きれいな空気を守るホワイトキューブ、パート1

Wi-Fiを介したデータ転送で家庭環境のパラメーターを監視するためのデバイス。







この記事では、内蔵ディスプレイで測定し、Wi-Fi経由で環境パラメーターをネットワークに送信するためのデバイスについて説明します。



•CO2レベル（二酸化炭素）

•CO（一酸化炭素）のレベル

•エタノール蒸気含有量（25）

•可燃性ガスレベル（LPG）

•アンモニアレベル（NH3）

•水素含有量（H2）

•大気圧値

•湿度と気温

•光レベル

•3軸の磁場レベル

•3軸の重力レベル

•3軸の加速レベル

•DS18B20タイプのデジタル温度センサーの任意の数の温度。



BCのハイライトは、ケースをダブルタップして画面を変更する方法です。 それが起こる方法のビデオ：







この制御方法の詳細な説明を以下に示します。



White Cubeは、Chip and Deepで購入した10 cmのリブ付きの白いケースです。



デバイスの実装を検討する際、デバイスが収集したすべてのデータをネットワークに送信することを決定しました。 データは同時に興味深いのではなく、その長期的な傾向に興味深いものです。 さらに処理するために大きなデータアーカイブを持つことは非常に興味深いです。 したがって、センサーから「大型マシン」にデータを送信し、そこでデータを処理し、統計を保存、取得、読み取り、グラフを描画し、さまざまな相関関係を構築するなどが合理的です。これらはすべて、強力なプロセッサ、大メモリ、大型の大型マシンでのみ意味があります表示と多様なデータ処理のための実績のあるソフトウェアをすべて使用して、データ処理の表示と複雑さを軽減します。



BCの中央処理装置としてArduino Nanoを使用しました。 私にとって、開発とプログラミングの利便性が欠点を上回りました。 ガスセンサー、CO2センサー、Wi-Fiモジュールの顕著な消費電力も考慮すると、低CPU消費のために戦うことは意味がありません。 さらに、BKは単一のデバイスであり、大量生産向けではないという事実を考慮する必要があります。



Wi-Fi経由でデータを転送するために、すばらしいデバイス「HI-LINK HLK-RM04 Serial Port-Ethernet-Wi-Fi Adapter Module」（http://dx.com/p/hi-link-hlk-rm04-serial- port-ethernet-wi-fi-adapter-module-blue-black-214540）、これは基本的に優れた機能を備えたミニルーターです。







裏側では：







透過的なデータ転送モードのシリアル-Wi-Fiを使用しました。 このデバイスについては詳しく説明しません。ネットワークには、このミニルーターに関する十分な説明、アプリケーションエクスペリエンス、フォーラムがあります。



好奇心Of 盛な人は、ライブラリgithub.com/chunlinhan/WiFiRM04に言及する必要があります



デバッグ中に、ケーブルと比較してWi-Fiを介したデータ伝送の機能をいくつか見つけました。 したがって、たとえばArduinoの130バイトのデータラインからのケーブルが130バイトの文字列で到着した場合、Wi-Fiを介して同じラインを送信すると、データは4-5の部分に分割され、これらの部分は受信側でのみ収集される必要があります処理する文字列を渡します。 私はこれを深く理解していませんでした。ホワイトキューブからデータを受信するためのプログラムを書くときに考慮しました。 おそらく、無線伝送のこれらの機能は、2.4 GHz帯域のすでに重いワークロードと、同じ周波数チャネルで動作するデバイスの競争力のあるアクセスに関連付けられています。

