智能私有開源傳感器站

描述

當(dāng)我非常專注于項目（比如這個項目）時，我經(jīng)常會忘記我的環(huán)境。突然坐在黑暗中或沒有意識到需要新鮮空氣的情況并不少見。以前，我購買了一個知名品牌的智能傳感氣象站，我真的很喜歡它的傳感器。我喜歡他們提供的數(shù)據(jù)量。但是我意識到，我意識到，我沒有在一個該死的設(shè)備上本地訪問我的個人數(shù)據(jù)，而這個設(shè)備就在我旁邊。該設(shè)備僅適用于互聯(lián)網(wǎng)連接，我的所有數(shù)據(jù)都存儲在他們的服務(wù)器上。

將傳感器/設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)并不能使其變得智能！

作為一名修補(bǔ)匠，我認(rèn)為我也可以做到這一點，甚至可能做得更好，獲得相同的傳感器數(shù)據(jù)，向其添加通知和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，但略有不同的是，我的數(shù)據(jù)和邏輯將在本地存儲和處理。

所以這就是我所做的：我?guī)е业?Raspberry Pi 并在上面安裝了傳感器，用于測量溫度、濕度、空氣質(zhì)量、環(huán)境光和氣壓。我決定使用我最喜歡的物聯(lián)網(wǎng)中間件 nymea，并為傳感器編寫插件。Nymea 提供了一堆開箱即用的東西，例如日志記錄、統(tǒng)計信息、通知和規(guī)則，因此我可以輕松地在我的環(huán)境中添加一些實際的智能行為。

組件

我使用了幾個從亞馬遜購買的 I2C 傳感器。我一直在尋找 I2C 空氣質(zhì)量傳感器，但找不到價格合理的傳感器，所以我將一個便宜的模擬空氣質(zhì)量傳感器連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡稱 ADC）。我使用的是 Raspberry Pi 3B+，但支持 I2C 接口的類似硬件平臺就可以了。

• 溫度和濕度傳感器：我發(fā)現(xiàn)傳感器最SHT30適合我的用例。它很便宜，并且注意濕度和溫度之間的物理影響。使用數(shù)據(jù)表讀取值非常簡單。
• 壓力傳感器：非常流行的壓力傳感器是BMP180。使用此傳感器，我還可以獲得溫度和濕度，因為正確測量需要這些值。傳感器在出廠時已經(jīng)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲在芯片中，我覺得非常整潔。數(shù)據(jù)表為我提供了有關(guān)如何獲得壓力的所有必要步驟。如果你愿意，你也可以計算海拔高度，但我的用例并不需要它
• 光強(qiáng)度傳感器：有很多傳感器用于此目的。我一直在尋找一個適合測量可見光的傳感器，因為我想在我的客廳里使用這個傳感器。我選擇了TSL2561，它給我全光譜的光強(qiáng)度測量，此外，還單獨給我紅外光強(qiáng)度光譜。這真的很方便，因為它允許我從全光譜中減去紅外光譜測量，從而得到適合人類的光測量。
• 空氣質(zhì)量傳感器。事實證明，在不花一大筆錢的情況下找到合適的空氣質(zhì)量傳感器有點具有挑戰(zhàn)性。我最終得到了一個模擬 MQ-135 空氣質(zhì)量傳感器。它測量空氣中的不同氣體，如 NH3、NOx、酒精、苯、煙霧和 CO2。挖掘有關(guān)此傳感器的更多信息表明，從傳感器中挑選出某種氣體并不是最簡單的事情。必須對每個單獨的傳感器（找到 R0）進(jìn)行校準(zhǔn)，并且傳感器需要至少 24 小時的“老化”階段才能提供任何有用的數(shù)據(jù)。可以在此處找到對傳感器的詳細(xì)描述和深入研究。其背后數(shù)學(xué)模型的代碼可以在這里找到. 我實施了該模型，結(jié)果在我的案例中提供的信息多于準(zhǔn)確的信息，但稍后會詳細(xì)介紹。

連接傳感器

由于 I2C 是并行總線，每個 I2C 設(shè)備都有不同的默認(rèn)寄存器地址，因此無需更改地址，所有設(shè)備都可以直接連接。空氣質(zhì)量傳感器具有模擬輸出，因此需要一個 ADC。為此，我使用了ADS1115ADC，它也連接到 I2C 總線，允許我讀取模擬值作為數(shù)字表示。仍然有三個免費輸入，將來我可能會用額外的傳感器擴(kuò)展站點。我將溫度傳感器放置在盡可能遠(yuǎn)離空氣質(zhì)量傳感器的位置，因為空氣質(zhì)量傳感器包含一個會變熱的加熱元件。

