方案介紹

一種低成本的空氣質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備，旨在檢測由于交通擁堵或工廠排放造成的污染熱點(diǎn)。

這個(gè)項(xiàng)目的想法始于一個(gè)“設(shè)計(jì)思維”項(xiàng)目，其動(dòng)機(jī)是設(shè)計(jì)一個(gè)測量本地空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，以檢測污染熱點(diǎn)并提醒通勤者。這個(gè)想法是在一個(gè)地理位置部署大量低成本設(shè)備來獲取這些數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行分析并將其用于交通管理和城市規(guī)劃。這個(gè)項(xiàng)目雖然很有遠(yuǎn)見和雄心，但在各個(gè)層面都得到了很多贊賞，在各種比賽中表現(xiàn)出色，但并沒有真正進(jìn)入實(shí)施階段。缺乏資金、專業(yè)知識(shí)和獲得技術(shù)的機(jī)會(huì)較少，阻礙了項(xiàng)目的進(jìn)展。

硬件概述
項(xiàng)目中的硬件大致分為：

• 傳感器及其與 Arduino Nano 的接口
• Arduino Nano 和 NodeMCU 接口

在這個(gè)項(xiàng)目中，F(xiàn)igaro TGS2600檢查甲烷和一氧化碳，F(xiàn)igaro TGS2602檢查氨、硫化氫和甲苯，而不太準(zhǔn)確和便宜的MQ135檢查二氧化碳和 NOx。雖然單個(gè)傳感器用于檢測多種氣體，但如果您想要更好的準(zhǔn)確性和可靠性，最好為每種氣體使用專用傳感器。

傳感器：使用 Nano 進(jìn)行接口和測試
市場上可用的大多數(shù)低成本氣體傳感器是電化學(xué)型接觸式傳感器。傳感元件用于檢測某種氣體。傳感器電導(dǎo)率根據(jù)空氣中的氣體濃度增加/減少。一個(gè)簡單的電路可以將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為對應(yīng)于氣體濃度的輸出信號(hào)。要對此建模，了解數(shù)據(jù)表和 Rs/Ro Vs PPM 或靈敏度特性非常重要。

用于與 Arduino 的 TGS2600/TGS2602 傳感器接口

傳感器需要兩個(gè)電壓輸入來檢測氣體濃度：加熱器電壓 (VH) 和電路電壓 (VC)。該傳感器有 4 個(gè)端子。兩個(gè)專用于保持傳感器中最佳傳感溫度的加熱器，另外兩個(gè)用于測量與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻 (RL) 上的輸出電壓。由于傳感器具有極性，因此電路電壓需要直流電壓。VC 和 VH 都可以使用一個(gè)公共電源電路來滿足傳感器的電氣要求。

應(yīng)選擇負(fù)載電阻 (RL) 的值以優(yōu)化警報(bào)閾值，將半導(dǎo)體的功耗 (PS) 保持在 15mW 的限值以下。當(dāng)暴露在氣體中時(shí) Rs 的值等于 RL 時(shí)，功耗 (PS) 將最高（來源：TGS2600 數(shù)據(jù)表）。

針腳連接：
1：加熱器
2：傳感器電極（-）
3：傳感器電極（+）
4：加熱器

從靈敏度曲線中，我們使用冪回歸獲得方程的比例因子 (a) 和指數(shù) (b)，ppm = a*(Rs/Ro)^b。如果您對此不理解，請參閱 Davide 的博客。

此外，Rs = 不同濃度顯示氣體中的傳感器電阻 Ro = 新鮮空氣中的傳感器電阻

計(jì)算 Ro：

我們知道“空氣”的 a、b 值（通常始終是恒定的）以及 Rs 值，可以通過以下公式計(jì)算得出：
Rs = ( Vc/Vout - 1) x RL

因此從等式： ppm = a*(Rs/Ro)^b 我們得到：
Ro = Rs * sqrt(a/ppm, b)

