飘易很久之前就有个想法，自己DIY一套空气质量检测仪，可以实时监测空气的温度、湿度、CO2、TVOC、甲醛、PM2.5等，并通过云端实时记录这些传感器的值，然后通过APP可以方便的查看历史记录，并且通过APP远程控制智能设备上的一些设备比如继电器、电机、全彩LED灯等。
然后2020年春节遇上新冠疫情，得以空出一些时间，飘易就把这个想法落地，开始实施这个空气质量检测仪的DIY方案。
先简单展示一下初步的成果吧。
板子右下角预留的空白地方是留给日后焊接其他元器件用的。
下面我就大概的分几个方面来说，硬件端 、平台端、APP端来说说这样的智能硬件项目怎样去一步步的实现它。
需要的硬件列表（总费用大约200多元）：
MEGA 2560单片机（或2560 PRO）
ESP8266-12S wifi模组
0.96寸OLED液晶显示屏或LCD1602
按键一组
温湿度传感器：广州奥松DHT11
CO2&TVOC传感器： 瑞士Sensirion盛思锐 SGP30 （或者瑞典SenseAir森尔CO2二氧化碳传感器 S8-0053，小米新风机用的这款）
甲醛传感器： 英国达特WZ-S（或者国产炜盛ZE08-CH2O，小米有品众筹的霍尼韦尔甲醛监测仪用的是这个传感器）
PM2.5传感器： 日本夏普GP2Y1014AU0F（或者攀藤PM2S-3 PM2.5激光粉尘传感器，小米新风机用的这款）
若干杜邦线
1-2块面包板或万用板
单片机是核心，所有的传感器都归集到MCU这里集中处理。Arduino mega 2560 有2款，一款是 2560（下图左边的板子），还有一款是 贴片版的2560 PRO（下图右边的板子）
怎么选择呢？如果你是打算通过面包板来连接电路的话，那么就选择左边的2560，一般淘宝上有很多卖家在卖的是Arduino MEGA2560 R3改进CH340G 兼容版本，这是国产的板子，一般创客试验可以买这种的。
如果你是打算把电路焊在洞洞板（万用板）上，那么就购买右侧的mega 2560 pro贴片版本，可以直接焊在洞洞板上，缩小体积。
2560 和 2560 PRO 的区别就是一些引脚的区别，功能基本一样，PRO少了一对IIC引脚，只有一组（D20/D21），而2560有2组IIC引脚，但是对于PRO来说，iic是支持多个设备并联的，因此我们可以把多个设备直接接到这个IIC引脚上，通过不同的地址来区分设备即可。
这是一块以ATmega2560为核心的微控制器开发板，本身具有54组数字I/O input/output端（其中14组可做PWM输出），16组模拟比输入端，4组UART（hardware serial ports），使用16 MHz crystal oscillator。由于具有bootloader，因此能夠通过USB直接下载程序而不需经过其他外部烧写器。供电部份可选择由USB直接提供电源，或者使用AC-to-DC adapter及电池作为外部供电。
下面是2560 PRO 的引脚说明：
wifi模组买到手，先刷固件版本到1.6.2，提高下稳定性，关于如何刷固件，可以参考飘易的这篇：乐鑫ESP8266-12S刷固件1.7版本的正确姿势 以及这篇 乐鑫ESP8266烧录固件、升级最新固件、刷MQTT固件 。
刷好了AT固件后，就可以把WIFI模组连接到MCU上去了，我们只需要连接4个线:
RX TX VCC GND
其他线不用连接，除此之外，我们需要设计一个配网按键，当用户按下这个配网按键后，MCU通过AT指令给wifi模组发送配网指令:
//启动smartconfig，支持ESP-Touch和Airkiss智能配网 AT+CWSTARTSMART=3
具体的可以参考：Arduino利用AT指令连接乐鑫ESP8266实现串口通讯、配网
图片就是下面的这种：
引脚定义：
GND: 接地 VCC: 3.3-5V SCL: 串行时钟 SDA: 串行数据
如何编程：
#include "U8glib.h"
U8GLIB_SSD1306_128X64 u8g(U8G_I2C_OPT_NONE | U8G_I2C_OPT_DEV_0); // I2C / TWI
// OLED显示，每行16字，共5行，超过80字符不显示
void oledShow(String s) {
//u8g.setFont(u8g_font_unifont);// 每行16字母，高10px
int l = s.length();
int lineTotal = l / 16;// 共几行
if (l % 16) lineTotal++;
String ss = "";
u8g.firstPage();
do {
for (int i = 0; i < lineTotal; i++)
{
if(i >= 5) break;
ss = s.substring(i * 16, i * 16 + 16);
u8g.setPrintPos(0, (i + 1) * 10 + i * 3);// 坐标，行高10px，行间距3px
u8g.print(ss);
}
} while (u8g.nextPage());
}
void setup(void) {
u8g.setFont(u8g_font_8x13B);//u8g_font_unifont 高10px
}在需要显示的地方，直接调用
oledShow(F("TEMP:25.00"));
就可以了。
但是，OLED屏在写入数据的时候，会发出滋滋的电流声，这种声音我个人听上去会感觉非常的不舒服，虽然不是很响，但是你调试设备，放在键盘附近的话，这个电流声还是很扰人的。如果你也讨厌这种吱吱的电流声，可以使用LCD屏幕，比如LCD1602，LCD是非常安静的。
DHT11是比较成熟的一种温湿度传感器了。淘宝搜一下一大堆，图片像下面的这种：
