自制基于Arduino移动式城市环境信息采集器 DF创客社区

大连林海 发表于 2015-11-5 20:38:34

自制基于Arduino移动式城市环境信息采集器

制作灵感来源于国外一个叫做 urban feeds 的项目。仪器能够采集：
[*]温度
[*]湿度
[*]CO2浓度
[*]O3浓度
[*]光照强度
[*]人流量
[*]大于1微米空气悬浮粒子
[*]大于2.5微米空气悬浮粒子
[*]日期时间
[*]位置信息
采用SD卡存储数据，锂电池供电，外观如图：

全部配件包括：
[*]密封盒 1个 115×90×55

[*]arduino UNO核心板 1块

[*]SD卡模块1个及SD卡1张(容量不限，但由于FAT16文件分区格式的限制单个分区应小于2G)

[*]SHT10温湿度传感器 1个

[*]BH1750FVI光照传感器 1个

[*]MG811二氧化碳(CO2)传感器(无需底板) 1个

[*]MQ131臭氧(O3)传感器(无需底板) 1个

[*]七星座 2个

[*]DSM501A粉尘传感器 1个

[*]SIRF II GPS模块 1个

[*]HC-SR501 人体红外感应模块 1个

[*]0.5A 单锂电池充电、升压板(保护+充电+升压+充电指示)1块

[*]606168P 聚合物锂电池 3.7V 2800mAH 1块

[*]CA3140 阻抗变换 1个
[*]二极管1N4007 1个
[*]3mm 发光二极管LED 绿(颜色随意) 1个
[*]电容 10nF(104贴片) 1个
[*]电阻 220 1个、10K(104贴片) 1个、22K 1个、10K 2个、1K 1个
[*]双面洞洞板 2×8cm 1块
[*]单排针间距2.54mm 高11mm和高17mm 若干
[*]彩色杜邦线建议最短20cm 若干
[*]KN3-3 拨动开关(六脚) 1个
[*]M3螺母若干
[*]6+12 M3铜柱子若干
[*]M3螺丝包括10mm和6mm(非必需) 若干
[*]M3空心铜柱(非必需) 若干

电路部分：

[*]SD卡接法请参考：arduino学习笔记18 - SD卡读写实验
[*]SHT10 data脚接D8,clock脚接D9
[*]BH1750FVI 是I2C协议，参见：arduino学习笔记27 - DS1307 RTC时钟芯片与DS18B20数字温度传感器实验中DS1307 与UNO板的接法
[*]MG811二氧化碳传感器阻抗变换电路如图，接A3：
http://image.geek-workshop.com/forum/201112/10/222025koch7ak6f9ohzrao.jpg
[*]MQ131臭氧传感器辅助电路如图，接A2：

[*]DSM501A粉尘传感器接线如图，接输出1接D7，输出2接D6：

[*]SIRF II GPS模块TX接D0,RX接D1
[*]HC-SR501 人体红外感应模块输出接A1
[*]发光二极管串联220欧姆电阻接在电源地和D2之间
[*]锂电池充电、升压板与锂电池接法按板子说明连接
[*]六角拨动开关一组控制仪器电源开关，一组控制锂电池充电开关，两组控制状态互斥如示意图：

[*]电源供电从锂电池充电、升压板升压输出端+5v经拨动开关仪器电源一组连接到UNO Vin脚；电池充电从UNO +5v输出经拨动开关仪器充电一组接到锂电池充电、升压板充电输入端
[*]从锂电池充电、升压板充电输入端引出线到A0并为A0设置10K下拉电阻
[*]所有传感器(除SD卡、温湿度)的+5v输入接UNO Vin脚，SD卡和温湿度传感器接UNO +5v输出脚；所有传感器的GND和锂电池充电、升压板的充电输入、+5V升压输出的GND接UNO GND脚

仪器组装：

DSM501A粉尘传感器需垂直安装
仪器内部：
http://image.geek-workshop.com/forum/201112/10/235020v933rlf4gh6xx6xg.jpg