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1 / 2 ?傳感器和 ADC 的接線

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連接后，我檢查了i2c-detect所有設(shè)備是否根據(jù) Raspberry Pi 上的相應(yīng)數(shù)據(jù)表正確顯示。

   $ i2cdetect -y 1
        0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f
   00:          -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
   10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
   20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
   30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- 39 -- -- -- -- -- --
   40: -- -- -- -- 44 -- -- -- 48 -- -- -- -- -- -- --
   50: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
   60: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
   70: -- -- -- -- -- -- -- 77

• 0x39光傳感器TSL2561
• 0x44溫濕度傳感器SHT30
• 0x48ADC ADS1115（MQ-135 連接到 AI0）
• 0x77壓力傳感器BMP180

軟件

作為我的 Raspberry Pi 的基本操作系統(tǒng)，我使用了最新的Raspbian 。使用蝕刻機(jī)將圖像閃存到 micro SD 卡后，我直接進(jìn)行布線和開發(fā)。

首先，我從官方存儲庫安裝了nymea （我最喜歡的開源物聯(lián)網(wǎng)平臺）。

sudo apt-key adv --keyserver keyserver.ubuntu.com --recv-key A1A19ED6
sudo apt update
sudo apt install nymea nymea-plugins nymea-cli libnymea1-dev git libi2c-dev

傳感器站的插件不適合主存儲庫，因為這是一個 DIY 項目，但您可以從我的github 帳戶獲取源代碼并為您的系統(tǒng)構(gòu)建它：

# Clone the source code on the Raspberry Pi 
git clone https://github.com/t-mon/nymea-sensorstation-plugin.git
cd nymea-sensorstation-plugin
  
# Build the plugin against the current libraries
mkdir build
cd build
qmake ../
make -j$(nproc)
  
# Finally install the plugin and restart nymea
sudo make install
sudo systemctrl restart nymead

在我的設(shè)置中，我有飛利浦 Hue燈、Kodi 媒體中心、LG 智能電視、我居住地的天氣信息以及一些其他集成的設(shè)備和服務(wù)。我還啟用了遠(yuǎn)程連接，以便在我的手機(jī)上擁有推送通知服務(wù)（數(shù)據(jù)將保留在本地，我只使用云連接進(jìn)行遠(yuǎn)程連接并接收推送通知）。根據(jù)我從新傳感器站獲得的數(shù)據(jù)，這些是我想要控制的設(shè)備。

現(xiàn)在它還包含我的新傳感器站！

插件開發(fā)完成后，我在我的系統(tǒng)上安裝了插件，并通過使用nymea:app作為系統(tǒng)客戶端將傳感器站添加為“事物”。

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1 / 5 ?事物概覽

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讀取傳感器數(shù)據(jù)

在開發(fā) I2C 傳感器讀取機(jī)制（不斷啟動線程以讀取循環(huán)中的數(shù)據(jù)）時，我意識到每個傳感器都會生成大量數(shù)據(jù)，并且信號中也有一些噪聲。為了防止大量數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)儲到日志數(shù)據(jù)庫、規(guī)則引擎和整體系統(tǒng)性能上，我必須進(jìn)行一些過濾。在寫這篇文章的時候，系統(tǒng)的閱讀間隔是5分鐘。這似乎是讀取緩慢變化的傳感器（如溫度、濕度和壓力）的好時間間隔。當(dāng)涉及到快速變化的傳感器數(shù)據(jù)時，例如光強(qiáng)度或空氣質(zhì)量傳感器，系統(tǒng)反應(yīng)緩慢。例如：我打開燈，在最壞的情況下，系統(tǒng)會在 5 分鐘后識別出燈光增加。不是很好。當(dāng)前的光測量非常適合緩慢的日光變化，但在處理快速變化方面并不是最好的。問題在于數(shù)據(jù)中的巨大噪聲，這使得經(jīng)典的低通/高通濾波或 PID 調(diào)節(jié)器變得無用，因為你必須進(jìn)行如此強(qiáng)烈的濾波，以至于失去了快速響應(yīng)的效果。

也許本文的讀者對此問題有解決方案？是否有一種濾波器模型/方法可以在嘈雜信號上實現(xiàn)平滑、良好的數(shù)據(jù)變化，但對強(qiáng)變化（如開燈）的響應(yīng)時間快速？

數(shù)據(jù)解讀

我將傳感器站放在客廳沙發(fā)旁邊（因為這是我最想要舒適的興趣點），我讓系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)幾天，以查看傳感器數(shù)據(jù)在我的房間中的表現(xiàn)如何環(huán)境

在應(yīng)用程序概覽中，我看到了我的電臺的當(dāng)前值。

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數(shù)據(jù)概覽

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早上，當(dāng)我開始新的一天時，我會打開百葉窗和窗戶，因為我的公寓隔離得很好。來自我的新傳感器站的數(shù)據(jù)很好地代表了我的“起床”程序，如下圖所示（直接來自應(yīng)用程序的屏幕截圖）。我在早上 8:30 打開窗戶 20 分鐘。