引脚定义：
VCC → 3.3V/5V电源正极 GND →电源负极 DATA →单片机IO口
如何编程？
直接引用 arduino IDE 库
#include <DHT.h>
// 获取温湿度
void getTempHumi()
{
// 读取温度或湿度需要约250ms
float t = dht.readTemperature();// 温度
float h = dht.readHumidity();// 湿度
// 检查是否读取失败
if (isnan(h) || isnan(t)) {
Serial.println(F("Failed to read from DHT sensor!"));
return;
}
temp = String(t);
humi = String(h);
}CO2和TVOC的采集我们使用SGP30传感器
这个传感器一般的价格是在50元上下，各位可以自行淘宝下。
SGP30是一款单一芯片上具有多个传感元件的金属氧化物气体传感器，内集成4个气体传感元件，具有完全校准的空气质量输出信号。另外，SGP易于集成，能够将金属氧化物气体传感器集成到移动设备中，为智能家居、家电和物联网应用中的环境监测开辟了新的可能性。
SGP30模块规格：
工作电源电压: 1.8V-5V
功耗：40MA
尺寸: 12 mm x 12 mm x 1.6 mm
接口类型: I2C
如何编程？
我们可以引用Adafruit_SGP30库，里面提供了一些例子，可以从例子里改写程序：
#include "Adafruit_SGP30.h"
/* SGP30传感器 温湿度补偿 - return absolute humidity [mg/m^3] with approximation formula
@param temperature [°C]
@param humidity [%RH]
*/
uint32_t getAbsoluteHumidity(float temperature, float humidity) {
// approximation formula from Sensirion SGP30 Driver Integration chapter 3.15
const float absoluteHumidity = 216.7f * ((humidity / 100.0f) * 6.112f * exp((17.62f * temperature) / (243.12f + temperature)) / (273.15f + temperature)); // [g/m^3]
const uint32_t absoluteHumidityScaled = static_cast<uint32_t>(1000.0f * absoluteHumidity); // [mg/m^3]
return absoluteHumidityScaled;
}
// 获取CO2 & TVOC
void getCo2Tvoc(float temperature, float humidity)
{
// 温湿度补偿 - If you have a temperature / humidity sensor, you can set the absolute humidity to enable the humditiy compensation for the air quality signals
//float temperature = 22.1; // [°C]
//float humidity = 45.2; // [%RH]
sgp.setHumidity(getAbsoluteHumidity(temperature, humidity));
if (! sgp.IAQmeasure()) {
Serial.println("Measurement failed");
return;
}
CO2 = sgp.eCO2;// 单位ppm
TVOC = sgp.TVOC;// 单位ppb
}甲醛传感器，飘易使用的英国达特的wz-s，这个是带ph2.0 连接线的，还有另外一款是 wz-s-k，这个是插针版本的。这2款的技术指标是一样的，只是对外的引脚方式不同而已。大家可以根据需要自行选择合适的传感器。
WZ-S 型甲醛检测模组是全球甲醛检测专家——英国达特公司的最新力作，采用 升级版达特甲醛传感器结合先进的微检测技术，直接将环境中的甲醛含量转换成 浓度值，标准化数字输出，便于客户集成使用。WZ-S 型甲醛检测模组经过严格 的工厂校准，可直接应用于您的检测体系中。
技术指标如下：
wz-s和单片机通讯是采用串口通讯的，我们只要接四个线就可以了：
VCC GND RX TX
通讯串口协议：
通讯分主动上传和问答式，出厂默认为主动上传，每隔 1 秒发送 1 次浓度值。
飘易采用问答式。切换到问答式，命令行格式如下：
如何编程？
// 获取甲醛
void getCH2O()
{
int flag_end = false;
int flag_start = false;
int count = 0;
byte buffer[9] = {};
for (int i = 0; i < 9; i++) {
CH2OSerial.write(Ask_code[i]);//在问答模式下请求数据
}
sleep(10);
// 读取
while (flag_end == false)
{
if (CH2OSerial.available() > 0) {//接收到数据
byte inChar = CH2OSerial.read();
buffer[count] = inChar;