//davidce 20111211

// Include
#include <SHT1x.h>
#include <SD.h>
#include <Wire.h>

// Digital pin
// SHT1x
#define ShtDataPin8//data
#define ShtClockPin 9//clock
SHT1x sht1x(ShtDataPin, ShtClockPin);
// system light
#define systemLightPin 2
//DSM501A DUST
#define DSMPin2_56
#define DSMPin1_07
//SD card
File myFile;
#define SD_CSPin10
char filename[] = "result.txt";
String order= "";
//GPS
#define rxPin 0                // RX PIN
#define txPin 1                // TX TX

// Analog pin
const int powerInPin = A0; // check power state for the bettery charge
const int infrRayPin = A1; //infrared ray
const int o3Pin = A2;       //MQ131
const int co2Pin = A3;       //MQ811

// Variable
boolean inCharge = false;    //bettery charging mark
const unsigned long warmTime = 60000; //system warmming 60000 ms
const unsigned long scanTime = 0; //get data fre scanTime = scanTime + flashTime
const unsigned long flashTime = 250;
unsigned long previousMillis = 0;    //前一次判断时间点
unsigned long partMillis=0;          //到溢出时计算的时间
const unsigned long sectev = 30;       // 时间间隔(秒)
const unsigned long interval = 30000;       // 时间间隔(毫秒) = sectev * 1000
const unsigned long mintev = 30000000; // 时间间隔(微秒) =interval * 1000
//BH1750 IIC Mode
const int BH1750address = 0x23; //setting i2c address
byte buff;
//GPS
int byteGPS = -1;
char linea = "";
char comandoGPR = "$GPRMC";
int cont=0;
int bien=0;
int conta=0;
int indices;

void setup() {
if(!SD.begin(SD_CSPin))
{
return;
}
// read the value from the power
int powerValue = analogRead(powerInPin); // variable to store the value coming from the power
if(powerValue>1000)
{
inCharge=true;
Serial.begin(4800);//port speed for GPS
}
else
{
//check if the log file exists and add name of items to the new file
if (!SD.exists(filename))
{
   myFile = SD.open(filename, FILE_WRITE);
   if (myFile)
   {
   myFile.print("date_UTC");
   myFile.print(9,BYTE);
   myFile.print("time_UTC");
   myFile.print(9,BYTE);
   myFile.print("lat");
   myFile.print(9,BYTE);
   myFile.print("lon");
   myFile.print(9,BYTE);
   myFile.print("temp_C");
   myFile.print(9,BYTE);
   myFile.print("hum_PER");
   myFile.print(9,BYTE);
   myFile.print("pcs_1");
   myFile.print(9,BYTE);
   myFile.print("pcs_2_5");
   myFile.print(9,BYTE);
   myFile.print("peop_tra");
   myFile.print(9,BYTE);
   myFile.print("O3");
   myFile.print(9,BYTE);
   myFile.print("CO2");
   myFile.print(9,BYTE);
   myFile.println("light_lx");
   myFile.close();
   }
}
for (int i=0;i<300;i++)
{    // Initialize a buffer for received data
   linea=' ';
}
pinMode(systemLightPin, OUTPUT);
pinMode(DSMPin2_5, INPUT);
pinMode(DSMPin1_0, INPUT);
pinMode(rxPin, INPUT);
pinMode(txPin, OUTPUT);
Wire.begin();
Serial.begin(4800);//port speed for transform
digitalWrite(systemLightPin, HIGH);
delay(warmTime);
}
}

void loop(){
if(!inCharge)                // work state
{
float temp_c =sht1x.readTemperatureC();
float humidity = sht1x.readHumidity();

unsigned long currentMillis;
boolean goloop=true;
partMillis=0;
unsigned long duration1_0=0;
unsigned long duration2_5=0;
long temp1_0=0;
long temp2_5=0;
unsigned long rayMark=0;    //人流量计数
double rayFreq = 0.0;    //人流量频率

