lichtleiter folgt, ist in der Regel eine Diffusionsfolie, die das vom Lichtleiter erzeugte gepunktete Licht blendet, und darauf folgt oft ein Brightness Enhancement Film (BEF), der so komisch aussieht, wenn man durch ihn hindurchschaut; Sie sehen so aus, weil sie speziell dafür entwickelt wurden, parallele Lichtstrahlen aus einer Streulichtquelle zu erzeugen, wie das Licht, das von dem vorhergehenden Lichtleiter und der Diffusionsschicht erzeugt wird; einfacher ausgedrückt, die BEF-Schicht fokussiert das Licht nach vorne. Durch die Kombination all dieser Schichten wird eine extrem weiche Hintergrundbeleuchtung in einem sehr dünnen Gehäuse erzeugt.

sketch shown above is my comparison of the two types of soft lighting

Die oben gezeigte Skizze ist mein Vergleich der beiden oben beschriebenen Arten von weicher Beleuchtung. Option 1, die traditionelle weiche Lichtbox, führt eindeutig zu einer dickeren Kartenzelle, was für einen kapazitiven Näherungssensor nicht ideal ist, da die Sensorelektrode an der Basis der Zelle hinter der Lichtquelle platziert werden muss, was bedeutet, dass ein Teil der bereits begrenzten Reichweite dieser Art von Sensoren geopfert wird; andererseits wird ein optischer Näherungssensor, der eine größere Reichweite hat, nicht so gut durch die Art von Diffusionsfolien funktionieren, die die erforderliche weiche Beleuchtung erzeugen können. Außerdem könnte eine dicke Kartenzelle dazu führen, dass die Karte als Ganzes sperrig aussieht, was möglicherweise von ihrem Wandkunst-Look ablenkt.

Ein Blick auf Option 2 (LCD-Kantenbeleuchtung), es ist irgendwie perfekt für dieses Projekt: es erzeugt ein wirklich weiches Licht, und die resultierende Zelle wird sehr dünn sein, was auch bedeutet, dass es eine perfekte Passform für einen kapazitiven Näherungssensor ist, wie die Sensorelektrode hinter der Karte Zellen mit sehr wenig Verlust in Erfassungsabstand und Empfindlichkeit platziert werden kann, sollte es auch weniger kompliziert Draht sein, der einzige negative ich sehe, ist die vergleichsweise Komplexität der mit zu schneiden und stapeln mehrere Schichten von benutzerdefinierten geformten Karte Zellen, aber das ist ein Problem für zukünftige ich herausfinden.

Eine Testzelle bauen

The first thing I did was to go out to a local computer repair shop to get a few broken laptop LCD screens, I am going to be getting the reflectors, diffusers, and Brightness enhancement films from them, I won’t be reusing the light guide from the screens as its too thin for the addressable LEDs that will be replacing the thin fluorescent tubes, instead, I will be making a new light guide out of a 2.4mm thick clear acrylic plastic.

Building a Test Map Cell

Nachdem ich einen der Bildschirme abgerissen hatte, um die benötigten Platten freizulegen, modellierte ich ein Gehäuse für die Probenzelle. In diesem Entwurf habe ich die Schichten so repliziert, wie es in dem Bildschirm war, den ich auseinander genommen habe, aber ich habe die Lichtquelle durch einen Kanal für einen LED-Streifen rund um die Kanten ersetzt, und ich habe den benutzerdefinierten Acryl-Lichtleiter modelliert. Sie werden auch eine Textebene hinter einigen der Diffusionsschichten bemerken, deren Zweck es sein wird, die verschiedenen Bereiche zu identifizieren, die auf der Luftqualitätskarte dargestellt werden, ich hoffe, dass die Platzierung den Text etwas versteckt macht, so dass er nur sichtbar ist, wenn die Zelle leuchtet, es sollte auch den Anschein erwecken, dass er in die Zelle integriert ist. Das Ganze wird in einem 3D-gedruckten Rahmen zusammengehalten werden.

Construction of a cell

assembly of the cell

Nachdem ich den Testrahmen in 3D gedruckt hatte, schnitt ich den Reflektor, die Diffusoren und die Folie zur Verbesserung der Helligkeit in die erforderliche Form für den neuen Acryl-Lichtleiter. Normalerweise wird das gepunktete Muster, das das Licht von den Kanten leitet, mit einem Laserschneider oder einer CNC-Maschine hergestellt, aber da ich derzeit nicht über diese Werkzeuge verfüge, habe ich mir eine Notlösung ausgedacht: Mit Schleifpapier der Körnung 38 habe ich eine Seite der Acrylplatte aufgeraut, indem ich ein Gittermuster darauf geschliffen habe.

reflector, diffusers, and Brightness enhancement film cut to size

Nicht die ideale Lösung, aber es funktioniert ganz gut, ich werde nicht tun dies für die endgültige Karte aber, für die, ich habe einen viel aufwendigeren Plan mit einem rotierenden Werkzeug, eine flexible Drehwelle, und machen meine 3D-Drucker traurig.

Der Zusammenbau der Zelle ist ziemlich einfach, ich installierte die LED-Streifen um den Rahmen und dann gestapelt die Schichten in der entsprechenden Reihenfolge und mit den richtigen Seiten nach außen, die äußerste Schicht ist eine Diffusionsfolie, und dahinter ist die Helligkeit Verbesserung Film, gefolgt von einem anderen Diffusionsfolie, und der Text, den ich aus einigen Ersatz-Carbon-Faser Vinyl geschnitten ist die nächste Schicht, die Acryl-Lichtleiter ist hinter dem Text, gefolgt von der weißen Reflektor Blatt. Ich fügte starke Pappe hinzu, um alle Schichten an ihrem Platz zu sichern, bevor ich die kapazitive Sensorelektrode mit Heißkleber anbrachte.

