實(shí)時(shí)和便攜式空氣質(zhì)量監(jiān)測

描述

介紹

氣候變化的最大挑戰(zhàn)之一是減少空氣污染。我們大氣中的污染對(duì)社會(huì)，特別是對(duì)人類健康造成了很大影響。惡劣的空氣條件可能導(dǎo)致多種健康問題，例如呼吸道感染、心臟病和肺癌的風(fēng)險(xiǎn)。該項(xiàng)目旨在通過創(chuàng)建能夠告訴我們地區(qū)空氣質(zhì)量的設(shè)備來提高我們對(duì)環(huán)境的認(rèn)識(shí)。

為了重建項(xiàng)目，我們需要一些硬件和軟件。對(duì)于硬件，需要從 QuickLogic 收集 QuickFeather 板、空氣質(zhì)量傳感器 PMS5003 和一些額外的組件/設(shè)備，如 STM32BluePill 板、升壓轉(zhuǎn)換器和一些跳線。該設(shè)備的固件是使用 Mbed Studio 和 Eclipse C/C++ 開發(fā)的。

QuickLogic 的 QuickFeather 模塊通過將邏輯元件和通常稱為 SoC 的微控制器相結(jié)合，具有作為百思買硬件的巨大潛力。該項(xiàng)目對(duì)初學(xué)者友好，易于理解。

硬件

硬件是使用下圖構(gòu)建的。

硬件圖

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從圖中可以看出，該設(shè)備由前面提到的幾個(gè)硬件組成。QuickFeather 將是系統(tǒng)的主要控制，該模塊將控制開關(guān)電源、LCD/SD 控制器和按鈕。所有系統(tǒng)均由 18650 2400 mAh 電池供電。QuickFeather 模塊將從傳感器接收數(shù)據(jù)，解析數(shù)據(jù)并執(zhí)行一些計(jì)算，然后將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到 LCD/SD 控制器。它還通過按下按鈕接收一些命令。

這是我將所有硬件組合到單個(gè) PCB 中的一些工作圖像

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1 / 3 ?硬件（底部）

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它使用 8Gb uSD 卡作為數(shù)據(jù)記錄器，這在設(shè)備進(jìn)行測量活動(dòng)時(shí)提供了很大的空間來保存數(shù)據(jù)。還需要注意傳感器 PMS5003 需要 5V 作為主要電源，請(qǐng)參閱數(shù)據(jù)表了解更多信息。由于鋰電池只提供3.5 - 4.2 V，需要放置一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器將電壓升壓到5V，本板使用MT3608。在此板上還放置了一些按鈕來調(diào)用 Quickfeather 模塊中的某些功能。

軟件

為硬件編譯程序所需的一些軟件。為了編譯 LCD/SD 控制器，它使用Mbed Studio 。為了編譯 Quickfeather 的代碼，它使用 Eclipse C/C++。必須安裝這兩個(gè)軟件才能成功重建此項(xiàng)目。當(dāng)發(fā)生未定義的錯(cuò)誤時(shí)，編譯 Quickfeather 固件可能會(huì)導(dǎo)致失敗，因此請(qǐng)務(wù)必按照本教程一步一步進(jìn)行操作。如果不想出現(xiàn)問題，請(qǐng)?jiān)?a target='_blank' class='arckwlink_none'>linux下編譯代碼。這將使您免于花費(fèi)一些精力。

固件

老實(shí)說，當(dāng)它進(jìn)入低級(jí)別（RTL 級(jí)別）時(shí)，事情會(huì)變得非常復(fù)雜，這意味著這可能需要付出很多努力。但幸運(yùn)的是，Quickfeather 支持 RTOS。所以我們可以在操作系統(tǒng)級(jí)別運(yùn)行我們的程序。為了更容易看到項(xiàng)目固件內(nèi)部發(fā)生的情況，下圖對(duì)此進(jìn)行了解釋。

固件內(nèi)部分為一些任務(wù)，這些任務(wù)將執(zhí)行特定的功能，如接收和解析來自傳感器的數(shù)據(jù)、讀取按鈕、預(yù)測計(jì)算和發(fā)送數(shù)據(jù)到 LCD/SD 控制器。讓我們從按鈕任務(wù)開始

## 按鈕任務(wù)##

讓我們來看看 Quickfeather 的外圍設(shè)備。這些按鈕需要 GPIO 才能起作用。但顯然它只有 8 個(gè)可配置的 GPIO，其中一些已經(jīng)用于某些功能。起初我不敢相信，直到我閱讀了代碼。所以我確實(shí)為我的按鈕列出了未使用的 GPIO 引腳。

Quickfeather 的 GPIO 列表

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因此，由于 GPIO 的這種有限功能，我無法在操作系統(tǒng)級(jí)別做太多改進(jìn)。我決定使用 GPIO 4、3、2 作為按鈕，使用 0、2 作為電源開關(guān)。接下來我需要確認(rèn)的是 GPIO 的中斷，顯然庫仍然沒有中斷回調(diào)的功能，這意味著我需要對(duì) GPIO 進(jìn)行一些掃描，如下面的流程圖中所述。

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1 / 4 ?按鈕任務(wù)

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該任務(wù)會(huì)一直讀取 GPIO 的狀態(tài)，然后在 GPIO 狀態(tài)為低時(shí)執(zhí)行該功能。每個(gè)按鈕將處理一個(gè)功能。按鈕 1 處理“顯示數(shù)據(jù)”功能，按鈕 2 處理“預(yù)測”功能，按鈕 3 處理“發(fā)送數(shù)據(jù)”功能。

## UART RX 任務(wù)##

此任務(wù)與 Quickfeather 的 uart 接收和傳感器的數(shù)據(jù)傳輸有關(guān)。PMS5003 發(fā)送了很多帶有頭部的數(shù)據(jù)，這個(gè)任務(wù)將檢測數(shù)據(jù)的頭部并將它們存儲(chǔ)到緩沖區(qū)。該任務(wù)如下圖所示。

串口任務(wù)

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在存儲(chǔ)所需的數(shù)據(jù)后，函數(shù)將自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)并計(jì)算它們以進(jìn)行預(yù)測。

• 測量數(shù)據(jù)。

傳感器測量測試

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我試圖通過將傳感器放在一個(gè)有點(diǎn)塵土飛揚(yáng)的角落來測試傳感器測量，然后我得到了 PM1.0、PM2.5 和 PM10 值的增量結(jié)果。該設(shè)備尚未在屋外進(jìn)行測試。所以傳感器的讀數(shù)總是很小。當(dāng)需要進(jìn)行戶外測試時(shí)，需要用防水/防塵外殼包裹。

• 數(shù)據(jù)訓(xùn)練。目前由于缺乏數(shù)據(jù)集，線性回歸的權(quán)重計(jì)算不正確。該數(shù)據(jù)集可以通過室外實(shí)測數(shù)據(jù)獲得。
• 堅(jiān)固的設(shè)計(jì)。起初，我打算創(chuàng)建具有 wifi 功能的完整板。但由于缺乏時(shí)間來創(chuàng)建和測試 PCB，我無法意識(shí)到這一點(diǎn)。看看3D設(shè)計(jì)。

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1 / 2 ?頂部 PCB

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