Helium-basierter solarbetriebener Luftqualitätssensor: Design- und Deployments-Guide

Systemüberblick

Mit wachsendem Umweltbewusstsein habe ich einen drahtlosen, autarken, wetterfesten, solarbetriebenen Luftqualitätssensor-Array – den WSPAQS – gebaut, der weltweit einsetzbar ist und Daten in Echtzeit über das Helium-Netzwerk streamt.

Das Sensorset misst CO₂ und flüchtige organische Verbindungen (VOCs) und beinhaltet einen Spannungs-/Stromsensor zur Überwachung der Solarladung. Verwendet werden ein Arduino Uno für die Datenerfassung, ein Raspberry Pi 3 für Verarbeitung und MQTT-Publishing sowie ein Helium Starter Kit für LoRaWAN-Konnektivität. Ein 6 V Adafruit-Solarpanel, ein 24 VAC/VDC-zu-USB-Wandler und ein modifizierter Powerbank-Akku sorgen für zuverlässige Stromversorgung.

Komponenten

• Arduino Uno (Sensorplatine)
• Raspberry Pi 3 (Datenrelais)
• Helium Starter Kit (LoRaWAN-Gateway)
• Adafruit 6 V Solarpanel
• 24 VAC/VDC zu USB Konverter (eigene PCB)
• Powerbank (modifiziert)
• Spannungs-/Stromsensor-Modul
• Stapelbarer Arduino Pin-Header (ca. 4 $, SparkFun)

Teileliste: Digikey Shortlink

Montageschritte

1. Powerbank vorbereiten

Zerlegen Sie eine Standard-Powerbank und testen Sie beide Hälften auf Spannungskompatibilität. Nach Bestätigung die Hälften wieder zusammenlöten und zwei Kabel für die Ausgabe anbringen, um Helium-Gateway und Arduino-Sensorarray zu versorgen.

2. Solarpanel installieren

Montieren Sie das 6 V Solarpanel an einem hellen, unverschatteten Ort und schließen Sie es an den Konverter an. Dies lädt tagsüber kontinuierlich und speichert Energie für den Nachtbetrieb.

3. Powerbank für Kompaktheit modifizieren

Kürzen Sie das Powerbank-Gehäuse für das 7-Zoll-Gehäuse, löten Sie die abgeschnittenen Enden wieder zusammen. Befestigen Sie die Ausgangskabel, sodass die Powerbank das gesamte Sensorarray ordentlich versorgt.

4. PCB-Fertigung

Die eigene PCB ist auf PCBWay verfügbar. Laden Sie die Gerber-Datei hoch für eine schnelle 7-Tage-Lieferung. Bestellen Sie das Board für 5,00 $.

5. Bestücken der Platine

Beginnen Sie mit SMD-Bauteilen. Nutzen Sie Niedertemperatur-Lotpaste und einen Toaster-Ofen für Reflow. Entlötlitze hilft, überschüssiges Lot zu entfernen. Ein feiner Lötkolben ist für feine Pads unerlässlich.

6. Verdrahtungsplan

• Ein Ladecontroller ist für Blei-Säure-Akkus unnötig; das Panel sollte den Akku laden, ohne 2–5 V über der Akkuspannung zu liegen.
• Befestigen Sie den Lüfter an der Spannungs-Sensor-Seite, um den Stromverbrauch genau zu loggen. Das Board akzeptiert bis 24 VDC, was Spielraum für Erweiterungen lässt.

Energiemanagement

Bei voller Sonne zieht ein 7 V DC-Eingang zwischen 0,525 A und 1 A bei laufendem Lüfter – ca. 144 Wh pro Tag. Daher ist mindestens ein 12 V, 5,2 W Solarpanel erforderlich, und der Akku muss mindestens 12 V DC liefern. Das System startet die Übertragung erst bei stabiler 7 V DC-Versorgung.

Setup testen

Prüfen Sie alle Verbindungen vor dem Einschalten, um Bauteilschäden zu vermeiden. Nach Bestätigung sollte das Sensorarray fehlerfrei arbeiten und CO₂- sowie VOC-Werte in Echtzeit melden.

Datenübertragung

Die Daten erreichen Helium MQTT als Rohstring: V 6 : A 2 :T 30: C02 555: VOC 7293. Dieser muss in einzelne Metriken geparst werden, bevor er an eine Monitoring-Plattform gesendet wird.

Node-RED Integration für Librato

Node-RED kann das MQTT-Payload in benannte Felder aufteilen:

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

Nach dem Parsing wird jede Metrik an Librato weitergeleitet. Libratos API akzeptiert JSON; jede Metrik wird als Gauge-Punkt gepostet.

Librato Einrichtung

1. In Librato einloggen und zu Integrations > API Tokens navigieren.
2. Generate new API Token klicken und beschreibenden Namen vergeben.
3. Token kopieren und zugehörige E-Mail-Adresse notieren.
4. Im Node-RED-Flow den Librato HTTP-Node mit Token und gewünschten Metriknamen konfigurieren.
5. Flow testen; Daten sollten innerhalb von Sekunden im Librato-Dashboard erscheinen.

Gehäusebau

Das Gehäuse besteht aus Basis, vier Beinen (zwei vorne, zwei hinten), Deckel, Solarpanel-Halterung und kleinen Clips. Reinigen Sie die 3D-gedruckten Teile, schneiden Sie alle 8-32-Gewinde mit einem Gewindeschneider von Hand, bevor Sie den Deckel verschrauben. Bauen Sie das Gehäuse vor dem Einbau der Elektronik zusammen, um einen passgenauen Sitz zu gewährleisten.

Fazit

Der Helium-betriebene Luftqualitätssensor liefert präzise CO₂- und VOC-Messwerte, läuft autark auf Solarstrom und streamt Daten zu Librato für Echtzeit-Analysen. Mit minimalen Kosten und unkompliziertem Aufbau eignet sich dieses System ideal für Umweltmonitoring an abgelegenen oder netzfernen Standorten.