while(goloop)    //loop
{
   currentMillis = micros();
   if(currentMillis<previousMillis)
   {
   partMillis = 4294967295 -previousMillis +1;
   previousMillis = 0;
   }
   if(currentMillis - previousMillis - partMillis < mintev)
   {
   //1.0
   if(temp1_0==0)
   {
      temp1_0=-1;
      temp1_0=pulseIn(DSMPin1_0, LOW);
   }
   if(temp1_0>0)
   {
      duration1_0 =duration1_0 + temp1_0;
      temp1_0=0;
   }
   //2.5
   if(temp2_5==0)
   {
      temp2_5=-1;
      temp2_5=pulseIn(DSMPin2_5, LOW);
   }
   if(temp2_5>0)
   {
      duration2_5 =duration2_5 + temp2_5;
      temp2_5=0;
   }
   }
   else
   {
   goloop=false;
   previousMillis=currentMillis;
   }
   //human transform
   int rayState = analogRead(infrRayPin);
   if(rayState>500)
   {
   rayMark = rayMark + 1;
   }
}
double per =double(duration1_0)/double(interval);// had multiply 1000
int pcs1_0 = -1;
pcs1_0 =per * 50.0;
per =double(duration2_5)/double(interval);// had multiply 1000
int pcs2_5 = -1;
pcs2_5 =per * 50.0;
rayFreq = double(rayMark) /double(sectev);

// light
uint16_t lightval=0;
BH1750_Init(BH1750address);
delay(200);
if(2==BH1750_Read(BH1750address))
{
   lightval=((buff<<8)|buff)/1.2;
}

//MQ131
int O3v=analogRead(o3Pin);
float O3ppb=float(O3v) * 0.0049; //not realy value
float O3mg_m3 = O3ppb * 48 / 22.4 / 1000;//need ajaust
//MG811
int CO2v=analogRead(co2Pin);
float CO2ppb=float(CO2v) * 0.0049; //not realy value

//GPS
String datestr = ""; //date UTC (ddmmyy)
String timestr = ""; //time UTC (hhmmss.sss)
String latstr = ""; //Latitude (ddmm.mmmm)
String lonstr = ""; //Longitude (dddmm.mmmm)
boolean isGPSOK = false;
bien=0;
while(bien!=6)
{
   byteGPS=Serial.read();
   if(byteGPS == -1)
   {
   delay(100);
   }
   else
   {
   linea=byteGPS;    // If there is serial port data, it is put in the buffer
   conta++;
   if(byteGPS==13)
   {
      cont=0;
      bien=0;
      for (int i=1;i<7;i++)
      { // Verifies if the received command starts with $GPRMC
         if (linea==comandoGPR)
         {
         bien++;
         }
      }
      if(bien==6)// If yes, continue and process the data
      {
         for (int i=0;i<300;i++)
         {
         if (linea==',')
         { // check for the position of the"," separator
            indices=i;
            cont++;
         }
         if (linea=='*')
         { // ... and the "*"
            indices=i;
            cont++;
         }
         }
         String dataString;
         int outindex;
         outindex=1;
         for (int j=indices;j<(indices-1);j++)
         {
         if(linea=='A')
         {
            isGPSOK = true;
         }
         }
         outindex=8;//Date UTC (ddmmyy)
         dataString="";
         for (int j=indices;j<(indices-1);j++)
         {
         dataString = dataString + linea;
         }
         datestr=dataString;
         outindex=0;//time UTC (hhmmss.sss)
         dataString="";
         for (int j=indices;j<(indices-1);j++)
         {
         dataString = dataString + linea;
         }
         timestr=dataString;
         outindex=2;//Latitude (ddmm.mmmm)
         dataString="";
         for (int j=indices;j<(indices-1);j++)
         {
         dataString = dataString + linea;
         }
         latstr=dataString;
         outindex=4;//Longitude (dddmm.mmmm)
         dataString="";
         for (int j=indices;j<(indices-1);j++)
         {
         dataString = dataString + linea;
         }
         lonstr=dataString;
      }
      // Reset the buffer
      conta=0;
      for (int i=0;i<300;i++)
      {
         linea=' ';
      }
   }
   }
}

