智能紫外線計(紫外線輻射監(jiān)測)開源分享

氦

“ Helium是一個全球分布式熱點網(wǎng)絡(luò)，可為支持LoRaWAN的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備創(chuàng)建公共的遠(yuǎn)程無線覆蓋。熱點產(chǎn)生并以 Helium 區(qū)塊鏈的本地加密貨幣 HNT 進行補償。Helium 區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€新的、開放的來源，公共區(qū)塊鏈的創(chuàng)建完全是為了激勵物理、去中心化無線網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建。今天，Helium 區(qū)塊鏈及其數(shù)十萬個熱點提供了對世界上最大的 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)的訪問。

Helium 控制臺是由 Helium 基金會托管的基于 Web 的設(shè)備管理工具，允許開發(fā)人員在 Helium 網(wǎng)絡(luò)上注冊、驗證和管理他們的設(shè)備。除了設(shè)備管理之外，Console 還提供名為 Integrations 的預(yù)建連接，以通過 HTTPs 或 MQTT 路由設(shè)備數(shù)據(jù)；或直接連接到 AWS IoT 等云服務(wù)。

Console 可在console.helium.com作為免費使用的托管應(yīng)用程序用于演示和教育目的（最多 10 臺設(shè)備） 。"

育碧點

Ubidots是一個物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序開發(fā)平臺，它可以自動化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的創(chuàng)建過程，允許開發(fā)人員快速組裝和啟動這些應(yīng)用程序，而無需編寫代碼或軟件開發(fā)。注冊是免費的，Ubidots 提供免費計劃 - Ubidots STEM - 功能和容量有限，僅用于非商業(yè)用途（個人教育、物聯(lián)網(wǎng)研究或 DIY 項目）。

Ubidots 和 Helium 合作創(chuàng)建了一個預(yù)構(gòu)建的集成，允許用戶使用插件輕松地將傳感器數(shù)據(jù)從 Helium 控制臺轉(zhuǎn)發(fā)到 Ubidots。

附加組件

• 電線

先決條件

為了實施該項目，需要滿足以下先決條件：

• 上面列出的所有硬件組件都可用且隨時可用。（只有在使用 LoRa/LoRaWAN 遙測時才需要 Grove Wio-5。）
• Arduino IDE已按照此處所述為 Wio 終端安裝和配置。
• 上面列出的所有庫都已添加到 Arduino IDE（S ketch -> Include Library -> Manage Libraries / Add.ZIP Library ）
• 要使用的所有服務(wù)的用戶帳戶都可用或已創(chuàng)建。

執(zhí)行

接線

對于 Grove 傳感器板，只需將兩個傳感器（通過集線器）連接到 Wio 終端上的 Grove I2C 端口，對于其他傳感器板，相應(yīng)地連接 VIN、GND、SCL 和 SDA：

接線

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接線

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紫外線指數(shù)和風(fēng)險等級

紫外線（UV）“光”是一種電磁輻射形式，波長從 200 nm 到 400 nm，比可見光（400 nm 到 750 nm）短，但比 X 射線長。紫外線輻射存在于陽光中，約占太陽總電磁輻射輸出的 10%。短波紫外線會破壞 DNA 并對其接觸的表面進行消毒。對于人類來說，曬黑和曬傷是皮膚暴露在紫外線下的常見影響，同時還會增加患皮膚癌的風(fēng)險。紫外線輻射分為三個波長波段：

• UVA (315-400 納米)
• UVB (280-315 納米)
• 紫外線（100-280 納米）。

通過臭氧層吸收地球大氣，UVC光譜被完全阻擋，UVB光譜中的太陽輻射幾乎沒有到達地球表面。危險性較低的 UVA 輻射被大氣吸收的程度要低得多。UVA 輻射不如 UVB 輻射強，但穿透力強。它可以到達皮膚并導(dǎo)致光老化和不同形式皮膚癌的發(fā)生

紫外線輻射強度以每平方厘米微瓦 (μW / cm2) 為單位。VEML6070 傳感器測量光譜范圍為 300 nm 至 400 nm 的輻射，因此它只能檢測 UVA 輻射。

為了估計紫外線輻射背后的能量以及與之相關(guān)的風(fēng)險水平，建立了紫外線指數(shù)。紫外線指數(shù)描述了地面紅斑紫外線輻照度的預(yù)期每日峰值水平。

它是一個開放式線性標(biāo)度 - 0 到 ≥ 11，給出了紫外線輻照度的指導(dǎo)值。紫外線指數(shù)越高，紫外線輻照度就越高，當(dāng)皮膚沒有受到保護時，曬傷的速度就越快/越嚴(yán)重。

紫外線指數(shù)已由世界衛(wèi)生組織定義，并且在全球范圍內(nèi)是統(tǒng)一的——例如，歐洲的紫外線指數(shù)為 7 意味著與非洲或北美的相同值完全相同。

