Mesure de la qualité de l’air (PM2.5/PM10) – Python3

By EcoSensors

11 juin 2020

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Dans cet article, je vais vous montrer comment préparer un Raspberry et Python3 pour mesurer les poussières fines PM2.5 et PM10 et comment transmettre les mesures à un serveur distant grâce à LoRaWAN

J’attire votre attention que cet article n’est pas un tutoriel, mais mes notes. Il vous apportera les outils et des astuces pour le faire, mais il vous sera demandé un minimum de compétences. Cet article est donc mené à être modifier et améliorer.

N’hésitez pas à me laisser vos commentaires pour améliorer cet article

Dans cet article, nous verrons comment

Installer et configurer votre Raspberry Zero
préparer votre script python
installer l’écran OLED LCD
installer du capteur SDS011
Installation du capteur MH-Z19B
installer un serveur lighttpd et tinylora
préparer LoRaWAN et créer votre application TTN
envoyez les données
sauvez les mesures dans un fichier JSON
Installer et configurer un GPS (PG-735)
Installer un carte pour gérer la charge de la batterie avec un panneau solaire
Economiser la consomation du Raspberry en déactivant le bluetooth, le HDMI et les LEDs de la carte

Matériel

Raspberry Zero W (CHF 24.–)
RFM 95 Lorawan/TTN hat with OLED LCD ($40.–)
Nova SDS011 (CHF 38.–)
MH-Z19D
Un adaptateur USB -> MicroUSB
GPS GP-735
Solar Power management
Panneau solaire 6V/5W
Batterie Li-ion 15’000mAh

Préparation du Raspberry

Commencer par télécharger la dernière version de Rasbian Buster Desktop que vous pouvez télécharger ici

Téléchargez et installez la dernière version d’Etcher et créez l’image sur la carte SD

Une fois fait, retirez et réinsérez la carte SD dans votre Mac, et créez un fichier ‘ssh’ dans le dossier boot, pour activer ssh lors du premier démarrage du Raspberry (L’exemple est donné depuis un Mac)

touch /Volumes/boot/ssh

Ceci vous permettra d’accéder à votre Raspberry en ligne de commande, avant d’avoir configurer votre Raspberry.

ssh pi@raspberrypi.local
#Le mot de passe de ‘pi’ par défaut est ‘raspberry’

Ceci est particulièrement utile si vous êtes à l’aise avec les lignes de commande et si vous ne pouvez/voulez pas connecter un écran à votre Raspberry.

Éjectez votre carte SD et insérez la dans le Raspberry.
Puis connectez votre Raspberry au routeur à l’aide du câble Ethernet. Connectez votre souris, clavier et écran à votre Raspberry.

Si vous avez créé le dossier

/Volumes/boot/ssh

vous pouvez vous passer de votre écran.

Mise à jour

Mettez à jour votre Raspberry et installez des packages utiles

sudo apt update && sudo apt upgrade
sudo apt install vim ntpdate git

Changez le mot de passe

sudo passwd pi

Créez un nouvel utilisateur avec les privilèges sudo.

Puis quittez et authentifiez-vous avec le nouvel utilisateur

sudo adduser pierrot
sudo adduser pierrot sudo
exit 
ssh pierrot@sds011.local

Supprimez l’utilisateur pi (optionnel)

sudo userdel -rf pi

Changez les paramètres de votre Raspberry

sudo raspi-config

Choisissez 2 Network Option, puis
N1 Host name => Donnez/modifiez un nom à votre Raspberry (j’ai donné comme nom sds011)

Choisissez 4 Localisation Option, puis
I1 Change Local => adapter selon votre pays
I2 Change Timezone => Idem
I4 Change Wi-fi Country => Choisissez votre pays

Choisissez 5 Interfacing Options, et activez
P2 SSH
P3 VNC
P4 SPI
P5 I2C

Configurez le WiFi de votre domicile

Même si je décris comment configurer votre WiFi ici, il est préférable de la faire à la fin et de continuer l’installation avec le câble Ethernet. A vous de voir.

sudo nano /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf

et ajoutez les lignes suivantes (attention aux tablatures)

network={
  ssid="The_SSID_of_your_wifi"
  psk="Your_wifi_password"
}

Python3

Installez ces packages

sudo apt install python3-smbus
sudo pip3 install psutil

Créez un fichier python que nous allons remplir au fur et à mesure

sudo mkdir -p /opt/sds011/
sudo nano /opt/sds011/aqi-v1.py # Ne pas le nommer aqi.py

et ajoutez les ligne suivantes au début du fichier

#!/usr/bin/env python3
import time, json
from datetime import datetime
import psutil

Display LCD

Sourec:

Installation des librairies SSD1306 et Pillow

sudo apt install python3-pip
sudo pip3 install adafruit-circuitpython-ssd1306
sudo apt install python3-pil

Editez le fichier aqi.py

sudo nano /opt/sds011/aqi-v1.py

ajoutez les lignes suivantes

# Import library for SSD1306
import adafruit_ssd1306, board, busio
# Create the I2C interface.
i2c = busio.I2C(board.SCL, board.SDA)
# 128x64 OLED Display
display = adafruit_ssd1306.SSD1306_I2C(128, 64, i2c)
# Clear the display
display.fill(0)
display.show()
# Get the LCD size
width = display.width
height = display.height

Il vous faudra vous assurez d’avoir la font font5x8.bin au même niveau que votre fichier aqi.py, si non utilisez la commande wget pour le télécharger

cd /opt/sds011/
ls
# ou
sudo wget https://github.com/pierrot10/Raspi-sds011/blob/master/font5x8.bin

Exemple de code

# Effacce l'écram
display.fill(0)
# Affiche
display.show()
# Met du texte dans le buffer éa position x=0 y=0
display.text('ECO-SENSORS.CH', 0, 0, 1)
# Met encore du texte dans le buffer à la position x=0, y=8
display.text('Smart Air Quality', 0, 8, 1)
# Affiche le texte contenu dans le buffer
display.show()
# On/Off l'écran
display.poweron()
display.poweroff()

SDS011

Source : https://towardsdatascience.com/sensing-the-air-quality-5ed5320f7a56

Les mesures seront sauvegardées dans un fichier JSON. Nous allons aussi installé un petit serveur web, pour que vous puissiez lire les données depuis un navigateur

Installation de lighttpd

sudo apt install lighttpd python-enum

Nous allons changer le propriétaire du dossier web

sudo chown -R pierrot:pierrot /var/www/html/
# ou sudo chown -R pi:pi /var/www/html/

Préparation du SDS011

Nous allons maintenant importer la classe qui vous permettra de faire tourner votre capteur SDS011 et mesurer les particules fines

cd /opt/sds011/
sudo wget https://github.com/pierrot10/Raspi-sds011/blob/master/sds011.py

Vous devrez encore installer cette librairie

sudo pip3 install python-aqi

Connectez votre capteur SDS011 au port USB.

Nous devons maintenant savoir à quel port USB, le capteur est connecter. Lancer la commande suivante

dmesg | grep USB

et vous devriez voir une ligne finissant par ttyUSB0, comme cela est mon cas

ch341-uart converter now attached to ttyUSB0

Une fois fait, éditez votre fichier aqi-v1.py

sudo nano /opt/sds011/aqi-v1.py

et ajoutez les lignes suivantes

# SDS011
from sds011 import SDS011
import aqi
sensor = SDS011("/dev/ttyUSB0", use_query_mode=True)
# JSON
JSON_FILE = '/var/www/html/aqi.json'

Assurez-vous que ttyUSB0 correspond bien à ce que vous avez trouvé avec la commande ‘dmesg | grep USB’

Créez encore un fichier json, où seront sauvez plus tard, les mesures

echo [] > /var/www/html/aqi.json

Exemple de code

# Recevoir les mesures
pmt_2_5, pmt_10 = get_data()
# Affichage
print(time.strftime("%Y-%m-%d (%H:%M:%S)"), end='')
print(f"    PM2.5: {pmt_2_5} µg/m3    ", end='')
print(f"PM10: {pmt_10} µg/m3")
print(' ')

JSON

Pour le sauvegarder dans votre fichier JSON vous pouvez le faire ainsi

import json # A ajouter en haut du fichier

# get date and time
tnow = datetime.now()
timestamp_now = datetime.timestamp(tnow)

# open stored data
try:
    with open(JSON_FILE) as json_data:
    data = json.load(json_data)
except IOError as e:
    data = []
    print('except')

# check if length is more than 100 and delete first element
if len(data) > 100:
    data.pop(0)

# append new values
jsonrow = {'pm25': pmt_2_5, 'pm10': pmt_10, 'time': timestamp_now}
data.append(jsonrow)

# save it
with open(JSON_FILE, 'w') as outfile:
    json.dump(data, outfile)

MH-Z19B

Datasheet: https://www.winsen-sensor.com/d/files/infrared-gas-sensor/mh-z19b-co2-ver1_0.pdf
Librairie : https://pypi.org/project/mh-z19/
Github (forked): https://github.com/ecosensors/mh-z19Port Série (UART): https://www.framboise314.fr/utiliser-le-port-serie-du-raspberry-pi-3-et-du-pi-zero/

Préparation

Le capteur utilise les broche Tx et Rx (GPIO 14 et 15). Vous devez donc activer le port UART et déactiver la console.