//output result
Serial.print(datestr);
Serial.print(9,BYTE);
Serial.print(timestr);
Serial.print(9,BYTE);
Serial.print(latstr);
Serial.print(9,BYTE);
Serial.print(lonstr);
Serial.print(9,BYTE);
Serial.print(temp_c);
Serial.print(9,BYTE);
Serial.print(humidity);
Serial.print(9,BYTE);
Serial.print(pcs1_0);
Serial.print(9,BYTE);
Serial.print(pcs2_5);
Serial.print(9,BYTE);
Serial.print(rayFreq);
Serial.print(9,BYTE);
Serial.print(O3ppb);
Serial.print(9,BYTE);
Serial.print(CO2ppb);
Serial.print(9,BYTE);
Serial.println(lightval,DEC);

//writer the result to SD card
myFile = SD.open(filename, FILE_WRITE);
if (myFile)
{
   // to sd file
   myFile.print(datestr);
   myFile.print(9,BYTE);
   myFile.print(timestr);
   myFile.print(9,BYTE);
   myFile.print(latstr);
   myFile.print(9,BYTE);
   myFile.print(lonstr);
   myFile.print(9,BYTE);
   myFile.print(temp_c);
   myFile.print(9,BYTE);
   myFile.print(humidity);
   myFile.print(9,BYTE);
   myFile.print(pcs1_0);
   myFile.print(9,BYTE);
   myFile.print(pcs2_5);
   myFile.print(9,BYTE);
   myFile.print(rayFreq);
   myFile.print(9,BYTE);
   myFile.print(O3ppb);
   myFile.print(9,BYTE);
   myFile.print(CO2ppb);
   myFile.print(9,BYTE);
   myFile.println(lightval,DEC);
   myFile.close();

   //flash the light
   if(isGPSOK)
   {
   digitalWrite(systemLightPin, HIGH);
   delay(flashTime);
   digitalWrite(systemLightPin, LOW);
   }
   else
   {
   digitalWrite(systemLightPin, LOW);
   delay(flashTime);
   digitalWrite(systemLightPin, HIGH);
   }
}
delay(scanTime);
}
else             //bettery charging and data translation
{
while(Serial.available() > 0)
{
   int incomingByte = Serial.read();
   if(incomingByte==10) //order end
   {
   if(order == "list")
   {
      myFile = SD.open(filename);
      if (myFile)
      {
         while (myFile.available())
         {
         Serial.write(myFile.read());
         }
         myFile.close();
      }
      else
      {
         Serial.println("open file failure.");
      }
   }
   else if(order.length()>0)
   {
      Serial.println("The available command is:");
      Serial.println("list");
   }
   //reset order
   order="";
   }
   else
   {
   if(incomingByte!=13)
   {
      order = order + char(incomingByte);
   }
   }
}
}
}

int BH1750_Read(int address)
{
int i=0;
Wire.beginTransmission(address);
Wire.requestFrom(address, 2);
while(Wire.available())
{
buff = Wire.receive();// receive one byte
i++;
}
Wire.endTransmission();
return i;
}
void BH1750_Init(int address)
{
Wire.beginTransmission(address);
Wire.send(0x10);//1lx reolution 120ms
Wire.endTransmission();
}