紫外線指數(shù)刻度（來源：https://www.bfs.de/EN/topics/opt/uv/index/introduction/introduction_node.html）

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由于直接從傳感器測量的輻照度導(dǎo)出紫外線指數(shù)需要非常復(fù)雜的計算，根據(jù)曲線加權(quán)并在整個光譜上進行積分，Vishay Semiconductors的將 VEML6070 紫外線傳感器設(shè)計到應(yīng)用指南建議估算背后的能量只需從 VEML6070 傳感器讀取輻照度值并將其與預(yù)定義值進行比較，即可了解紫外線輻射及其相關(guān)風(fēng)險等級。

這導(dǎo)致以下函數(shù)從 VEML6070 讀數(shù)中得出紫外線指數(shù)和風(fēng)險等級：

/*
 * uv_index()
 *
 * expects integration time and the measurement value from the UV sensor as input
 * and returns the corresponding risk level:
 * 0: Low
 * 1: Moderate
 * 2: High
 * 3: Very High
 * 4: Extreme
 */
unsigned short uv_index(veml6070_integrationtime_t it, unsigned uv, unsigned short *uvi)
{
  /*
  See https://www.vishay.com/docs/84310/designingveml6070.pdf , Table 3:
  Together with the RSET value of 270 kΩ and the integration time 1T,
  the parameters below map UV light data values to  UV index (risk level)
  and UVI values.
  */
  const unsigned uv_high_1t[4] = {560, 1120, 1494, 2054};
  const unsigned index_low[4] = {0, 3, 6, 8};
  const unsigned index_high[4] = {2, 5, 7, 10};

  unsigned k = 0;
  switch (it)
  {
  case VEML6070_HALF_T:
  case VEML6070_1_T:
    k = 1;
    break;
  case VEML6070_2_T:
    k = 2;
    break;
  case VEML6070_4_T:
    k = 3;
    break;
  }

  *uvi = 11; // if above any range

  int i = 0;
  for (i = 0; i < 4; i++)
  {
    unsigned uv_high = uv_high_1t[i] * k;
    unsigned uv_low = i < 1 ? 0 : uv_high_1t[i - 1] * k + 1;

    if (uv <= uv_high)
    {
      double r = (double)(uv_high - uv) / (double)(uv_high - uv_low);    // relative in range (1-r)
      double d_uvi = index_high[i] - r * (index_high[i] - index_low[i]); // map to UVI range
      *uvi = round(d_uvi);
      break;
    }
  }

  return i;
}

圖形用戶界面

兩個傳感器獲得的環(huán)境測量值

• 溫度
• 濕度
• 壓力
• 紫外線輻照度
• 和估計的紫外線指數(shù)。顯示為數(shù)值。

導(dǎo)出的風(fēng)險級別顯示為線表，相應(yīng)地更改其背景顏色以匹配 UV 指數(shù)刻度的顏色，并將風(fēng)險類別（低、中、高、非常高和極端）作為文本。

GUI 屏幕草稿

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遙測

測量結(jié)果可以傳輸?shù)皆品?wù)，用于收集、記錄、可視化和/或進一步分析。

此項目中描述了兩個示例選項：

• 通過 Wi-Fi 進行通信并傳輸?shù)?ThingSpeak 和
• 通過 LoRaWAN 和 Helium 網(wǎng)絡(luò)進行通信，以使用 Ubidots 可視化數(shù)據(jù)。

遙測選項 1：通過 Wi-Fi 進行的 ThingSpeak

在此示例中，測量值通過對 ThingSpeak API 的簡單 HTTP GET 請求上傳到 ThingSpeak 通道

GET https://api.thingspeak.com/update?api_key=key>&field1=&field2=&field3=&field4=index>

使用Write API Key通道。

由于使用了 Wio 終端的內(nèi)置 Wi-Fi 功能，因此此選項不需要額外的硬件。Wi-Fi 與 Wio 終端的連接主題在相應(yīng)的 Seed Wiki 頁面中有詳細(xì)描述。

通過定義兩個宏TELEMETRY和TELEMETRY_WIFI_THINGSPEAK在WioTerminalUvSmartMeter.ino中激活此選項

有關(guān)更多詳細(xì)信息，請參閱代碼部分中的源文件Telemetry_WiFi_ThingSpeak.ino和ThingSpeak 文檔。

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1 / 2 ? ThingSpeak 頻道示例

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遙測選項 2：通過 LoRaWAN / Helium 的 Ubidots

要使用 LoRa/LoRaWAN 連接，必須將 Wio-E5 板連接到 Wio 終端：

使用 Wio-E5 接線，通過 LoRaWAN 進行遙測

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使用 Wio-E5 接線，通過 LoRaWAN 進行遙測

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Telemetry_LoRaWAN_Helium.ino中的代碼取自示例/教程，用于使用 Grove - Wio-E5發(fā)送從Wio 終端光傳感器獲得的數(shù)據(jù)。

