Да си направим монитор на качеството на въздуха с помощта на InfluxDB, Grafana, Docker и Raspberry Pi

Мислили сте да си направите сами вкъщи малко и точно устройство за денонощен мониторинг на качеството на въздуха? Нашият проект, който ние нарекохме balenaSense е неголям прибор, който може да измерва температурата, влажността, атмосферното налягане и разбира се, качеството на въздуха. Устройството може да бъде управлявано чрез интернет връзка, както и дистанционно да се отчитат показанията, да се прегледа и изтегли статистиката на събитията, да се проследят тенденциите.

За измерването качеството на въздуха метеорологичните станции използват техника с много проводници и най-различни сензори. Но последно време на пазара се появиха специализирани сензори, които извършват всички измервания с помощта на малка платка, която е много удобна за използване.

Тук ще се спрем на мониторинг на температурата, влажността, атмосферното налягане и качеството на въздуха с помощта на един от новите сензори, който включва всичко в едно и се съединява директно с миникомпютъра Raspberry Pi, като не са необходими никакви други компоненти. Не е необходим никакъв опит в областта на електрониката. Добре ще е, ако умеете да използвате поялник, но и без поялник може – ще има малка разлика в цената на устройството. Проектът включва и изграждането на база данни за записване и съхраняване на всички показания, статистиките на които могат да бъдат разгледани с помощта на удобен графичен интерфейс, който позволява проследяването на тенденциите.

Ето какво трябва да се купи за този проект. В зависимост от това, дали ще използвате поялник или не, избираме сензорната платка. Единият вид сензорни платки просто се поставят и започват да работят. Другият вид изискват съвсем малко запояване.

Ако нямате нищо против да вземете в ръце поялник, то ще ви трябват:

Други сензори

Ако вече имате някакъв подобен сензор, проектът поддържа Sense HAT с допълнителен бонус: емотикон на светодиодната матрица, който е различен за различното качество на въздуха.

Bosch BME680 заедно с платката преходник може да бъде поръчана от различни доставчици, които я продават при различна цена:

Забележка: тук използваме Pimoroni. Тази платка има това преимущество, че изводите на нейния конектор са съвместими с Raspberry Pi GPIO. При използването на други платки е необходимо да се провери, дали изводите за захранването и I2C (SDA и SCL) шината съвпадат.

Проектът е качен в GitHub под името balena-sense и включва всичкия необходим софтуер, конфигурация и код, необходими за работата на системата. Възнамеряваме да продължим развитието на проекта в безплатния акаунт balenaCloud. Идеята е да предложим нов софтуер за Raspberry Pi, както и да осигурим отдалечен достъп. Ето защо ще ви трябват:

От хардуерна гледна точка работата е малко. Трябва само малката платка със сензора да бъде съединена с GPIO контактите на Raspberry Pi.

Сензорът BME680 взаимодейства с Raspberry Pi с помощта на I2C (eye-squared-see) шината – последователна комуникация с помощта на две линии. Това са линията за синхронизация (SCK) и линията за обмен на данни (SDA). Допълнително на сензора трябва да се подаде напрежение (3,3V или 3V3), необходимо е съединяването на общия проводник (GND). Ако е избран вариантът без запояване на Pimoroni или Sparkfun или използвате Sense HAT, достатъчно е просто да включите новите компоненти към Raspberry Pi и всички съединения са готови – можете да пристъпите към следващата стъпка.

А ако сте решили да включите сензора към Raspberry Pi с помощта на Pimoroni или с друга съгласуваща платка, най-главното е правилното съединяване на изводите – (SDA, SCK, 3V3 и GND).

Полезен сайт за работата с GPIO изводите на Raspberry Pi е pinout.xyz. Там съвсем ясно се казва, че са необходими изводите 1 (3V3 захранване), 3 (SDA), 5 (SCL) и 9 (GND). A 40-пиновият GPIO конектор е стандартен за миникомпютрите Pi 2 и по-късните версии. Ако използвате Pimoroni платката, всичко вече е направено. Обърнете внимание накъде трябва да бъдат обърнати надписите на платката със сензора.