if (buffer[count] == 0xFF) { //接收到起始标志
count = 0;
flag_start = true;
}
count++;
if (count >= 9 ) { //接收9个byte数据
count = 0;
if (flag_start) {
// 校验 且 命令号是 0X86
if (buffer[8] == FucCheckSum(buffer, 9) && buffer[1] == 0x86 ) { //校验
flag_end = true;
}
}
}
}
}
if (flag_end)
{
int h1 = (int)buffer[2] * 256 + (int)buffer[3];// 单位ug/m3，国家标准是80ug/m3（0.08mg/m3）
//int h2 = (int)buffer[6] * 256 + (int)buffer[7];// 单位ppb
CH2O = String(h1);
}
}
// 甲醛校验函数
unsigned char FucCheckSum(unsigned char *i, unsigned char ln) {
unsigned char j, tempq = 0; i += 1;
for (j = 0; j < (ln - 2); j++) {
tempq += *i;
i++;
}
tempq = (~tempq) + 1;
return (tempq);
}PM2.5传感器，飘易目前选用的是日本夏普GP2Y1014AYU0F，这是一款性价比很高的传感器，淘宝上的价格一般在20元左右，它的前一代产品是夏普 GP2Y1010AYU0F，目前已经被1014代替了。这是基于红外的灰尘传感器，如果你希望拥有更高的精确度，可以选用激光类型的传感器。
一般发货清单如下：
1，GP2Y1014AU0F 灰尘传感器（1个）代替已经停产的GP2Y1010AU0F
2，150ohm的电阻（1个）
3，220uF的电容（1个）
4，6pin连接线（1个）
技术参数：
电源电压：5-7V
工作温度：-10-65摄氏度
消耗电流：20mA最大
最小粒子检出值：0.8微米
灵敏度：0.5V/(0.1mg/m3)
清洁空气中电压：0.9V 典型值
工作温度：-10~65℃
存储温度：-20~80℃
使用寿命：5年
尺寸大小：46mm×30mm×17.6mm
重量大小：15g
这个传感器总共有6口，ph2.0接线，怎么连接呢？
实际接线像下面的这样：
注意LED-VCC引脚需要接一个150欧姆的电阻后再到VCC，同时再接一个220uF的电容再到GND，不能直接接VCC哦。
电压和灰尘之间的关系图：
我们需要根据上面的这个关系图，推导一个传感器输出电压和灰尘浓度之间的关系：
float dustDensity = (0.17 * voltage - 0.1) * 1000; // 单位：ug/m3
编程：
// PM2.5传感器 - 夏普GP2Y1014AU0F
String PM25 = "0";
int dustPin = A1;//粉尘传感器模拟输入引脚
int dustLedPower = 29;//粉尘传感器led数字引脚
int dustDelayTime = 280;//采样时间为280微秒
int dustDelayTime2 = 40;//测量完后脉冲需要继续保持，保持时间为320-280=40
int dustOffTime = 9680;//LED脉冲周期为10毫秒，故此处为10000-320=9680
// 获取PM2.5
void getPm25()
{
// 10ms采样周期
digitalWrite(dustLedPower, LOW);
delayMicroseconds(dustDelayTime);
float dustVal = analogRead(dustPin);
delayMicroseconds(dustDelayTime2);
digitalWrite(dustLedPower, HIGH);
delayMicroseconds(dustOffTime);
// 电压
float voltage = dustVal * (5.0 / 1024);
// 粉尘密度 0.9v洁净空气，3.6V最大污染-512ug/m3
float dustDensity = (0.17 * voltage - 0.1) * 1000; // 单位：ug/m3
if (dustDensity < 0) dustDensity = 0;
int density = dustDensity * 1.0;// 取整
//Serial.println(dustDensity);
PM25 = String(density);
}其他还有一些继电器、全彩LED灯（可以实现1600万种颜色变化）、步进电机（正反转、0-100%转速）等设备的远程控制，就不在本篇文章里展开叙述了。
平台端也就是我们的服务器端，该怎么设计呢？
因为我们的终端设备是通过ESP8266 WIFI模组和服务器保持长连接的，因此需要服务器选择支持长链接的的技术实施方案。传统的PHP并不适合用在这样的智能硬件项目里，在java里有大量的实现方案，如果你想采用java来开发服务器端，那么会有很多成熟的套件供你选用。
除了java，我们还可以搭建 MQTT 服务器，参考：源码编译安装EMQX V3.0服务器（MQTT） 以及 EMQX之Kafka插件编译安装
那么PHP这块还有解决方案吗？可以基于SWOOLE，我们实现长链接。
关于Swoole的并发能力测试《并发10万TCP连接的测试》：
本测试启动10个子进程，发起长连接到Swoole的TCP Server.