代码说明：[*]传感器需要预热时间，在变量warmTime 中设置，这里设置为60秒
[*]仪器根据inCharge 变量判断系统处于采集状态或充电状态，在采集状态时如插上usb可通过arduino IDE的串口监视实现数据显示；仪器通过arduino的usb口充电，在充电的同时可通过arduino IDE的串口监视实现交互，如输入list命令可列出SD卡存储的数据
[*]DSM501A灰尘传感器有两路输出分别对应不同的灰尘粒径检出量，检测到灰尘是在输出口产生时间不等的低脉冲，通过计算30秒内的低脉冲率和对于关系得到灰尘粒子量(请参考DSM501A datasheet)，程序中通过micros()函数提供计时，micros()每70分钟左右会归零，通过 4294967295 -previousMillis +1 得出归零前的计数加到归零后的计数上实现连续计数
[*]程序通过pulseIn()返回低脉冲时间，虽然pulseIn()函数可以设置超时(默认1秒)但并不产生中断，代码中通过轮询pulseIn()的返回变量的值判读pulseIn()是否完成读取
[*]人体红外线模块的脉冲电平是3.3v,通过模拟读取时设置读数大于500为有输出
[*]当GPS模块可靠定位时系统状态灯常灭，采集数据时亮250ms；GPS不可靠定位时系统状态灯常亮，采集数据时灭250ms，GPS上集成电池，定位可靠与非都有日期时间输出(UTC时间，中国时区 +8小时)
[*]BH1750光照传感器在太阳光直接照射的情况下有可能爆表(输出为0)，建议避免强光直射

关于传感器标定：
每个传感器在出厂后的性能是不同的，在实际的应用中需要进行标定。仪器中需要标定的传感器是MG811二氧化碳、MQ131臭氧和DSM501A灰尘传感器，其它的传感器是数字输出，在出厂前经过标定。标定方法参考：

[*]MG811二氧化碳标定可参考：http://www.instructables.com/id/ ... 12/C02-Calibration/ 中的方法，另外二氧化碳是温室气体，特性稳定，所以在全球很长时间都是均匀分布在同一水平，全球二氧化碳实时浓度见：http://co2now.org/，可以参考此网站上的值作为标定浓度之一，同时呼吁大家节能减排，减少温室气体排放
[*]MQ131臭氧传感器标定需要在标准条件50ppb浓度臭氧下进行，请参考datasheet中说明
[*]DSM501A灰尘传感器标定也可参考datasheet中的说明，需要注意的是DSM501A灰尘传感器测量粒子浓度与PM2.5、PM10和TSP(PM100)的检测原理和概念不同，不可混淆，只可做参考
在仪器中以上传感器均未做标定，MQ131、MG811的输出值为对应的电压值

数据采集与展示：
固定采集：

[*]温湿度曲线：

[*]灰尘粒子曲线：

[*]气体浓度曲线：

移动采集：

[*]采集路线：

[*]温度分布：

[*]湿度分布：

[*]CO2分布：

[*]1微米以上粒子：

图中红色代表高值，蓝色代表低值。

下一步工作：
MQ系列传感器辅助电路类似，仪器只需更换传感器探头和标定可实现其它气体测量
由于MQ131和MG811属于加热型传感器耗电量大，2800mAh的锂电池只能连续工作3.5小时左右，同时二氧化碳和臭氧气体不适合移动观测，下一步打算将两种气体传感器设置在固定监测仪器上，在留出的面板位置上安装1602液晶显示，仪器同时实现便携式GPS功能。
致谢：
仪器在制作过程中得到极客工坊论坛和Arduino 与 ADK(1277738)QQ群热心网友的大力帮助，他们早出晚归，谈天论地，不分主题，有问必答，畅所欲言，谢谢大家！！

完。

dsweiliang 发表于 2015-11-5 21:50:55

好厉害的样子

丄帝De咗臂 发表于 2015-11-6 07:10:50

好厉害的样子

大连林海 发表于 2015-11-6 09:36:47

dsweiliang 发表于 2015-11-5 21:50
好厉害的样子

你们都可以试着做做看

大连林海 发表于 2015-11-6 09:36:52

大连林海发表于 2015-11-6 09:36
你们都可以试着做做看

你们都可以试着做做看

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