Sensor de Calidad del Aire Solar con Helium: Guía de Diseño y Despliegue

Sensor de Calidad del Aire Solar con Helium: Guía de Diseño y Despliegue

Con el creciente interés por el medio ambiente, construí un array de sensores de calidad del aire inalámbrico, autónomo, resistente a la intemperie y alimentado por energía solar —conocido como WSPAQS— que puede desplegarse en cualquier lugar del mundo y transmite datos en tiempo real a través de la red Helium.

Visión General del Sistema

El conjunto de sensores mide CO₂ y compuestos orgánicos volátiles (COV), e incorpora un sensor de voltaje/corriente para monitorizar la carga solar. Utiliza un Arduino Uno para adquisición de datos, una Raspberry Pi 3 para procesamiento y publicación MQTT, y un Kit Inicial Helium para conectividad LoRaWAN. Un panel solar Adafruit de 6 V, un conversor portátil de 24 VAC/VDC a USB y una batería portátil modificada proporcionan una fuente de energía fiable.

Componentes

• Arduino Uno (placa de sensores)
• Raspberry Pi 3 (relevo de datos)
• Helium Starter Kit (gateway LoRaWAN)
• Panel solar Adafruit 6 V
• Conversor 24 VAC/VDC a USB (PCB personalizado)
• Batería portátil (modificada)
• Módulo sensor de voltaje/corriente
• Header de pines apilable para Arduino (≈4 $, SparkFun)

Lista de piezas: Enlace corto Digikey

Pasos de Montaje

1. Preparar la Batería

Desmonta una batería portátil estándar y prueba cada mitad para compatibilidad de voltaje. Una vez confirmado, vuelve a soldar las dos mitades y añade dos cables a la salida para alimentar el gateway Helium y el array de sensores Arduino.

2. Instalar el Panel Solar

Monta el panel solar de 6 V en una superficie brillante y sin obstáculos y conéctalo al conversor. Esto proporciona carga continua durante el día y almacena energía para operación nocturna.

3. Modificar la Batería para Compacidad

Recorta la carcasa de la batería para que quepa en el recinto de 7 pulgadas, luego vuelve a soldar los extremos cortados. Conecta los cables de salida de energía para que la batería alimente ordenadamente todo el array de sensores.

4. Fabricación del PCB

El PCB personalizado está disponible en PCBWay. Sube el archivo Gerber para un plazo de 7 días. Pide la placa por 5,00 $.

5. Soldar la Placa

Comienza con componentes SMD. Usa pasta de soldar a baja temperatura y un horno tostador para reflujo. La malla de desoldar ayuda a limpiar el exceso de soldadura. Un soldador de punta fina es esencial para pads pequeños.

6. Diagrama de Cableado

• El controlador de carga es innecesario para batería de plomo-ácido; el panel debe cargar la batería sin exceder 2–5 V por encima del voltaje de la batería.
• Conecta el ventilador al lado del sensor de voltaje para registrar con precisión el consumo de corriente. La placa acepta hasta 24 VDC, dejando amplio margen para expansión.

Gestión de Energía

Bajo sol pleno, una entrada de 7 V DC consume entre 0.525 A y 1 A con el ventilador funcionando —equivalente a ~144 Wh al día. Por tanto, se requiere un panel solar mínimo de 12 V, 5.2 W, y la batería debe proporcionar al menos 12 V DC. El sistema no iniciará transmisión hasta que haya un suministro estable de 7 V DC.

Pruebas del Montaje

Verifica todas las conexiones antes de encender para evitar daños en componentes. Una vez confirmado, el array de sensores debería operar sin problemas, reportando niveles de CO₂ y COV en tiempo real.

Transmisión de Datos

Los datos llegan vía MQTT de Helium como cadena cruda: V 6 : A 2 :T 30: C02 555: VOC 7293. Esto debe parsearse en métricas individuales antes de enviar a una plataforma de monitorización.

Integración Node‑RED para Librato

Node‑RED puede dividir la carga MQTT en campos etiquetados:

msg.payload = msg.payload.replace(/V /g, 'Voltaje: ').replace(/A /g, 'Corriente: ').replace(/T /g, 'Temperatura: ').replace(/C02 /g, 'CO2: ').replace(/VOC /g, 'VOC: ');

Tras el parseo, reenvía cada métrica a Librato. La API de Librato acepta JSON; cada métrica se publica como punto de medidor (gauge).

Configuración de Librato

1. Accede a Librato y ve a Integraciones > Tokens API.
2. Haz clic en Generar nuevo Token API y dale un nombre descriptivo.
3. Copia el token y anota el email asociado.
4. En tu flujo Node‑RED, configura el nodo HTTP de Librato con el token y los nombres de métricas deseados.
5. Prueba el flujo; los datos deberían aparecer en tu panel de Librato en segundos.

Construcción del Recinto

El recinto consta de base, cuatro patas (dos delanteras, dos traseras), tapa, soporte para panel solar y pequeñas grapas. Limpia las piezas impresas en 3D, luego roscado a mano todos los agujeros 8-32 con una herramienta de roscar antes de atornillar la tapa. Ensambla el recinto antes de insertar la electrónica para asegurar un ajuste perfecto.

Conclusión

El sensor de calidad del aire alimentado por Helium ofrece lecturas precisas de CO₂ y COV, funciona autónomamente con energía solar y transmite datos a Librato para analíticas en tiempo real. Con un coste mínimo y montaje sencillo, este sistema es ideal para monitorización ambiental en ubicaciones remotas o sin red eléctrica.