构建内部物联网空气质量传感器

描述

 

室内或室外空气的质量取决于许多污染源以及天气。

该设备使用 2 个传感器芯片捕获一些常见和一些最有趣的参数。

• 温度
• 湿度
• 压力
• 有机气体
• 微粒子

这里使用的传感器是用于获取温度、湿度、压力和有机气体值的 BME680，以及用于获取微粒密度的 PMS5003。

通过使用 HomeDing 库，可以轻松构建仅连接到家庭网络的设备，并且可以通过网络上的任何浏览器访问和控制。它带有一系列允许使用最常见的传感器芯片、设备和其他服务的元素。

它还提供了一个完整的解决方案，用于在设备内部托管 Web 端，而不是使用基于云的解决方案来显示传感器数据并与设备交互。

补给品：

构建此项目所需的只是一个基于 ESP8266 的板，例如 nodemcu 板和一组用于测量空气质量的传感器。本项目使用的 HomeDing 库支持一些常见的传感器芯片。这里使用的是BME680芯片。

• 一个 USB 插头和一个用于供电的 micro-usb 电缆。
• 1 个带有 ESP8266 CPU 的 nodeMCU 板。
• 1 个 BME680 传感器分线板。
• 1 PM2.5 空气粒子激光传感器型号 PMS5003

如果您只想捕获温度和湿度，则可以轻松地将 BME680 传感器与 DHT22 传感器交换，因为库也支持它们。

第 1 步：为 ESP8266 准备 Arduino 环境

• 安装最新版本的 Arduino IDE（当前版本 1.8.2）。
• 使用 Board Manager 安装安装 esp8266 支持。可以在此处找到详细说明：https ://arduino-esp8266.readthedocs.io/en/latest/installing.html#boards-manager
• 安装 Arduino ESP8266 文件系统上传器，您可以在此处找到：https ://github.com/esp8266/arduino-esp8266fs-plugin
• 为具有 1MByte SPIFFS 文件系统的 NodeMCU 1.0 设置板选项，如屏幕截图所示。

第 2 步：包括所需的库

HomeDing 库依赖于一些常见的额外库来使传感器和显示器工作。

当您安装 HomeDing 库时，您将看到一个包含这些所需库的弹出窗口，这些库可以自动安装，如图所示，并且很容易安装它们。

有时（出于未知原因）库的安装会失败，因此需要手动安装所有必需的库。

有关所需库的更多详细信息，请访问文档网站：

https://homeding.github.io/#page=/elements.md

 

这是当前所需库的列表：

• Adafruit NeoPixel
• LiquidCrystal_PCF8574.h
• 适用于 SSD1306 显示器的 ESP8266 和 ESP32 Oled 驱动程序
• 旋转编码器
• ESPx 的 DHT 传感器库
• 单线

PMS5003 空气粒子激光传感器使用 9600 波特串行线路信号进行通信。该信号是使用 ESP8266 工具安装随附的 SoftwareSerial 库捕获的。确保不要将旧版本安装为库。

第 3 步：自定义标准示例草图

标准示例已经包含一些更常见的传感器作为元素，因此只需要一些配置。

这适用于BME680 Element支持的 BME680 传感器。

PMS5003 传感器不太常见，需要通过将PMS 元件包含到固件中来激活。这是通过在草图的元素寄存器部分定义#define HOMEDING_INCLUDE_PMS 来完成的

#define HOMEDING_INCLUDE_BME680#define HOMEDING_INCLUDE_PMS

为简单起见，将新设备添加到网络中，您可以在 standard.ino 草图文件旁边的 secrets.h 文件中添加家庭 WiFi 的 SSID 和密码。但您也可以使用内置的 WiFi 管理器将设备添加到网络，而无需这种硬编码配置。

现在所有关于实现草图的事情都完成了，可以编译和上传固件。

第 4 步：上传 Web UI

标准示例附带一个数据文件夹，其中包含 Web UI 的所有文件。

在上传这些文件之前，您可能需要添加您可以在本文中找到的 env.json 和 config.json 文件，因为这会使事情变得更容易。

这些文件的内容使物联网设备与众不同并充当空气质量传感器。在这个故事中有详细的解释。

使用 ESP8266 文件上传实用程序并上传所有文件。它需要重新启动才能激活配置。

第 5 步：添加 BME680 传感器

 

 

BME680 传感器正在使用 I2C 总线与电路板通信。

由于这可能与其他扩展共享，例如其他传感器或显示器，因此在 env.json 中的设备级别上配置了设备的网络名称。以下是设备和 I2C 设置的提取示例：

"device": {
  "0": {
    "name": "airding",
    "description": "Air Quality Sensor",
    ...
    "i2c-scl": "D2",
    "i2c-sda": "D1" 
  }
}

