自制基于Arduino移动式城市环境信息采集器

ID:113207 · 发表于 2016-4-10 00:41

制作灵感来源于一个叫做 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

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arduino UNO核心板 1块

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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)

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SHT10温湿度传感器 1个

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BH1750FVI光照传感器 1个

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MG811二氧化碳(CO2)传感器(无需底板) 1个

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MQ131臭氧(O3)传感器(无需底板) 1个

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七星座 2个

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DSM501A粉尘传感器 1个

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SIRF II GPS模块 1个

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HC-SR501 人体红外感应模块 1个

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0.5A 单锂电池充电、升压板(保护+充电+升压+充电指示) 1块

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606168P 聚合物锂电池 3.7V 2800mAH 1块

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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：

221719q1k6rkzf1njb7us4.jpg (27.3 KB, 下载次数: 125)

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MQ131臭氧传感器辅助电路如图，接A2：

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DSM501A粉尘传感器接线如图，接输出1接D7，输出2接D6：

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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：

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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：

程序代码：

//davidce 20111211
// Include
#include
#include
#include
// 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：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，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：

120117cpgpfvhclpe5f2vv.jpg (58.34 KB, 下载次数: 137)

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2016-4-10 01:49 上传
灰尘粒子曲线：

1201204x666l169zbbgm6m.jpg (75.42 KB, 下载次数: 94)

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2016-4-10 01:49 上传
气体浓度曲线：

120122iwymj7nui33gigjh.jpg (73.85 KB, 下载次数: 129)

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2016-4-10 01:49 上传

移动采集：

采集路线：

121042ojob70006b02bblo.jpg (49.23 KB, 下载次数: 123)

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2016-4-10 01:49 上传
温度分布：

1210434xl1e71lllzck67y.jpg (45.24 KB, 下载次数: 117)

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2016-4-10 01:49 上传
湿度分布：

121044ormuq2am5mi7mxqm.jpg (45.04 KB, 下载次数: 113)

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2016-4-10 01:49 上传
CO2分布：

121045qckcwhcjrqcncgwh.jpg (45.12 KB, 下载次数: 124)

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2016-4-10 01:49 上传
1微米以上粒子：

121046a5qtw31q1d3xx2by.jpg (45.17 KB, 下载次数: 130)

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2016-4-10 01:49 上传

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论坛和Arduino 与 ADK 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！！

风尘检测传感器相关代码：

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;
}
}
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;

复制代码

ID:234938 · 发表于 2020-5-10 12:50

感谢楼主分享，收藏了。

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