Completed Map Cell - Front

Completed Map Cell - Rear

Das Ergebnis ist eine Karte Zelle, die nur 12mm breit ist, und das ist nur, weil ich mit einem 10mm led-Streifen, wenn ich zu einem 4mm breiten led-Streifen, die ich planen, sollte ich in der Lage sein, die Breite auf etwa 6mm zu bringen.

Nach dem Hochladen einer einfachen Arduino-Skizze zu meinem SAMD21-basierten Board, kann ich bestätigen, dass die Zelle funktioniert wie erforderlich, das Licht sieht super weich und leicht zu betrachten, und ich kann auch den kapazitiven Näherungssensor von etwa 9cm entfernt von der Oberfläche zu aktivieren.

Verbindung zu einer Luftqualitätsdatenbank

Das Luftqualitätssensor-Kit, das ich dafür verwende, ist das Environmental Sensor Development Kit (ESDK), das von DesignSpark für dieses Projekt zur Verfügung gestellt wird. Das Kit läuft auf einem Raspberry Pi und verfügt über einen CO2-Sensor, einen Partikelsensor, Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren sowie einen VOC-Sensor (flüchtige organische Verbindungen). Auf dem Kit läuft mosquito MQTT Broker, so dass ich die Sensordaten von jedem MQTT-Client in meinem lokalen Netzwerk extrahieren kann.

Wenn Sie das gleiche Kit besitzen, haben Sie wahrscheinlich bereits Zugang zu den Einrichtungsdokumenten. Aus eigener Erfahrung kann es jedoch schwierig sein, die Daten aus dem Kit auf die jeweiligen IoT-Client-Geräte zu übertragen, daher hier einige Tipps, die Ihnen helfen könnten.

  1. Nutzen Sie die Raspberry Pi imager software um das image auf das board zu brennen
  2. Vergewissern Sie sich, dass die 1225er Knopfzellenbatterie auf der Rückseite der Touchscreen-Platine installiert ist.
  3. Wenn Sie die SD-Karte zum ersten Mal in den Pi einstecken, kann es sein, dass die Sensordaten auf dem Bildschirm fehlen. Das liegt wahrscheinlich daran, dass Sie, wie ich, den Code nicht aktualisiert haben, wie in der Setup-Anleitung empfohlen.

    ESDK - Control and Sensor boards connected

Um das zu lösen

a. Verbinden Sie sich per SSH mit dem Raspberry Pi und geben Sie die folgenden Befehlszeilen ein. (Tun Sie dies, bevor Sie die Konfigurationen in der Datei /boot/aq/aq.toml anpassen)

-cd aq-device

-git checkout

-git pull

-pip3 install --ignore-installed DesignSpark.ESDK

b. Sie können dann die Konfigurationsdatei vom Terminal aus mit ändern:

-sudo nano /boot/aq/aq.toml

  1. Um das Kit ans WLan zu verbinden:

Geben Sie im Terminal den Befehl "sudo raspi-config" ein und folgen Sie den Anweisungen, um Ihr WLAN-Netzwerk hinzuzufügen.

Raspberry Pi Setup - System Options

Raspberry Pi Setup - Wireless LAN

  1. Wenn Sie das Kit erfolgreich eingerichtet haben und die Sensordaten auf dem Bildschirm sehen können, kann es sein, dass andere MQTT-Clients in Ihrem lokalen Netzwerk keine Verbindung zum Server herstellen können. Geben Sie einfach den Befehl "sudo nano /etc/mosquitto/mosquitto.conf" in das Terminal ein und fügen Sie die Zeilen hinzu:

listener 1883

allow_anonymous true

Pi Mosquitto Configuration

Dies ermöglicht allen MQTT-Clients, sich ohne Authentifizierung zu verbinden. Wenn Sie jedoch eine Authentifizierung hinzufügen oder nur bestimmten IP-Adressen die Verbindung erlauben möchten, lesen Sie die Anweisungen.

 

Mein Test Setup

Test Setup

Um die Sensormesswerte vom Kit bis zur Kartenzelle zu bekommen, die von einem Arduino gesteuert wird, habe ich ein ESP32-Board als MQTT-Client, das mit meinem Wi-Fi-Netzwerk verbunden ist und auch mit dem MQTT-Broker auf dem Raspberry Pi verbunden ist, der es mir ermöglicht, die Sensordaten vom Kit zu empfangen. Die Daten werden dann über die serielle Schnittstelle an das Wemos samd21-Board weitergeleitet, das die LEDs auf der Kartenzelle steuert und den kapazitiven Näherungssensor-Code ausführt. Den Code für beide Boards finden Sie unten angehängt.

Wie ich bereits erwähnt habe, liefert der Bausatz Daten von einer Reihe von Sensoren, aber für diesen Test habe ich einfach meinen Code so eingestellt, dass er nur auf den CO2-Gehalt reagiert; in Zukunft plane ich, eine Möglichkeit zu implementieren, alle Datenpunkte des Bausatzes zu durchlaufen.

Im nächsten Artikel werde ich mich damit beschäftigen, wie man den ESDK zu einem mobilen Luftqualitätslogger macht.

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I am a passionate Hardware Engineer, with a deep interest in Robotics and Embedded hardware/software. I enjoy picking up new skills and challenging myself with finding innovative technological solutions.
DesignSpark Electrical Logolinkedin