由于单台机器的原因，ip_local_port_range的范围是32000-60000。 运行到28000个长连接时，由于local port不够用，无法再继续连接。并发测试中使用4台客户端机器同时连接服务器，每台机器与服务器建立2.8W个TCP连接。TCP Server共维持了11.2W长连接。
Swoole使用epoll作为事件轮询，可维持大量TCP连接。只要操作系统的内存足够，就一直可以增加维持的TCP长连接。swoole_server每个连接所占用的内存为220字节，使用数据缓存，如EOF_CHECK/LENGTH_CHECK后可能会增加到每连接8K。
来源：https://wiki.swoole.com/wiki/page/p-c100k.html
服务器和终端设备之间采取TCP长连接，解决了设备和服务器之间的实时通讯 。那么，别忘了，我们还有APP端口，用户在APP上打开页面的时候，需要接收传感器的实时状态，和远程下发控制命令给设备，这又怎么做到呢？也就是如何解决用户（APP）和设备的实时通讯？
幸运的是，swoole也可以方便的创建 websocket 服务器，APP端可以通过websocket和服务器保持长链接，这样即使我们的部分APP页面是基于webview的形式集成的也没关系，html5+js也可以通过 websocket 和服务器保持长链接。
这样，我们只需要在服务器器端做好转发就好了，APP通过websocket下发控制指令的时候先给服务器发送，服务器收到后找到对应的设备，通过TCP长连接转发指令给设备；设备上报状态的时候，先通过TCP上报给服务器，服务器收到后，立即通过websocket再转发给对应的websocket客户端（APP）或h5网页就OK了。
至此，APP（或H5网页） + 服务器 （云端）+ 终端设备 这三者就实现了实时通讯，互联互通了。
APP端我们采用html 5 plus的集成解决方案（标准）。我们分别集成安卓和iOS的离线sdk到我们的app里面。
iOS如何集成离线5+sdk：iOS离线打包5+SDK并编写自定义插件
Android如何集成离线5+SDK：Hbuilder离线打包及蓝牙插件开发Android注意事项
最重要的是我们需要在APP里面实现为ESP8266 WIFI模组配网的功能，乐鑫已经为我们提供了开源的项目demo了，我们只需要把乐鑫的库离线集成到app里面就OK了。
配网采用 ESPTouch 技术方案。乐鑫自主研发的 ESP-TOUCH 协议采用的是 Smart Config（智能配置）技术来帮助用户将嵌入了 ESP8266EX 的设备连接至 Wi-Fi 网络。用户只需在手机上进行简单操作即可实现智能配置。
步骤描述：
1.用户创建任务对象，其中包含参数对象、服务器对象和客户端对象
2.设置超时时间与成功返回设备上限数值
3.获取本地ip地址
4.创建配网对象
5.配网对象包含导向数据对象、主数据对象
6.导向数据对象以固定格式生成，主要用于告知设备解析主数据时的一个参数
7.主数据对象包含：总长度、密码长度、ssid的crckey、bssid的crckey、本机ip地址、密码内容和前面所有数据异或的校验位一个字节
8.如果该ssid是隐藏ssid，则需要在总长度加上ssid的长度，以及主数据对象中包含ssid的数据
9.将导向数据对象和主数据对象，以一定格式转化为两个byte数组
10.使用服务器对象开启监听，设备回复的数据
11.客户端对象开始循环发送导向数据和主数据，导向数据发两秒，主数据发四秒，六秒一个循环，直到收到回复或者超时
12.如果超时还没有成功，则直接返回给用户失败
13.如果服务器对象收到了设备返回的信息，则对比第一个字符与ssid拼接密码的字节长度加9是否相等
14.如果不相等忽略，如果相等则解析出回复数据中的设备bssid和设备ip地址
15.将获取到的所有设备的bssid和ip地址返回给用户
16.清理资源
备注：
1.导向数据实际长度（数据长度+udp+ip层） - 数据长度 = 基准值（udp+ip层）
2.将每个子数据对象变为六个字节的数据后，每两个字节合并成一个uint16的数据并且加上固定值40存起来
3.发送完成导向数据后，每两个字节发送一个包
乐鑫iOS的ESPTouch：https://github.com/EspressifApp/EsptouchForIOS
乐鑫Android的ESPTouch：https://github.com/EspressifApp/EsptouchForAndroid
注意，这一部分需要你同时具备html+js+安卓原生（java）+iOS原生（objective c）的开发能力。
开发完成后，飘易同时发布了安卓版本的app和在苹果app store里上架了这一款应用。
到这里，整个智能硬件项目就可以告一段落了。目前先放在面包板上做演示，这一版本暂时为1.0，后续再用洞洞板把相应的传感器焊接上去。 到时再分享给大家吧。
如果你也有智能硬件的项目，或者希望实现智能硬件 + 平台（云端） + APP（微信或小程序）终端等一整套解决方案，欢迎和我交流哦：
（END）