DXモジュールには内部アンテナが付属していないことに注意してください。







DESSY.RUで外部アンテナを購入し、売り手に払い戻しを要求しました。



次のセンサーを使用して、空気中の有害物質の存在を評価しました。



K-30タイプCO2センサー ：







サイトでメーカーとは別に購入しました。 これは使用されるセンサーの中で最も高価ですが、非常に耐久性があり安定しているため、費用がかかります。 動作原理は、較正された経路で赤外線の吸収を測定することです。 このセンサーからのデータは、アナログ形式と2つのデジタルインターフェイス（シリアルおよびI2C）の両方で取得できます。 また、このセンサーには、過去2週間のデータ（時間間隔がプログラムされている）を考慮し、この時間中の最小レベルを400 ppmと見なす自動校正メカニズムが含まれています。 これには、センサーキャリブレーションの長期オフセットが考慮されます。 メーカーのウェブサイトには、詳細なドキュメントと、私が使用したデータ読み取りプログラムの例の両方があります。 2つのセンサーを購入しました。1つはシリアルコンバーターを介して-USBからFT232はホームコントロールマシンに接続され、2つ目はBCで使用されます。 センサーの電源は5ボルトですが、シリアルポートのレベルは3.3ボルトである必要があります。 これは、シリアルポート経由で接続する場合です。 I2Cポートを使用する場合、レベルコンバーターは不要です。



他のセンサーはアナログです：



エチル蒸気（C2H5OH）-MQ5

一酸化炭素CO –MQ7

水素H2-MQ8

液体ガス（LPG）-MQ6

アンモニア（NH3）-MQ135

煙-MQ2



センサーは次のようになります。















外部の違いはありますが、センサーは同じように配置され、特定のガスの影響下で導電率を変化させる敏感な要素と、LM393半分のコンパレーターが含まれています。 センサーには4つの外部出力があります-モジュールに電力を供給するための2つ（+5とグランド）と、コンパレータの出力からの1つのアナログと1つのデジタル。

敏感な要素には加熱が必要なため、消費電流は非常に大きく、約200 mAです。



マニュアルで推奨されているスイッチング回路-抵抗がセンサーと直列に接続され、センサーから有用な信号が除去されます。 マニュアルによれば、負荷抵抗は5から47 KOhmに設定でき、典型的な値は10 KOhmです。

センサー自体の選択性は低く、物質やガスの全スペクトルに対して等しく応答することに注意してください。 ただし、これはBCのテストおよびデバッグのプロセスですでに判明しています。



センサー自体、LM393タイプのデュアルコンパレータ、LEDのペア、補助ストラップは、プリント基板上にあります。 1つのLEDは電源インジケータで、2つ目のLEDはコンパレータのトリップインジケータです。 幸いなことに、出力コネクタにはセンサーから直接アナログ信号が出力されるため、COセンサーを除き、これらのノードを変更せずに使用できます。

COセンサー（MQ7）をアップグレードする必要がありました。 このセンサーには、マニュアルに従って特別な電源モードが必要です。 90秒間、発熱体に5ボルトの全電圧が印加され、その後60秒間-1.4ボルトが印加されます。 ボード上では、ヒーターの電力の構成が異なります-1つのヒーター端子に+5ボルトが印加され、2つ目の端子は5オームの抵抗器を介してアースに接続されます。







写真では、赤い矢印は要素を示しています。

ヒーター回路の1-5オーム抵抗

2-ヒーター出力

3-コンパレータLM393



抵抗器（1）を分解し、ヒーター出力（2）を、MGTFワイヤを使用して、コンパレーター出力が接続されていたコネクターの足に接続しました。 また、ボードからコンパレータ（3）を取り外しました。 2番目のワイヤは、誤って破壊されたインジケータLEDの回路を復元します。 インジケータLEDは、発熱体と並列に接続されています。 これにより、プログラムのデバッグ時に現在のモードを視覚的に監視することが可能になりました-LEDの輝度を変更して加熱または測定します。







変換されたCO MQ7センサーの写真



センサーヒーターにはかなりの電流（約200 mA）が必要なため、Arduino出力（最大40 mA）から直接給電することはできません。 キーモードで中間電界効果トランジスタを使用しました。 トランジスタは次のようなものです。IRLU120NPBF、Ncan 100V 10AロジックTO251、Chip and Deepで購入。 これは、BCの回路図上のトランジスタT1です。



ホワイトキューブの電気回路図：







インターネット上の資料を検討した結果、必要なデューティサイクルのPWMモードでのセンサーのパルス電源が最適であると判断しました。 他の方法-たとえば、ダイオードや抵抗器の直列接続-要素の手動選択が必要です。 この方法の欠点は、センサーからのアナログ信号を測定するときに、ヒーターのパルス電力が干渉を引き起こす可能性があることです。



