在快節(jié)奏的都市生活下，大多數(shù)人 90% 的時間被“封印”在室內(nèi)，要么在辦公室，要么在家。殊不知，看不見、摸不著的室內(nèi)安全危機可能潛伏在四周。近年來，我們逐漸對室內(nèi)環(huán)境的健康與安全提出了更精細化、智能化的需求，環(huán)境檢測儀則扮演了家居、辦公等場景的“安全小衛(wèi)士”。

但據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有市面上的環(huán)境檢測儀存在如下痛點：

• 功能單一，檢測結(jié)果不精準；

• 無法與空氣凈化器/燃氣閥等其他設(shè)備智能聯(lián)動；

• 無法手機 App遠程查看；

• 價格太高，無法接受；

  
  

怎么辦？怎么辦？怎么辦？

為了解決上述這些痛點，我們設(shè)計了一款新的個人健康空氣管理智能硬件方案，環(huán)境安全衛(wèi)士。

該方案功能強大，可以檢測當前環(huán)境中甲醛，PM2.5 的濃度，并且將這兩個數(shù)值在涂鴉 App 中實時顯示。還可以實時監(jiān)控煙霧，燃氣，火焰這三種物質(zhì)的濃度，當檢測對象的濃度超過一定值時，會觸發(fā)報警，聯(lián)動其他智能設(shè)備，保障用戶自身和財產(chǎn)安全。

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物料清單硬件 (7)軟件 (3) 其它 (6)

• WB3S 云模組 數(shù)量：1由涂鴉智能開發(fā)的一款低功耗嵌入式Wi-Fi+BLE 雙協(xié)議模組。它由一個高集成度的無線射頻芯片BK7231T和少量外圍器件構(gòu)成，內(nèi)置了Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和豐富的庫函數(shù)。

• 四通道模擬多路復(fù)用/解復(fù)用器芯片 RS2255 數(shù)量：1一款是數(shù)字控制的模擬開關(guān)，它的導(dǎo)通電阻只有24歐姆，漏電流只有1nA。

• ZE08-CH2O 甲醛傳感器模組 數(shù)量：1模組利用電化學(xué)原理，對空氣中存在的CH2O進行探測，具有良好的選擇性，穩(wěn)定性。

• ZPH02 空污粉塵傳感器數(shù)量：1整合了紅外 PM2.5 檢測原理和較為成熟的 VOC 檢測技術(shù)，能夠同時檢測環(huán)境中 PM2.5 和 VOC。

• MQ-2 煙霧傳感器數(shù)量：1可用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于液化氣、苯、烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測。

• 火焰檢測紅外接收管數(shù)量：1探測火源或波長在 700 ～ 1000 nm 范圍內(nèi)的熱源。

• （可選）一路繼電器數(shù)量：1當異常發(fā)生時，自動斷開 220V 市電，降低損失。

該方案運用涂鴉智能 Wi-Fi+Bluetooth LE 模組，通過模組與多種環(huán)境傳感器進行交互，采集對應(yīng)物質(zhì)的數(shù)據(jù)，例如甲醛與 PM2.5 濃度等物質(zhì)，并將數(shù)據(jù)上傳至涂鴉云平臺。用戶通過手機 App 即可查看當前空氣中甲醛和 PM2.5，以及燃氣、火焰、煙霧等有害物質(zhì)的實時情況，一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)超標情況，App 會迅速報警提示。

步驟第一步：選擇硬件方案一：主控方案

主控單元選擇 WB3S 模組。WB3S 模組是一款低功耗嵌入式 Wi-Fi+BLE 雙協(xié)議模組。它由一個高集成度的無線射頻芯片 BK7231T 和少量外圍器件構(gòu)成，內(nèi)置了 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和豐富的庫函數(shù)。

由于模組的 ADC 口資源不足，我們還需對其進行適當修改，拓展 ADC 接口。在電路中增加一款四通道模擬多路復(fù)用/解復(fù)用器芯片 RS2255，這是一款是數(shù)字控制的模擬開關(guān)，導(dǎo)通電阻只有 24 Ω，漏電流只有 1nA。

本方案使用了較多傳感器，為了減少走線，使整體更加簡潔美觀，主控板需要引出各種傳感器接口，而且各個模塊與主控板的通信接口電平存在不匹配的現(xiàn)象，模塊供電電壓也存在差異。為了解決上述問題：

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1：甲醛檢測傳感器方案

本方案采用通用型、小型化的 ZE08-CH2O 型電化學(xué)甲醛模組。

模組利用電化學(xué)原理，對空氣中存在的CH2O進行探測，具有良好的選擇性，穩(wěn)定性。內(nèi)置溫度傳感器，可進行溫度補償。同時具有數(shù)字輸出與模擬電壓輸出，方便使用。

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PM 2.5 檢測采用 ZPH02 空污粉塵傳感器。它整合了紅外 PM2.5 檢測原理和較為成熟的 VOC 檢測技術(shù)，能夠同時檢測環(huán)境中 PM2.5 和 VOC。