Само че ако включим сензора по този начин, на неговите показания ще оказва влияние топлината на процесора на Raspberry Pi. За да си осигурим по-точно измерване е необходимо сензорът да бъде изнесен извън миникомпютъра. Това става съвсем лесно с помощта на кабелите DuPont или Jumper Jerky:

Аналогично, ако използвате някакъв друг сензор, изводите на който не съвпадат с пиновете на Raspberry Pi, този метод е идеален. Главното е да бъде осугурено съответствието на 3V3, SDA, SCL и GND. Ако на платката със сензора има изводи SDI, SDO, CS – игнорираме ги. Те са необходими за алтернативния интерфейс SPI, който в този проект не се използва.

На показаните по-горе снимки се вижда Raspberry Pi 3A+, но всичко работи по съвсем същия начин и с Pi Zero, който е едно по-евтино решение.

Трябва да запишем на SD картата операционната система balenaOS, да се свържем с електронния облак balenaCloud, да добавим в него своето устройство и да настроим проекта по такъв начин, че по-късно лесно да можем да обновим всичко.

Първоначално е необходимо да си направим акаунт в balenaCloud. Тоест – регистрация, добавяне на приложение и добавяне на устройството.

Ако имате GitHub или Google акаунт, можете да го използвате за логване в системата без да правите регистрация.

Добавете приложение, като изберете правилния тип на устройството и Starter като приложение. След това напишете Create New Application. Този тип поддържа всички микро онлайн услуги и е безплатен за до десет устройства.

След това ще попаднете в панела за мониторинг на това приложение, от който можете да добавите устройството. Може да бъде дадено произволно име, което ще ни потрябва по-късно.

След създаването на приложението, добавянето на устройството към него става с кликването върху зеления бутон Add Device. При добавянето на устройството укажете неговия правилен тип. Ако използвате безжична мрежа, можете да въведете своите SSID WiFI и паролата.

Забележка: в анимацията е показан Raspberry Pi 3: не забравяте да изберете вашата версия на миникомпютъра

При този процес се създава дисков образ за приложенията и типа на устройството, в който вече са въведени параметрите на мрежата (ако са указани).

Забележка: в началото е по-добре да се избере dev, подходящ за всякакви тестове и отстраняване на възникнали неизправности. По-подробна информация за разликите между development и production е дадена тук. Може да се използва balenaEtcher.

Когато дисковият образ е изтеглен, необходимо е да се запише SD картата. Един от многото начини е да се използва balenaEtcher.

След приключването на процеса поставете SD картата в Raspberry Pi и подайте захранващо напрежение.

Когато устройството се включва за първи път, то се съединява с програмата за мониторинг на balenaCloud, след което то трябва да се появи в в онлайн списъка. Ако се е появило, може да се продължава нататък.

Възможни проблеми. Ако устройството не се появява в този програмен прозорец в рамките на няколко минути, нещо не е наред. В документацията е дадена подробна инструкция за отстраняване на грешките и са показани различни ситуации с обяснения, защо е могло да стане така.

Когато вашият Raspberry Pi е подготвен, заредил е и е съединен към balenaCloud, всичко е готово за инсталирането на необходимото програмно осигуряване.

BalenaCloud дава възможност по отдалечен път да се зареждат програми и данни в Raspberry Pi. За да може да стане това, вашият персонален компютър (не е Raspberry Pi), трябва да има инсталиран допълнителен софтуер. Удобното тук е, че за успешното използване на тази малка метеорологична станция не е необходимо да се въвеждат каквито и да било команди нито на самото устройство с помощта например на SSH, нито от balenaCloud панела. Всичко става дистанционно с помощта на много удобен потребителски интерфейс.

Ако на вашия компютър вече има (или можете да си настроите) npm, то това е най-бързият начин за стартиране инструментите CLI инструментите. Предлагат се двоични файлове за Windows, macOS и Linux.

Предлага се и подробна документация за CLI инструментите, в която е описано всичко.

Когато на вашия компютър е инсталиран и вече работи CLI пакетът, първата стъпка е да се влезе в balenaCloud с помощта на командата

Следващата стъпка е изтеглянето на кода на този проект от GitHub. Синият бутон изтегля zip файла, а ако сте запознати с командите на GitHub, можете да използвате стандартната

Следващата стъпка е изграждането и стартирането на Docker образ, който ще се стартира на вашето устройство. Необходимо е от папката на проекта след неговото разкомпресиране, да бъде изпълнена командата