データシートを注意深く読んで、加熱サイクルの開始直前の測定サイクルの最後にCOのレベルを測定する必要があることに気付きました。 そのため、PWMからのパルス干渉を抑制する特別な措置を講じず、測定前にPWM信号をオフにし、システムを数ミリ秒間落ち着かせ、COレベルを測定してから、電源を再びオンにすることにしました。 センサーの熱慣性は数十秒であるため、切り替え中にセンサーの温度は変化せず、出力信号も安定しています。



CO測定チャネルに沿った出力信号のタイプは、グラフに示されています。







このグラフでは、緑色の蛇行は発熱体の電圧切り替え、赤色の線はCOセンサーからの信号、黄色の線は加熱モードが変更される直前に記録された信号です。



COセンサーからの信号は連続的に測定され、約3秒の周期で測定される現在の信号（メインスケッチサイクルの周期）と2.5分（90 + 60秒）の周期で「手動で」測定の両方が処理システムに送られます。 グラフは、測定期間内の信号が、現在のCOレベルとその変化率に関する情報も伝達することを示しています。 前の測定ステップで保存された値の配列を現在の値と比較（減算）することにより、分離して使用することができます。 おそらく追加の処理（平均10〜20秒）を伴う前のサイクルとの違いにより、大気中の有害物質の増加率に関する情報が多少なりとも適切になります。 これにより、COの変化に対する反応速度が2分半から数秒に増加します。 ここでそのような処理のアイデアを見つけました。



他のアナログセンサーは特別な電力を必要としません。 すべてのアナログガスセンサーは、電源投入後48時間ウォームアップする必要があります。



気圧測定。



このパラメーターを測定するために、モジュール「L3G4200D ADXL345 HMC5883L BMP085 Arduino用MWCセンサーモジュール」を使用しました。











このモジュールには、もともとマルチコプターなどの航空機用に設計された4つのセンサーが含まれています。 このモジュールは、「卸売価格が安い」という理由でDX.comで購入されました。 しかし、ADXL345センサーにも用途が見つかったことが判明しました。 これはやや低いです。



BMP085は、温度センサー付きのデジタル絶対圧力センサーです。

ADXL345-3軸加速度センサー

HMC5883L-3軸磁場センサー

L3G4200Dは、3軸デジタルジャイロスコープです。



すべてのセンサーはI2Cバスに接続され、既製のライブラリを使用して読み取り値を読み取ります。



ADXL345センサーは、I2Cバスの出力で3軸に沿った加速度を測定するように設計されています。 このセンサーは、特に重力加速度を測定できます。



また、このセンサーは「タップ」と「ダブルタップ」の効果に応答できます。 シングルタップとダブルタップ。 これにより、BCプログラムに制御の影響を与えることができます（スケッチ）。 このメカニズムを使用して、ディスプレイ上の画面を切り替えました。 多くのデータがあり、それらは1つの画面に収まりません。 したがって、それらを3つの画面にグループ化し、BC本体をダブルタップするように切り替えました。 私はボタンを作りたくなかったので、BCの表面をできるだけきれいにしたかったのです。



ADXL345はダブルタップの検出時にハードウェア割り込みを設定できます。ArduinoのD3ピンに接続しました。



残念ながら、MKの制限により、ハードウェア割り込みの本格的な処理を整理できませんでした。 割り込み内では、ADXL345レジスタをポーリングできません。同じI2Cバス上の別のデバイスとの通信プログラム内で割り込みが発生した場合、この交換が台無しになるからです。 したがって、妥協しました-ADXL345からの割り込みを処理するとき、ダブルタップが登録されているというフラグを設定するだけで、実際に表示ルーチンで割り込みフラグをリセットするためにADXL345の問い合わせを行います。 解決策は完全ではなく、画面上にアーティファクトが生じることもありますが、可能な限り高速です。 イベントのADXL345メインサイクルに単純に問い合わせると、状況が失敗した場合の反応時間は約3秒になります。 これは迷惑なほど長いです...私のオプションでは最大遅延が1秒未満であり、許容範囲内であることがわかりました。



