#第二届立创大赛#四色WiFi空气质量显示器

标准版 #第二届立创大赛#四色WiFi空气质量显示器

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开源协议: BSD

创建时间： 2019-05-28 18:14:08

更新时间： 2023-05-05 17:07:16

描述

作品简介：

一个能够通过WiFii获取空气质量数据的桌面设备。

根据空气质量数据的不同，使用不同的颜色来标识数据。

能够通过手机对设备配置参数进行设置，例如连接WiFi的SSID和密码，目标城市等等。

拟用到的立创商城在售物料：

STM32F103C8T6

ESP8266模块

74HC373N

TLV70033

MicroUSB座子

SS8050

AO3407

FPC连接线及座子

2.54mm单排针/排座

0805，0603，1206封装电阻电容

拟用到的非立创商城物料或其它补充：

多色LED数码管

写在前面

事情的开始，要从很久以前我买的一个时钟说起。

那是iPhone发售不久的时候，乔布斯还站在苹果发布会上，HTC做出了第一台Android手机。为了给iPhone充电方便，我购买了一个飞利浦的充电时钟，它长这样：

它的正面是一个十分简洁的时钟，你可以把iPhone放在上面充电，顺便听听音乐和收音机。

一眨眼，iPhone已经出到第七代，这个Philips的充电座，早已经不能兼容新的iPhone充电接口，成了家里众多过气电器的一员。但我却从来没有将它收到抽屉里的念头。

因为它的时钟功能，真的是太好用了。

首先，它没有显示年份，月份，农历，星期几这些不常用到的功能。它的正面是很大的绿色LED，只显示当前的时间。即使距离很远，你也能一眼看清钟面上的数字。

其次，它可以从iPhone自动同步时间，完全不需要人工设置。

凭着这两个优点，这个本来应该收藏到柜子里面的“过气”电器，一直摆在我的客厅里使用到现在。

我从这件事情上受到启发：这是一个”Less is more“的好例子。因此，我想把这种简单，易用的设计理念，贯穿到设计四色空气质量显示器的过程当中。

它要足够简单，足够傻瓜，即使看不清面板上的数字，还是能知道当前的空气质量。

0x00 设计目标

设计目标可以用一句话来概括：

“能通过WiFi获取空气质量数据，并用四种颜色显示出来的桌面设备。”

0x01 要做的和不要做的

作为一个工程师，总是有许多功能想要实现，想要添加到产品中，有时反而忽视了这些功能对产品是不是真的合适。

举一个例子来说：我见过一个手机万能充电器，它有一整排的蓝色3mm高亮LED，在充电时，这些LED会开始跑马灯。然后在充电结束以后，它会用内置的蜂鸣器开始演奏《茉莉花开》。

想象一下，当你睡觉前开始用它给手机电池充电，你需要先找一个东西把它的高亮LED盖住，因为它的跑马灯闪的让人根本无法入睡。然后，几个小时过后，当你睡的正香的时候，它突然响亮的演奏了一曲《茉莉花开》，告诉你充电完成了。相信被吵醒的人，都会有把这个充电器丢到垃圾桶的冲动。

虽然跑马灯和蜂鸣器是工程师必备的练手好项目，但显然它们不适合出现在一个手机充电器上。

当设计四色空气质量显示器时，也有许多容易添加的功能。例如，增加一个DS18B20，就能显示温度啦，再增加一个DHT11，连湿度也能测量了，或者再来一个继电器，还能远程控制家电？

然而这些功能，就像充电器上的跑马灯一样，是完全多余的。它们反而会降低空气质量显示器本身的易用程度。

另外一个方面，因为这是一个WiFi联网设备，不可避免的，需要对设备进行配置，输入当前所使用WiFi的SSID和密码，才能连接互联网。

有许多种现成的方案能够实现这一个功能，例如：

设备本身构造一个没有密码，或者密码已知的WiFi Station信号，通过手机连接，然后在手机上使用浏览器，对设备进行配置。
TI的SmartConfig，微信的AirKiss，MTK的SmartConnection等等

虽然有这么多不同的方法来配置WiFi，不过归根结底，这些方法都是利用WiFi信号做为载体，向联网设备发送ASCII字符。

在这次设计当中，我想尝试一下另外一种配置WiFi的方法：通过手机屏幕的闪烁，向空气质量显示器发送WiFi的SSID和密码。

这种方法和现有的SmartConfig，AirKiss等相比，优点是方便易用：只要拿起手机，直接输入要连接WiFi的SSID和密码，然后用手机屏幕对准设备，就能完成配置，不需要切换手机的WiFi环境。

这种方法的缺点是：传输速度受到手机屏幕刷新率的限制，不同的手机会存在一定差异。

到这里为止，小结一下要做的功能：

空气质量数据显示
通过手机屏幕来配置设备

0x02 它是这样工作的

图1 系统工作原理

整个系统的大致工作原理画在了图1中。

首先，空气质量数据的来源是专业的气象服务站，例如 aqicn.org，它们能够提供实时可靠的空气质量数据，以及获取这些数据的API。比起较为便宜的家用空气质量测试设备，这些专业气象网站的数据往往更加准确。

利用一台自有服务器，定时从专业气象站获取空气质量数据，并且保存到自有服务器本地。这样做的原因是：

能够保证系统的自由度
降低空气质量显示器固件的复杂性。

最后，空气质量显示器通过无线路由器的WiFi网络，连接自有服务器，获取空气质量数据，并根据空气质量的好坏，使用四种不同的颜色将数据显示出来:

图2 绿色，黄色，橙色和红色显示

0x03 硬件的设计

硬件分为两部分电路组成：数码管驱动电路以及MCU电路，两块电路板使用FPC排线相连接。

图3 PCB实物

显示部分选用了多色0.8英寸数码管。多色数码管的原理是在数码管的每个分段中，同时放入几种颜色不同的LED。通过控制不同颜色LED的亮度，就能混合出不同的颜色。

由于数码管的每一个分段都要放置数个LED，因此，这种多色数码馆的功耗也比单色数码管高出许多。空气质量显示器使用了3个多色数码管，同时点亮时，最大驱动电流会达到150mA左右。这已经接近了STM32能够允许的IO吸收电流限制，因此，直接使用STM32的IO口驱动这些数码管是不安全的，需要搭配额外的驱动电路。

图4 是数码管驱动电路的原理图。每一个数码管使用一片74HC373N锁存器来驱动。这个电路没有使用常见的数码管分时扫描显示法，而是利用了锁存器的数据保持功能，静态驱动数码管。

图4 数码管驱动电路

采用静态方式驱动数码管的原因有两个：

因为多色数码管的颜色调节需要使用PWM进行功率控制，如果同时使用分时扫描驱动，某些颜色时会出现闪烁现象。
既然数码管驱动电路是必须的添加的，为什么不让事情变的更简单一些呢？

图5 MCU和WiFi模块接口部分电路原理图

MCU选用STM32F103C8T6，通过串口连接WiFi模块，WiFi模块选用ESP8266。

P4是光敏电阻的接口。光敏电阻接收手机屏幕闪烁之后发出的信号。这个信号经过两级三极管简单放大以后，送到STM32进行解码。通过这种方式，实现低成本和有效的系统配置方法。

MicroUSB接口除了提供系统的电源以外，D－和D＋还分别连接了STM32的串口RX和TX，这不是USB的标准连接方法，而是预留给调试设备使用的。

图6 设备内部图片

0x04 固件和软件

STM32固件

因为需要获取的数据在自己的服务器上进行了二次封包，所以STM32的固件在WiFi上的的处理就变得相对比较简单，图7是STM32程序的主要部分流程图：

图7 MCU固件流程图

光数据传输

系统使用手机屏幕闪烁的方式，来传递WiFi的SSID和密码。本质上这是一种异步单线传输，必须设定数据的传输速率，这和串口传输有点类似，只是我们的数据来源是屏幕手机的闪烁，并且预先约定好了数据的配置选项。

Javascript和屏幕刷新率

使用网页方式来实现手机端的应用程序。网址为：http://roots4pi.com/caqi-tool/。

系统有三个配置选项：

WiFi SSID
WiFi密码
需要获取空气质量数据的城市位置

为了节约数据的传输时间，可以单独更新其中的任何一项，只要将其它选项留空白即可。

在页面上填写好需要更新的配置以后，将空气质量显示器放置在手机屏幕上，让它底部的光敏二极管能够和手机屏幕尽量靠近，然后点击页面上的 “start” 按钮。

几秒钟以后，如果数据传输和校验都正确，空气质量显示器会显示 “CCC”的字样，然后用新的配置自动重启运行。

通过手机屏幕闪烁的方式来传递数据，最大的问题在于：这个方法受限制与手机的屏幕刷新率。当屏幕的图像数据闪烁频率超过手机屏幕的硬件刷新率时，就会出现数据掉帧的现象。另一种情况是，手机处理器运行太慢，在一帧图像需要显示的时候，仍然没有完成图像的绘制。

这两种情况都会出现数据丢失损坏的现象。解决办法只有降低数据传输的频率，不过这样做也会延长数据传输的时间。

0x05 获取空气质量数据

获取空气质量原始数据的工作，是在自有Linux服务器上，使用python脚本完成的。

空气质量数据的来自于网站 www.aqicn.org，这是一个源自“ World Air Quality Index”项目的网站。网站的宗旨是：“提高空气污染意识，为全球提供统一的空气质量信息”。

aqicn网站还提供一个JSON的API接口，用来提供外部程序的集成：http://aqicn.org/json-api/doc/

我们的自有服务器上，通过设定Linux的定时任务，每隔15分钟，就调用一次python脚本，通过JSON的API接口，获取aqicn上的指定城市数据，然后保存在自有服务器本地，以提供给空气质量显示器使用。

以下是获取空气质量数据的python脚本：

import re
import requests
import sys
import json
import os

token = "06119a2e7f455402ef6c4ec02a62bc9a87ab××××"
addr  = "https://api.waqi.info/feed/"
path  = "/var/www/aqicn/"

if (len(sys.argv) > 1):
    city = sys.argv[1]
else:
    city = "xiamen"

req = addr + city + "/?token=" + token
str = requests.get(req).text
#print str
p = json.loads(str)

if (p['status'] == "ok"):
    print ("PM2.5 value = %d" % p['data']['iaqi']['pm25']['v'])
    fpath = path + city
    if (os.path.isfile(fpath)):
        os.remove(fpath)
    fh = open(fpath, "w")
    fh.write("%d" % p['data']['iaqi']['pm25']['v'])
    fh.close()
    print ("write to file " + fpath)
else:
    print ("response error")

0x06 外壳的一些考虑

空气质量显示器的外壳使用3D打印的方式制作。因为系统内部分成的两块电路板，因此需要考虑到两块电路板相互之间的固定和连接方式。

图8 外壳使用SketchUp设计