Activation du Port Serial (UART)

Pour cela, ouvrez votre terminal et allez dans raspi-config

sudo raspi-config

Choisissez 5 Interfacing Options, et activez :
P6 Serial

A la première question Would you like a login shell to be accessible over Serial?, répondez NO
A la deuxipme question Would you like the Serial port hardware to be enable? répondez YES

Désactivation de la console

La console utilise le port Serial, vous devez donc la désactiver.

Editez le fichier suivant

sudo nano /boot/cmdline.txt

trouvez le texte suivant et supprimez-le

console=serial0, 115200

puis, redémarrer votre Raspberry

Assemblage

Connectez le capteur au raspberry comme ceci:

PI => MH-Z19B
5V => vin
GND => GND
Tx => Rx
Rx => Tx

Installation de la librairie MH-Z10B

Lancez la commande

sudo pip3 install mh-z19

Vous pouvez déjà contrôler si va fonctionne

sudo python3 -m mh_z19

Ce qui m’affiche

{"co2": 697}

Exemple de codes

Nous avons précédemment ajouté régulièrement des lignes dans le fichier aqi-v1.py. C’est ce que nous allons faire maintenant

sudo nano /opt/sds011/aqi-v1.py

et ajoutez ceci. N’oubliez pas d’ajouter le import

import mh_z19 # Vous devez ajoutez ceci au debut du fichier

print('[INFO: Getting CO2]')
#print(mh_z19.read_all())
co_2 = mh_z19.read()
print("co2: " + str(co_2['co2']))

LoRaWAN

Source : https://learn.adafruit.com/lora-and-lorawan-radio-for-raspberry-pi/sending-data-over-lorawan

The Things Network

Rendez-vous dans votre console et créez une application que je vais nommé aqi-sds011

Vous allez devoir maintenant créer un Devise. Retourner sur vos applications et cliquez sur l’application que vous venez de créer et cliquez sur l’onglet Devices

et finalement sur le lien register device

Sous le champs Device EUI, assurez-vous qu’il y a bien le texte this field will be generated, si non, donnez un identifiant unique, ou cliquez sur les deux flèches qui se croisent, à côté du champs. Cliquez sur Register.

Pour terminer, vous devez encore modifier les paramètres de ce Device. Vous verrez, en haut à droite l’onglet Settings.

Cliquez dessus, et modifiez les paramètres suivants

Activation Method => ABP
Frame Counter Width => 16 bit
Frame Counter Check => Délectionnez-le

et cliquez sur Save

Le méthode OTAA est souvent recommandée et vous êtes libre de faire comme vous le souhaiter.

Ultérieurement vous allez avoir besoin des clés App Session Key, Network Session Key et Devise address que vous pourriez déjà relever.

TinyLora

Pour envoyer les données avec LoRaWAN aux serveur TTN (The Things Network), nous allons devoir installer une librairie d’Adafruit. Retourner sur votre Raspebrry

ssh pierrot@sds011.local # remplacer ssds011 par le hostname que vous avez choisi précédement

et installez la librairie tinylora

sudo pip3 install adafruit-circuitpython-tinylora

Editez encore le fichier aqi.py

cd /opt/sds011/
sudo nano aqi-v1.py

et ajoutez les lignes suivantes en haut du fichier (je les ai mise en dessous de import busio

from digitalio import DigitalInOut, Direction, Pull
from adafruit_tinylora.adafruit_tinylora import TTN, TinyLoRa
# importer encore board, si vous n'utilisez pas l'écran OLED, car il a déjà été importer lors de l'installation de SSD1306
# import board

# TinyLoRa Configuration
## Attention, cette configuration dépendra du module radio que vous utiliser. Celle-ci fonctionne très
## bien pour le module d'adafruit RFM95W LoRa Radio
spi = busio.SPI(board.SCK, MOSI=board.MOSI, MISO=board.MISO)
cs = DigitalInOut(board.CE1)
irq = DigitalInOut(board.D5)
rst = DigitalInOut(board.D25)

# TTN Device Address, 4 Bytes, MSB
devaddr = bytearray([0x00, 0x00, 0x00, 0x00])
# TTN Network Key, 16 Bytes, MSB
nwkey = bytearray([0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00])
# TTN Application Key, 16 Bytess, MSB
app = bytearray([0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00])

# Initialize ThingsNetwork configuration
ttn_config = TTN(devaddr, nwkey, app, country='EU')
lora = TinyLoRa(spi, cs, irq, rst, ttn_config)
# 2b array to store sensor data
data_pkt = bytearray(2)

Vous allez devoir informer les clés (key) que vous trouverez dans votre console TTN (allez dans Application), et éditez l’application que vous avez créé plus tôt.

