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[项目] 自制基于Arduino移动式城市环境信息采集器

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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：自制基于Arduino移动式城市环境信息采集器图1

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：
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：
自制基于Arduino移动式城市环境信息采集器图21

DSM501A粉尘传感器需垂直安装
仪器内部：
自制基于Arduino移动式城市环境信息采集器图23

//davidce 20111211

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

// Digital pin
// SHT1x
#define ShtDataPin  8  //data
#define ShtClockPin 9  //clock
SHT1x sht1x(ShtDataPin, ShtClockPin);
// system light
#define systemLightPin 2
//DSM501A DUST
#define DSMPin2_5  6
#define DSMPin1_0  7
//SD card
File myFile;
#define SD_CSPin  10
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[2];
//GPS
int byteGPS = -1;
char linea[300] = "";
char comandoGPR[7] = "$GPRMC";
int cont=0;
int bien=0;
int conta=0;
int indices[13];

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[i]=' ';
    }
    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[0]<<8)|buff[1])/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[conta]=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[i]==comandoGPR[i-1])
            {
              bien++;
            }
          }
          if(bien==6)  // If yes, continue and process the data
          {
            for (int i=0;i<300;i++)
            {
              if (linea[i]==',')
              {    // check for the position of the  "," separator
                indices[cont]=i;
                cont++;
              }
              if (linea[i]=='*')
              {    // ... and the "*"
                indices[12]=i;
                cont++;
              }
            }
            String dataString;
            int outindex;
            outindex=1;
            for (int j=indices[outindex];j<(indices[outindex+1]-1);j++)
            {
              if(linea[j+1]=='A')
              {
                isGPSOK = true;
              }
            }
            outindex=8;  //Date UTC (ddmmyy)
            dataString="";
            for (int j=indices[outindex];j<(indices[outindex+1]-1);j++)
            {
              dataString = dataString + linea[j+1];
            }
            datestr=dataString;
            outindex=0;  //time UTC (hhmmss.sss)
            dataString="";
            for (int j=indices[outindex];j<(indices[outindex+1]-1);j++)
            {
              dataString = dataString + linea[j+1];
            }
            timestr=dataString;
            outindex=2;  //Latitude (ddmm.mmmm)
            dataString="";
            for (int j=indices[outindex];j<(indices[outindex+1]-1);j++)
            {
              dataString = dataString + linea[j+1];
            }
            latstr=dataString;
            outindex=4;  //Longitude (dddmm.mmmm)
            dataString="";
            for (int j=indices[outindex];j<(indices[outindex+1]-1);j++)
            {
              dataString = dataString + linea[j+1];
            }
            lonstr=dataString;
          }
          // Reset the buffer
          conta=0;                    
          for (int i=0;i<300;i++)
          {   
            linea[i]=' ';             
          }
        }
      }
    }

    //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[i] = 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();
}
复制代码

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。

发光二极管, 二氧化碳, 采集器, 传感器, 聚合物