ダブルタップ画面切り替えビデオ：







磁場と加速度センサーからのデータが読み取られ、ディスプレイ（画面2）に表示され、変更なしで通信チャネルを介して送信されます。 それらの処理は将来の問題です。







キューブを手に回すと、加速度センサー、重力センサー、磁場センサーの測定値が変わります。 磁石を提示すると活発な反応があります。



これらの証言から得られる実際的な利益は何ですか-私はまだ決めていません。 たぶん、磁場の変化の分析は、天候に敏感な人々にいくつかの有用な情報を提供するでしょうか？ ただし、電子コンパスデバイスとして使用できるようになりました。



光センサー



Arduinについては、ハードウェアの割り込みに関する結論がいくつか残っています。 この出力を使用して照明を測定することにしました。 ネットワーク上で、LEDの逆スイッチpn接合の放電時間を測定することで照度を測定する方法について言及しました。 この方法の本質は次のとおりです-バックオンLEDがプロセッサ出力に接続されています。 出力はOUTPUTモードに切り替わり、高レベル（+5 V）が適用されます。 LEDの浮遊容量と取り付け容量が高レベルに充電されます。 次に、出力がINPUTモードに切り替わり、レベル変更またはネガティブエッジによって割り込みがそれに接続されます。 このモードでのATMEL328Pプロセッサの入力インピーダンスは非常に大きく、数十メガオームなので、光電流による浮遊容量の放電には、ミリ秒単位から秒単位までかなり長い時間がかかります。 割り込みをトリガーすることで、現在の時刻を修正するだけで十分です。 サイクルの開始時間とサイクルの終了時間の差は、ミリ秒単位の時間を照明に反比例させます。 私の場合、夜の暗闇の場合、時間は約3500ミリ秒であり、日中の日中は数ミリ秒です。 数十ピコファラッドの容量を持つ追加のコンデンサをLEDと並列に配置しました。そうしないと、日中の放電は非常に高速でした（1 ms未満）。 明るい晴れた日に3〜10ミリ秒でした。 LEDの固有容量は約8ピコファラドです。 追加の容量により、暗闇での放電時間が著しく増加しました-4秒以上。 それから、ある困難に出くわしました。 メインプログラムサイクルは約3.6秒続きます。 サイクルの始めに、照明の測定を開始し、他のすべての操作を実行します。そして、サイクルの終わりまでに、グローバル変数に割り込みに置かれた照明の値が含まれることを期待しています。 最初は、照明を測定するための自律的なサイクルを組織するというアイデアがありました。そのため、割り込み自体でサイクルが再び始まります。 しかし、その後、高レベルの照明（つまり、数ミリ秒の短いサイクルタイム）では、プロセッサは照明の測定でのみビジーになります。 メインサイクルの開始時に1回開始すると、低照度レベルでは応答がなくなり、値は0になります...私はこの方法から抜け出しました-サイクルの開始時に測定を開始しますが、トリガーされたかどうかを確認します。 もしそうなら、私は定期的にそれを開始します。 そうでない場合、私は何もしません。 このソリューションの欠点は、低レベルの照明では測定速度が半分になることです。 しかし、私はまだ数十秒の特性変化時間を持つデータに興味があるので、このマイナスは重要ではありません。 その結果、いくつかの機能と20ルーブルの価格を備えた光パルス変換器が完成しました。



LEDの選択。 White Cubeには、光センサーを接続するまでに直径8 mmの穴がすでにあったので、同じ直径のダイオードを使用するとよいと判断しました。 Chip and Deepでは、直径8 mmの各色（赤、緑、黄、白、青）のLEDを2個購入し、最適なLEDを決定するための実験をセットアップしました。 LEDを調べるために、簡単なスタンドを作りました。 スタンドは、Arduino Nano、Wi-Fi-シリアルモジュール、およびネジ留め式端子で調査中のLEDで構成されています。 システムは、リチウムバッテリー（パワーパック）で駆動されていました。



少し理論-部屋の照明は約1000回以上変化します。 夜間の照明は、ルーメンの単位であり、晴れた日には部屋の内側近くで約1000ルーメン、窓では約10,000ルーメンになります。