該傳感器中 PM2.5 檢測采用粒子計數(shù)原理，可靈敏檢測直徑 1μm 以上灰塵顆粒物，VOC 傳感器對有機揮發(fā)氣體具有極高的靈敏度。

3：煙霧檢測傳感器方案

煙霧檢測采用MQ-2煙霧傳感器，該傳感器可用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于液化氣、苯、烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測。

4：燃氣檢測傳感器方案

燃氣檢測采用MQ-4氣體傳感器。該傳感器對甲烷，天燃氣有很高的靈敏度，廣泛適用于家用氣體泄漏報警器、工業(yè)可燃氣體報警器、便攜式氣體檢測器。

5：火焰檢測方案

火焰檢測采用紅外接收管。該管可以探測火源或波長在 700 ～ 1000 nm 范圍內(nèi)的熱源。

• 當無紅外光照時，有很小的飽和和反向漏電流（暗電流），此時光敏管不導(dǎo)通。

• 當有紅外光照時，飽和反向漏電流馬上增加，形成光電流，在一定的范圍，它隨入射光強度的增大而增大。

為了減少開發(fā)周期，本次采購了市面上常見的火焰?zhèn)鞲衅髂＝M：

六：拓展應(yīng)用場景

為了增加產(chǎn)品的可使用性，我們選擇了一款帶臺燈的插座，對其進行改造。

將環(huán)境安全衛(wèi)士固定在臺燈支架上，在檢測房間空氣質(zhì)量的同時，還可以檢測插座上的設(shè)備是否出現(xiàn)火災(zāi)等危險情況。例如，對手機等鋰電池設(shè)備供電引發(fā)的安全問題進行提前通知。

當然，您也可以根據(jù)自身需求，將本環(huán)境安全衛(wèi)士和其他設(shè)備進行關(guān)聯(lián)。

臺燈內(nèi)可增加一路繼電器控制，當異常發(fā)生時，自動斷開 220V 市電，降低損失。

第二步：硬件搭建一：組合傳感器

由于之前已經(jīng)設(shè)計了轉(zhuǎn)接板，因此該步驟比較簡單，只需要根據(jù)結(jié)構(gòu)空間要求，將各個傳感器模組安插在對應(yīng)的位置上，并完成焊接固定。

為了使走線更加精簡，可直接將甲醛傳感器的VCC，GND，TXD 焊到 P5 的VCC、GND、RXD，其他傳感器同理。

二：整機搭建

1. 將臺燈的燈罩拆開，可以看到里面的 LED 燈板和兩根正負電源線，用電烙鐵等工具將 LED 燈板拆除。

2. 將臺燈底座的四個海綿墊拆除，卸下螺絲，可以拆除底座。

3. 將主控板固定在燈罩區(qū)域適當位置，將兩根正負電源線分別焊到主控板上的 P6 端。這樣，當按下插座上的 臺燈 按鈕時，插座就可以給主控板提供 5V 電壓，注意區(qū)分正負極。

4. 修改臺燈電路，在火線電路中串入一個繼電器，并引出繼電器控制線。

5. 將上一步引出的控制線焊于主控板 P2 的 Sig 處，并安裝燈罩，底座。

當然，您也可以激發(fā)自己創(chuàng)意，給它穿上不同外衣。

這樣，整機搭建基本完成。

另外，也可以根據(jù)自己的創(chuàng)意，設(shè)計出其他外觀，如下所示

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第三步：在涂鴉 IoT 平臺創(chuàng)建產(chǎn)品

1. 進入 涂鴉 IoT 平臺，點擊創(chuàng)建產(chǎn)品。分類：選擇 傳感 > 多功能傳感器方案：選擇 自定義方案協(xié)議：選擇 WIFI+藍牙

2. 根據(jù)自身需要選擇功能。若缺少自身需要的功能，可自定義功能，根據(jù)實際需求進行配置。

1. 選擇 App 面板，開始調(diào)試時可選擇調(diào)試面板，后面可根據(jù)自身需要進行自由配置面板。

2. 選擇開發(fā)方式，下載 SDK 和相關(guān)文件。我們選擇 SDK 開發(fā)，使用 WB3S 模組進行開發(fā)。

第四步：固件開發(fā)

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本 Demo 代碼 是基于 1.0.2 協(xié)議版本的 SDK 進行開發(fā)的。如果您第一次接觸 SoC 開發(fā)，可以在 涂鴉 GitHub Repo 上拉取代碼進行學(xué)習(xí)和開發(fā)。該代碼中的 apps/template-demo 相對簡單，可在其基礎(chǔ)上進行開發(fā)。