Puis cliquez sur le Device et puis sur le « device » que vous avez aussi déjà créé

et relever les clés Device Address (devaddr), Network Session Key (nwkey) et App Session Key (app)

Note:

Cliquez sur <> pour avoir le format {0x9c, 0x91…, 0xBC}
Cliquez sur les deux flèches inversées pour avoir le format msb
Cliquez sur l’icon de droite, pour copier la clé dans votre presse-papier

Vous allez maintenant remplacer vos clés ici

# TTN Device Address, 4 Bytes, MSB 
devaddr = bytearray([0x00, 0x00, 0x00, 0x00]) 
# TTN Network Key, 16 Bytes, MSB 
nwkey = bytearray([0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00]) 
# TTN Application Key, 16 Bytess, MSB 
app = bytearray([0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00])

Attention, remplacé les {} par []

PycURL à la place de LoRaWAN

Dans certains cas il peut être nécessaire d’envoyer des données via un routeur WiFi à la place de passer par le protocole et une passerelle LoRaWAN. Pour une station, cette situation s’est présentée car il n’y avait pas de passerelle LoRaWAN dans le périmètre et il me fallait prendre des mesures dans cette location. Il était aussi trop onéreux de mettre en place une passerelle, que je n’avais pas en stock d’ailleur. La solution PycURL s’est montré très utile puisqu’un routeur WiFi était à disposition.

Pour commencer, installez la librairie
Info : https://stackabuse.com/using-curl-in-python-with-pycurl/

sudo pip3 install pycurl

GPS

Source:

On va maintenant connecter le GPS GP-735.

Observez bien les broches du GPS dans la datasheet, page 8 et 9

Connexion

la borche 1 sur un GND du Raspberry
la broche 2 sur le 5V du Raspberry
la broche 3 (TXa) sur la broche Rx du Raspberry
la broche 4 (RXb) sur la broche Tx du Raspberry
la broche 6 sur la broche 18 du Raspberry

Il va falloir encore modifier la configuration de votre Raspbbery

sudo raspi-config

Sélectionnez 5 Interfacing Options, puis P6 Serial, répondez NON à la prochaine question, puis OUI à la dernière question.

Vous allez devoir redémarrer votre Raspberry.

Vous pouvez déjà voir si ça fonctionne en lisant les données du GPS, de cette manière

sudo cat /dev/ttyS0 # Pour un Raspbbery 3
sudo cat /dev/ttyAMA0 # Pour les autres

Parser les données de GPS

Installons maintenant la libraire pynma2

sudo pip3 install pynmea2

Ouvrez votre fichier

sudo nano /opt/sds011/aqi-v1.py

et ajoutez en haut du fichier

import pynmea2, serial

Autres liens utiles

zero2go

Économiser la consommation

Source : https://learn.pi-supply.com/make/how-to-save-power-on-your-raspberry-pi/

A vérifier!

Désactivation du bluetooth

Afficher le status

systemctl status bluetooth

Désactivation

echo " " | sudo tee -a /boot/config.txt
echo "# Diable Bluetooth" | sudo tee -a /boot/config.txt
echo "dtoverlay=pi3-disable-bt" | sudo tee -a /boot/config.txt
sudo systemctl disable hciuart
sudo reboot

Après avoir désactivé le Bluetooth, mon Raspberry n’était plus capable de lire sur le port ttyS0. Le GPS communiquait via le port ttyAMA0. J’ai du adapter mon code en conséquence

Désactivation des LED

echo " " | sudo tee -a /boot/config.txt
echo "# Diable On-board LEDs" | sudo tee -a /boot/config.txt
echo "dtparam=act_led_trigger=none" | sudo tee -a /boot/config.txt
echo "dtparam=act_led_activelow=on" | sudo tee -a /boot/config.txt
sudo reboot

Désactivation du port HDMI

Le port HDMI ne sera pas utiliser, donc pas d’écran connecté. Ce qui permettrait de sauver jusqu’à 30mA

Désactivation

sudo /opt/vc/bin/tvservice -o

Activation

sudo /opt/vc/bin/tvservice -p

DYNU

ddclient

https://www.dynu.com/DynamicDNS/IPUpdateClient/DDClient

Vous devez d’abord créer un host chez dyndns

sudo apt install ddclient

Vous allez devoir répondre à plusieurs questions

Fournisseur de service DNS dynamique: autre
Serveur de DNS dynamique: api.dynu.com
Protocole de mise à jour du DNS dynamique: dyndns2
Identifiant pour les service… : Votre identifiant
Mots de passe pour …: Votre mots de passe
Interface utilisée par …? : wwan0
Nom de domaine de DNS ..: host.ddnsfree.com

sudo ddclient -daemon=0 -debug -verbose -noquiet

sudo nano /etc/ddclient.conf

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