在面包板上，您可以看到传感器的连接线：3.3V=red, GND=black, SCL=yellow, SDA=blue

BME680的配置可以在config.json中使用：

"bme680": {
  "bd": {
    "address": "0x77",
    "readtime": "10s"
  }
}

我们稍后会添加动作。

要测试设置，只需使用浏览器并打开http://airding/board.htm你会看到显示的传感器的实际值，它们大约每 10 秒更新一次：

第 6 步：添加 PMS5003 传感器

我没有一个带有面包板友好连接器的传感器，所以我不得不用我的烙铁切断电缆上的一个连接器，将它直接连接到 nodemcu 板上。您仍然可以在最终图片上看到它。

该传感器的电源必须取自通常由 USB 总线供电的 Vin。GND 相同，但在 Vin 引脚旁边也可用。

来自传感器的数据以标准 9600 波特串行格式传输，因此需要配置 rx 和 tx 引脚以及读取时间：

"pms": {
  "pm25": {
    "description": "pm25 particle sensor",
    "pinrx": "D6",
    "pintx": "D5",
    "readtime": "10s"
  }
}

我们稍后会添加动作。

要再次测试设置，只需重新启动设备并使用浏览器并打开http://airding/board.htm你会看到显示的传感器的实际 pm35 值，它们大约每 10 秒更新一次，但这个值通常不会经常变化。

您可以通过在传感器旁边放置蜡烛灯来获得更高的值，因为蜡烛会产生大部分这些颗粒。

现在您可以将所有东西都放在一个漂亮的外壳中，因为所有其他配置甚至软件更新都可以远程完成。

第 7 步：添加一些网络功能

env.json 中的以下配置提取正在启用

• 无线更新固件
• 允许使用 SSDP 网络协议检测网络并从 ntp 服务器检索当前时间。

{
  ...
  "ota": {
    "0": {
      "port": 8266,
      "passwd": "123",
      "description": "Listen for 'over the air' OTA Updates"
    }
  },
  "ssdp": {
    "0": {
      "Manufacturer": "yourname"  
    }
  },
  "ntptime": {
    "0": {
      "readtime": "36h",
      "zone": 2
    }
  }
}

您应该将时区调整为您所在的位置。如果您有疑问，可以使用网站https://www.timeanddate.com/获取与 UTC/GMT 的偏移量。“2”适用于德国夏季。

您也可以在阅读https://homeding.github.io/index.htm#page=/savemo 文档中有关保存模式的说明后调整 ota 密码...

重新启动后，您可能会在网络上找到播放设备，并且在从 ntp 服务器获得回复后，本地时间可用。

第 8 步：添加一些日志记录

仅实际值可能还不够，因此可以使用更多元素。

对于这个故事，Log 元素和NPTTime 元素用于在日志文件中记录传感器值的历史记录，并且该元素的 Web UI 卡可以将其显示为图形。

以下配置为气体和粒子创建 2 个日志元素：

{
  "log": {
    "pm": { 
      "description": "Log of pm25",
      "filename": "/pmlog.txt",
      "filesize": "10000"
    },
    "aq": {
      "description": "Log of gas quality",
      "filename": "/aqlog.txt",
      "filesize": "10000"
    }
  }
}

第 9 步：行动

 

 

现在我们需要使用操作将实际值传输到日志元素。这些操作使用 URL 表示法将 kay 和 value 传递给目标元素。许多元素支持对发生的某些事件发出操作，例如捕获新的传感器值。

动作在发出动作的元素上配置，需要 2 个条目：

• pms/p25 onvalue 事件使用值操作将实际值发送到 log/pm 元素。
• bme680/bd ongas 事件使用值操作将实际值发送到 log/pm 元素。

{
  "pms": {
    "pm25": {
      ...
      "onvalue": "log/pm?value=$v"
    }
  },
  "bme680": {
    "bd": {
      ...
      "ongas": "log/aq?value=$v"
    }
  }
}

现在所有元素都已配置。

第 10 步：图片和配置文件

这是我最终的物联网空气质量传感器的一些图片。

下载的配置文件需要重命名为*.json（no.txt）才能上传。

链接和参考

• HomeDing源码仓库：https ://github.com/HomeDing/HomeDing
• 文档：https ://homeding.github.io/
• 标准示例：https://homeding.github.io/#page=/examples/standar...
• BME680 元素：https://homeding.github.io/#page=/elements/bme680...
• PMS 元素：https ://homeding.github.io/#page=/elements/pms.md
• 日志元素：https ://homeding.github.io/#page=/elements/log.md
• NtpTime 元素：https://homeding.github.io/#page=/elements/ntptim...