各LEDについて、最大の照明を探しました。路上で最も明るい場所と部屋の最も暗い場所でシステムを小さなステップで指し、システムを暗い部屋に運びました。



測定処理結果を表に示します。

（表の数字-放電時間（ミリ秒））

LED	窓	部屋	暗闇の中で	範囲、時間
緑色	4	440	4524	1131
白	16	1028	10161	635
赤	2	49	883	442
黄色い	4	25	287	72
青	5	53	53	11

緑のLEDの最大範囲幅は1000倍（msから4秒）であり、その後に白（635回）、赤（442）、黄色（72）が続き、青の範囲11でリストを閉じていることがわかりました。 LEDはまた、光に対する感度が低いことで区別されます。

結果の詳細な解釈はこの記事の範囲外ですが、BCで緑色のLEDを使用することが最適であることは明らかです。



光センサーの測定値をスイートに変換します。



照明の標準は、インターネットで簡単に見つけることができます（SanPiN 2.2.1 / 2.1.1.1278-03の衛生規則と規範）。 この文書の研究から、照明は20〜750ルクスの範囲で正規化されることがわかります（パントリーから正確な作業のための職場まで）。 つまり、BK光センサーのキャリブレーションは、ルクスから数千ルクスの範囲で実用的な意味があります。



この問題を解決するために、既製の較正済みセンサーBH1750を適用しました。 センサーは、Wi-Fiモジュールに接続された別のArduinoに接続されました。 Sketchはセンサーの測定値を読み取り、ネットワークにブロードキャストします。ネットワークは、プログラムによって取得され、1分間の間隔で平均化されてログファイルに記録されます。 数日後、BCとキャリブレーションされたセンサーからのデータを比較して、これらのプライマリデータを処理しました。 データを処理した結果、変換テーブルが得られました。このテーブルに従って、ダイオード放電時間をスイートに再計算できます。 数式はテーブルから導出できますが、64歳のときはそのままにしておきます。



説明された照明の測定方法は、供給電圧および他の不安定化要因の変化に非常に敏感であることが判明した。この理由は、出力信号が、非常にゆっくり変化する入力電圧と電源電圧の半分にほぼ等しい基準電圧を比較するアナログ動作に依存しているためです。ロジック要素のスイッチング時間は、電源電圧のランダムな変動などに大きく依存していることがわかります。ここで、この図では、測定された時間の電源電圧への依存性がはっきりとわかります。







CO MQ7センサーの加熱および測定サイクルにより、供給電圧が変化します。測定サイクルでは1.4Vが供給され、加熱サイクルでは5Vで消費電流が変化し、供給電圧が変化し、入力D3の応答しきい値が浮き上がります。測定によると、電力の不安定性の要因により、時間の変化は高光レベルでの10％から低光での30％以上までであることが判明しました。



この変更は、プログラムで調整できます。



測定精度が非常に低いことが判明したため（30％程度の誤差）、測定放電時間を表形式のスイートに変換する最も簡単な方法に限定することにしました。マイクロプロセッサのArduino Nanoには、そのようなデータの深刻な処理のための非常に控えめなリソースがあり、Visual Basicのプログラムにもっと深刻な処理を移すことにしました。このようなプログラムでは、データをフィルタリングして、長い時間間隔で平均化することができます。現時点では、毎日の照明スケジュールは次のようになっています。







黒い矢印-テレビがオフになる瞬間。赤-日の出（今日は2014年11月20日、Gismeteoによると8:13）。



ダイオードの形のセンサーは、単位および1/10ルクスの領域で低光レベルに対する応答性も維持します。 BH1750の最小感度は1ルクスです。たとえば、BH1750は、ワット（LED）の電力のテレビや卓上ランプには応答せず、BCのセンサーは自信を持って応答します。ただし、範囲が非常に広い他の光センサーもあります。たとえば、宣言された範囲が0.045〜188000ルクス、I2CインターフェイスのMAX44009で、価格は約200 r（ChipおよびDip-250 r）です。ただし、BCの次のバージョンでは、光センサーを交換する可能性があります。既製のモジュールを使用することは、最終製品の品質の点では確かにより正確ですが、自分の手で何かをすることは、桁違いに興味深いです。