要“激活”這個模塊TELEMETRY，TELEMETRY_LORAWAN_HELIUM必須在WioTerminalUvSmartMeter.ino 中定義兩個宏：

/* TELEMETRY
*/
#define TELEMETRY 
#define TELEMETRY_LORAWAN_HELIUM 
#define TELEMETRY_REPORT_UVI_CHANGES_ONLY 
#define TELEMETRY_UPDATE_TIME 600

控制發(fā)送間隔的宏TELEMETRY_UPDATE_CYCLE應(yīng)設(shè)置為合理的值（以秒為單位），以避免不必要地“燒毀”DC。如果只關(guān)注 UV 指數(shù)的變化，設(shè)置宏 TELEMETRY_REPORT_UVI_CHANGES_ONLY將導(dǎo)致模塊停止發(fā)送數(shù)據(jù)，如果 UV 指數(shù)自上次傳輸以來沒有改變。

此選項的網(wǎng)絡(luò)和集成設(shè)置主要遵循Seed Studio wiki中的Helium Introduction the Connecting to Helium指南中的說明。

主要步驟是：

• 注冊一個氦氣帳戶。
• 添加/創(chuàng)建一個新設(shè)備并相應(yīng)地配置Telemetry_LoRaWAN_Helium.ino草圖（適用于設(shè)備使用區(qū)域的頻率/設(shè)備標(biāo)識和密鑰。
• 添加解碼器函數(shù)以轉(zhuǎn)換和/或解析原始有效負(fù)載。
• 使用Helium Ubidot 插件為 Ubidots添加集成。
• 創(chuàng)建通過解碼器功能將設(shè)備連接到集成的流。

以下設(shè)備屬性由 Helium 控制臺自動生成，新設(shè)備已創(chuàng)建 -

• 設(shè)備 EUI - 64 位終端設(shè)備標(biāo)識符，有時稱為制造商 EUI
• App EUI - 64 位應(yīng)用程序標(biāo)識符
• App Key - 128 位 AES 密鑰，用于保護設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間的通信

Helium 控制臺 - 添加設(shè)備（示例 ID 和密鑰）

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#define Frequency DSKLORAE5_ZONE_EU868

char deveui[] = "6081F97A6178DA10";
char appeui[] = "6081F96DD5894DAA";
char appkey[] = "77D92AAE47B8B686B41707A3E9301CA3";

可以使用 Helium 控制臺中的調(diào)試視圖驗證設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸

氦氣控制臺 - 調(diào)試

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與Telemetry_LoRaWAN_Helium.ino中實現(xiàn)的編碼匹配的解碼器函數(shù)可以定義如下：

function Decoder(bytes, port, uplink_info) {
    /*
      The uplink_info variable is an OPTIONAL third parameter that provides the following:
    
      uplink_info = {
        type: "join",
        uuid: ,
        id: ,
        name: ,
        dev_eui: ,
        app_eui: ,
        metadata: {...},
        fcnt: ,
        reported_at: ,
        port: ,
        devaddr: ,
        hotspots: {...},
        hold_time: 
      }
    */

    var decoded = {};

    function to_int(bytes) {
        value = bytes[0] * 256 + bytes[1];
        if (value >= 32768) {
            value = 32768 - value;
        }
        return value;
    }

    function to_float(bytes) {
        value = to_int(bytes) / 100.0;
        return value;
    }

    if (uplink_info && port == 8) {
        decoded.temperature = to_float(bytes.slice(0, 2));
        decoded.humidity = to_float(bytes.slice(2, 4));
        decoded.uv = to_int(bytes.slice(4, 6));
        decoded.index = to_int(bytes.slice(6, 8));
    }

    return decoded;
}

氦氣控制臺 - 功能

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配置與 Helium Ubidots 插件的集成后

氦氣控制臺 - 集成

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并創(chuàng)建流程

氦氣控制臺 - 流量

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來自設(shè)備的數(shù)據(jù)

Ubidots - 設(shè)備

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可以在 Ubidots 中使用以可視化儀表板中的傳感器讀數(shù)：

Ubidots - 儀表板

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測試

在一個陽光明媚（溫暖）的周日下午進行了測試，設(shè)置為 RSET = 270 kΩ；IT = 4T。

測試

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在瀏覽器窗口中顯示了由“輻射防護辦公室”發(fā)布的附近（約 30 公里）氣象站的官方讀數(shù)（紫外線指數(shù) 3）。

測試

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設(shè)備上顯示的紫外線指數(shù)在 3 和 4 之間變化：

測試

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遙測選項 #2 的測試和演示，在室內(nèi)使用紫外線燈（發(fā)射 UVA/UVB 光的裸露鹵素?zé)襞?，可調(diào)光）：

能量消耗

在遙測選項 #2 的測試期間測量了功耗，如下所示：

• 正常操作：118毫安
• 傳輸期間（LoRa/氦氣）：138 mA

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1 / 2 ?功耗（正常運行）：118 mA

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