方案介紹

一種低成本的空氣質量監測設備，旨在檢測由于交通擁堵或工廠排放造成的污染熱點。

這個項目的想法始于一個“設計思維”項目，其動機是設計一個測量本地空氣質量數據的系統，以檢測污染熱點并提醒通勤者。這個想法是在一個地理位置部署大量低成本設備來獲取這些數據，對其進行分析并將其用于交通管理和城市規劃。這個項目雖然很有遠見和雄心，但在各個層面都得到了很多贊賞，在各種比賽中表現出色，但并沒有真正進入實施階段。缺乏資金、專業知識和獲得技術的機會較少，阻礙了項目的進展。

硬件概述
項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

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

傳感器：使用 Nano 進行接口和測試
市場上可用的大多數低成本氣體傳感器是電化學型接觸式傳感器。傳感元件用于檢測某種氣體。傳感器電導率根據空氣中的氣體濃度增加/減少。一個簡單的電路可以將電導率的變化轉換為對應于氣體濃度的輸出信號。要對此建模，了解數據表和 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 個端子。兩個專用于保持傳感器中最佳傳感溫度的加熱器，另外兩個用于測量與傳感器串聯的負載電阻 (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 都可以使用一個公共電源電路來滿足傳感器的電氣要求。

應選擇負載電阻 (RL) 的值以優化警報閾值，將半導體的功耗 (PS) 保持在 15mW 的限值以下。當暴露在氣體中時 Rs 的值等于 RL 時，功耗 (PS) 將最高（來源：TGS2600 數據表）。

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 (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，您現在可以繼續計算最終的 PPM 值。為此，請按照下列步驟操作：

• 將原始模擬值轉換為 Vout 或 Vrl 電壓值
• 計算 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，作為校準的一部分，您可能需要使用真實值作為參考并與測量值進行比較。

用途：參考值 = 校準系數 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。這里的目標是確保設備便宜并且應該可以連接到互聯網。當要對來自傳感器的數據進行采樣時，就需要使用 Arduino Nano。氣體傳感器輸出模擬數據，因此 MCU 必須至少有 3 個模擬引腳（因為我們在這里使用了 3 個氣體傳感器；可以擴大到更大的數量）來讀取此模擬數據。

由于 NodeMCU 只有 1 個模擬輸入引腳 (A0)，因此單獨使用它并不適合這項工作。為了解決這個問題，最明顯的方法是連接 ADC（模數）轉換器并完成這項工作，但我選擇了一種相當不常見的方法，即連接 NodeMCU 和 Nano（與傳感器連接） . 我這樣做是因為與 ADC 相比，這兩種設備通?？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 上的任何一組數字引腳作為我們的 UART 總線。我們直接使用 Nano 默認的 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 上的數字引腳 6)
Tx (Nano) <=> Rx (NodeMCU 上的數字引腳 5)
GND (Nano) <=> GND (NodeMCU)

在測試 UART 通信時，我意識到整個數據沒有被傳輸，我也無法調試它。因此，我決定使用標準的 JSON 格式來傳輸數據。在“ArduinoJson.h”庫的幫助下，我可以打包這些數據，發送它，將其存儲在緩沖區中，直到接收到全部數據，解包然后上傳到 ThingSpeak。要了解如何在您的項目中實現 Arduino JSON，請訪問創建者的網站或閱讀 GitHub 上的庫文檔。

注意：這些值是隨機的，不會在此圖像中描繪傳感器數據。

PCB設計和硬件外殼
使用用戶友好的 EAGLE CAD，設計了一個簡單的 PCB 來容納三個氣體傳感器和 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 設計了一個簡單的硬件外殼來容納傳感器 PCB。然后它是 3D 打印的，從那時起就一直在使用。