LEDと放電の持続時間をこのような単純な形で測定する方法を使用しても十分な精度は得られませんが、たとえば、ディスプレイの輝度や照明を大まかに知る必要がある他のタスクを30-40％の精度で調整するために使用できます。おそらく、昼と夜を自信を持って区別するとしましょう。



ディスプレイ



BCでは、Nokia 3510iのディスプレイを使用しました。その唯一の利点は、モバイルパーツストアの価格が非常に低いことです。このディスプレイを46 pで購入しました。マイナス-バックライトLEDはありません。4096色と4096色モードでの混乱した交換プログラミング-あなた自身の小さなサイズ、小さな色を行う必要があります。現在までに、最高のような準備モジュール使用して見られ、これを。このモジュールは多少高価です（約300 r）が、フルカラーの組み込みバックライト、単純なプログラミングは価格のわずかな上昇を上回ります。このモジュールを放射計で使用し、その品質に非常に満足しています。 Wi-FiとGLONASS \ GPS付き放射計について、参照してください。記事こちら。



Nokia 3510iのディスプレイのバックライトは、3つの等間隔のLEDを備えた両面ホイルグラスファイバー製のバーの形で作成しました。ストラップの高さは約3 mmで、幅はディスプレイの端の幅に対応しています。フォイルのスロットはバーに作成され、LEDは所定の位置にはんだ付けされます。 20オームの抵抗が各ダイオードと直列に接続され、すべてのセクションが並列に接続され、別の抵抗がバックライトの輝度を制御するために直列に接続されます。バーは、ディスプレイの端にある2本の銅線ではんだ付けされています。柔軟な銅線上のペンダント照明により、ストリップの位置を選択して、最適なディスプレイ輝度を実現できます。



LED「BL-LS3014A0S1UW2C、LED SMD 3014、ウォームホワイト、120˚2300mKd」は、チップおよびディップで26 pで使用されています。 LED（3個使用済み+ 1個使用済み）を考えると、ディスプレイの価格はすでに約150ルーブルであり、これは完成価格の半分にすぎません。

ディスプレイモジュールはキューブカバーに取り付けられ、フラットケーブルでメインモジュールに接続されています。追加のワイヤは、ディスプレイにあるスピーカーを接続するためのものです。 Arduinに自由脚があり、音声信号を生成するコード用のメモリ内の場所があった最後の瞬間に使用しました。







ディスプレイモジュールの奇妙な形状は、設計エラーによるものです。キューブの側面の穴は熱を除去するのに十分であると決めましたが、それは十分ではなく、上部にも穴を開ける必要があることがわかりました。ディスプレイモジュールはトップカバー全体を覆っていたため、温風を最大限に通過させるためにすべてを取り外す必要がありました。金属製のはさみとドレメルは、不要なものを取り除く作業に完全に対応しました。



内蔵BCディスプレイ、画面1：







左から右へ、行：

湿度、気温

CO2レベル、ppm、水銀柱ミリメートルの気圧、BC内の温度

COレベル電流、測定、ステータス（N-加熱、I-測定）

煙レベル、可燃性ガス

レベルアンモニアレベル、エチルアルコール蒸気



画面2：







左から右へ、行：

3軸の磁場センサー測定値-X、Y、Z

3軸の重力センサー測定値-X、Y、Z

3軸のフィールド加速度センサー測定値-X、Y、Z

水素レベル、照度。



最初の行の最後の値は、実際には北磁極への方向からの偏差です

ここに奇妙な写真があります：







ご覧のように、コンパスの針と立方体の面は互いにほぼ平行で、磁北への方向です。

Z軸はゼロです-センサーは垂直に取り付けられ、Z軸は水平であるため、Y軸は垂直です。



画面3、温度センサー：







5つのダラス18B20センサーのケーブルがキューバに接続されています。起動時のスケッチは、接続されているセンサーの数を決定し、以降の作業中にそれらを調べます。

以下は、起動時にディスプレイの各原色の輝度をスムーズに変更するスケッチの起動のビデオです。







継続は、以下。