本 Demo 主要是通過串口、ADC、檢測引腳高低電平三種方式獲取傳感器信息的。下面將以這三種方式進行簡單的介紹。

• 甲醛傳感器相關(guān)資料

• PM2.5傳感器資料

通過閱讀甲醛傳感器的資料我們可以發(fā)現(xiàn)，傳感器數(shù)據(jù)上傳格式和計算方法如下：

 /***********************************************************
 *   Function:  get_ch2o_sensor_value
 *   Input:     none
 *   Output:    none
 *   Return:    none
 *   Notice:    得到并上傳甲醛的數(shù)據(jù)
 ***********************************************************/
static VOID get_ch2o_sensor_value(VOID)
{
    UINT_T  buff_ret, find_head_index = 0;
    // 甲醛數(shù)據(jù)高位，低位
    UCHAR_T ch2o_data_high, ch2o_data_low;
    // 校驗和
    UCHAR_T check_sums = 0x00;
    // 串口數(shù)據(jù)緩存區(qū)
    UCHAR_T ch2o_receive_buffer[CH2O_BUFFER_SIZE];
    // 指向甲醛數(shù)據(jù)頭部
    UCHAR_T *p_ch2o_value = NULL;

    memset(ch2o_receive_buffer, 0, sizeof(ch2o_receive_buffer));

    // 讀取串口數(shù)據(jù)
    bk_uart_recv(CH2O_SENSOR_UART, ch2o_receive_buffer, CH2O_BUFFER_SIZE, 0xFFFF);

    // for (find_head_index = 0; find_head_index<CH2O_BUFFER_SIZE; find_head_index++) {
    //     PR_NOTICE("ch2o_receive_buffer[%d] = %02x", find_head_index, ch2o_receive_buffer[find_head_index]);
    // }

    //尋找 ch2o 傳感器發(fā)送過來的頭部
    for (find_head_index = 0; find_head_index<CH2O_BUFFER_SIZE; find_head_index++) {
        if (ch2o_receive_buffer[find_head_index] == 0xff && \
            ch2o_receive_buffer[find_head_index+1] == 0x17 && \
            ch2o_receive_buffer[find_head_index+2] == 0x04){
            //PR_NOTICE("find head is %d", find_head_index);
            break;
        }
    }

    //本次采集數(shù)據(jù)不完整
    if (find_head_index > 11) {
        PR_ERR("ch2o get uart data no complete!");
        return;
    }

    //將指針指向 ch2o 數(shù)據(jù)中的頭部
    p_ch2o_value = ch2o_receive_buffer + find_head_index;

    //檢驗和，確認讀取的數(shù)據(jù)的準確性
    check_sums = ch2o_check_sum(p_ch2o_value, 9);
    if (check_sums != *(p_ch2o_value + 8)) {
        PR_ERR("ch2o check_sums error");
        return;
    }

    ch2o_data_high = *(p_ch2o_value+4);
    ch2o_data_low = *(p_ch2o_value+5);

    gs_air_box.ch2o_value = ch2o_data_high * 256 + ch2o_data_low;

    //PR_NOTICE("ch2o value is : %d .", gs_air_box.ch2o_value);

    //上傳 ch2o 數(shù)據(jù)到涂鴉云
    updata_dp_single(gs_air_box.dp_ch2o_value, PROP_VALUE, gs_air_box.ch2o_value);

    return;
}

校驗和的計算方式為：

校驗和 = (取反（Byte1+Byte2+......+Byte7))+1

 /***********************************************************
 *   Function:  ch2o_check_sum
 *   Input:     none
 *   Output:    none
 *   Return:    none
 *   Notice:    甲醛數(shù)據(jù)校驗和
 ***********************************************************/
static UCHAR_T ch2o_check_sum(UCHAR_T *data, UCHAR_T len)
{
    UCHAR_T i, tempq = 0;
    data += 1; //指向data[1]

    for(i=0; i<(len-2); i++)
    {
        tempq += *data;
        data++;
    }

    tempq = (~tempq) + 1;

    return (tempq);
}

PM 2.5 數(shù)據(jù)的獲取方法和甲醛數(shù)據(jù)很相似，這里不再過多介紹。

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第五步：整機演示一：實時顯示當前空氣狀況

燒錄授權(quán)完成后，設(shè)備就可以正常配網(wǎng)了。有關(guān)模組燒錄授權(quán)的詳情，請參考 WB 系列模組燒錄授權(quán)。

連接 Wi-Fi，打開藍牙，按照配網(wǎng)流程成功配網(wǎng)后，即可使用涂鴉智能 App 控制設(shè)備。已經(jīng)配網(wǎng)成功的設(shè)備，可長按按鍵再次進入配網(wǎng)模式。環(huán)境安全衛(wèi)士在 App 上的顯示界面：

二：報警

當煙霧，燃氣或者火焰三者中有一種的濃度大于設(shè)定值，則涂鴉智能 App 會顯示報警狀態(tài)，并且斷開 220V 電壓。環(huán)境安全衛(wèi)士在 App 上的顯示界面：

到此，就完成“安全小衛(wèi)士”咯~是不是很心動，快來DIY屬于自己的多功能環(huán)境檢測儀吧~

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