獲取 Ro 的代碼位于頁面的代碼部分。請參閱該端以查看代碼。

獲得 Ro 值后，您現(xiàn)在可以繼續(xù)計(jì)算最終的 PPM 值。為此，請按照下列步驟操作：

• 將原始模擬值轉(zhuǎn)換為 Vout 或 Vrl 電壓值
• 計(jì)算 Rs 值
• 查找 Rs/Ro 比率
• 通過將獲得的值代入公式來獲得 PPM 值

VRL_F2600 = analogRead(F2600)*(5.0/1023.0);
Rs_F2600 = ((5.0/VRL_F2600)-1)*(RL_F2600);
ratio_F2600 = Rs_F2600/Ro_F2600;
float ppm_CO = CO_A * pow(ratio_F2600, CO_B);

這應(yīng)該有助于您獲得以 PPM 為單位的氣體傳感器值。但是，作為校準(zhǔn)的一部分，您可能需要使用真實(shí)值作為參考并與測量值進(jìn)行比較。

用途：參考值 = 校準(zhǔn)系數(shù) x 測量值

Arduino Nano 和 NodeMCU 接口
雖然傳感器硬件及其與 Arduino Nano 的連接并不令人驚訝并且相當(dāng)普遍，但 Arduino Nano 和 NodeMCU 之間的接口可能對一些人來說很有趣。這里的目標(biāo)是確保設(shè)備便宜并且應(yīng)該可以連接到互聯(lián)網(wǎng)。當(dāng)要對來自傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣時(shí)，就需要使用 Arduino Nano。氣體傳感器輸出模擬數(shù)據(jù)，因此 MCU 必須至少有 3 個(gè)模擬引腳（因?yàn)槲覀冊谶@里使用了 3 個(gè)氣體傳感器；可以擴(kuò)大到更大的數(shù)量）來讀取此模擬數(shù)據(jù)。

由于 NodeMCU 只有 1 個(gè)模擬輸入引腳 (A0)，因此單獨(dú)使用它并不適合這項(xiàng)工作。為了解決這個(gè)問題，最明顯的方法是連接 ADC（模數(shù)）轉(zhuǎn)換器并完成這項(xiàng)工作，但我選擇了一種相當(dāng)不常見的方法，即連接 NodeMCU 和 Nano（與傳感器連接） . 我這樣做是因?yàn)榕c ADC 相比，這兩種設(shè)備通?？捎们乙子谑褂?，因此很方便。

Nano 和 NodeMCU 的接口非常簡單。我們使用“ SoftwareSerial.h ”庫，它允許我們使用 MCU 上的任何一組數(shù)字引腳作為我們的 UART 總線。我們直接使用 Nano 默認(rèn)的 Rx/Tx 引腳，分別與 NodeMCU 上的 6 和 5 引腳交叉連接，建立 UART 通信。

Rx (Nano) <=> Tx (NodeMCU 上的數(shù)字引腳 6)
Tx (Nano) <=> Rx (NodeMCU 上的數(shù)字引腳 5)
GND (Nano) <=> GND (NodeMCU)

在測試 UART 通信時(shí)，我意識(shí)到整個(gè)數(shù)據(jù)沒有被傳輸，我也無法調(diào)試它。因此，我決定使用標(biāo)準(zhǔn)的 JSON 格式來傳輸數(shù)據(jù)。在“ArduinoJson.h”庫的幫助下，我可以打包這些數(shù)據(jù)，發(fā)送它，將其存儲(chǔ)在緩沖區(qū)中，直到接收到全部數(shù)據(jù)，解包然后上傳到 ThingSpeak。要了解如何在您的項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn) Arduino JSON，請?jiān)L問創(chuàng)建者的網(wǎng)站或閱讀 GitHub 上的庫文檔。

注意：這些值是隨機(jī)的，不會(huì)在此圖像中描繪傳感器數(shù)據(jù)。

PCB設(shè)計(jì)和硬件外殼
使用用戶友好的 EAGLE CAD，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的 PCB 來容納三個(gè)氣體傳感器和 DHT11 溫度傳感器。您可以在附件部分找到原理圖和電路板文件。除此之外，還使用 ??AutoCAD 設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的硬件外殼來容納傳感器 PCB。然后它是 3D 打印的，從那時(shí)起就一直在使用。