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1 / 5 ?溫度測量

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• 打開窗戶后，溫度下降了約3° C 。然后加熱將溫度調(diào)節(jié)回所需的 22.5°C。
• 開窗后濕度明顯下降。
• 今天壓力慢慢下降，這是一個陽光明媚的冬日。
• 光照強(qiáng)度在早上顯示出一個大的峰值。這是陽光直射通過窗戶到達(dá)傳感器，然后太陽升得更高。大約在 10 點 30 分，我打開了第二個百葉窗，在那里你可以看到臺階。中午前后房間的正常亮度約為 1100 勒克斯。然后價值慢慢下降，直到日落。
• 打開窗戶后，空氣質(zhì)量測量值明顯下降。數(shù)值越低空氣越好。如果我將窗戶打開大約 2 小時，該值約為 300 ppm。再次關(guān)閉窗口后，該值緩慢上升。

下午，當(dāng)外面天色越來越暗時，我再次檢查了傳感器數(shù)據(jù)，結(jié)果如下（我沒有打開窗戶，一個人在這里，我妻子在 16:30 左右下班回家）。

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1 / 5 ?溫度測量

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• 白天溫度升高了一點（天氣晴朗）。并在下午晚些時候下降（加熱再次打開）。
• 白天濕度上升，在 18 點 45 分左右達(dá)到頂峰，也就是我真正開始做飯的地方。
• 壓力變化非常小。還不確定如何處理這些數(shù)據(jù)。
• 光照強(qiáng)度隨太陽一起下降。今天的日落時間是 17:53。但是在我的客廳里，大約 17:00 時天已經(jīng)黑了，那里的亮度約為 80 lux。那就是我要開燈的地方。在這里我們還可以看到我在 18:45 到 19:20 之間打開廚房的燈做飯的時間。
• 白天空氣質(zhì)量測量值升高，在我妻子回家時約 16:30 有一個更大的峰值，因為房間里有兩個人在呼吸。我開始做飯時的另一個高峰。

定義規(guī)則

在對傳感器值有了良好的感覺之后，是時候根據(jù)這些數(shù)據(jù)定義一些規(guī)則和操作了。對于我的“問題”，我定義了兩個規(guī)則。

我調(diào)用的第一個規(guī)則Air quality notification應(yīng)該在空氣質(zhì)量不好時通知我，這樣我就可以打開窗戶，讓我的頭腦保持清醒和清醒。根據(jù)白天收集的數(shù)據(jù)，我意識到，當(dāng) ppm 值高于 2000 ppm 時，我可以感覺到需要新鮮空氣（散步后回到房間）。如果這個值只代表 CO2，我可能會死于 2000 ppm，但傳感器正在檢測多種氣體，因此有很大的解釋空間。為了進(jìn)行精確測量，我肯定會選擇另一個傳感器，但就我的需要而言，它可以勝任。

一旦該值超過 2000 ppm，該規(guī)則就會向我的手機(jī)和我的媒體中心發(fā)送通知。

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1 / 3 ?空氣質(zhì)量通報規(guī)則

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我調(diào)用的第二條規(guī)則Light sensor rule應(yīng)該打開我的沙發(fā)背景燈，但前提是電視當(dāng)前處于打開狀態(tài)。我可以通過兩種方式做到這一點，要么檢查 Kodi 當(dāng)前是否正在播放（我使用Mythtv的Kodi PVR 插件看電視），要么通過檢測電視是否可訪問來使用智能電視插件。這兩種情況都適合我。我還可以使用存在傳感器插件，它檢查 LAN 中是否存在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。如果我的電話或我妻子的電話在網(wǎng)絡(luò)中，如果光強(qiáng)度低于 80 勒克斯，請打開燈。

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電視可達(dá)條件下的光敏規(guī)則

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結(jié)論

有用！使用室內(nèi)傳感器站 2 個多星期后，我意識到我打開窗戶的頻率更高了，而且自從使用它以來，我從未突然坐在黑暗中。令我驚訝的是，我在傳感器數(shù)據(jù)中識別出了我的哪些日常行為。由于數(shù)據(jù)存儲在本地和我的，我對收集的數(shù)據(jù)沒有任何不好的感覺。該功能（電話通知除外）不依賴于我的互聯(lián)網(wǎng)連接。

下一步是什么？

我想用我的新傳感器站做幾件事。一些想法：

• 建立射頻室外站，使用 6LoWPAN 或 Zigbee 向系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)。
• 添加更多傳感器以獲得更好的周圍信息。I2C 總線上仍有三個可用的模擬輸入和大量寄存器。更多數(shù)據(jù)、更多信息、更多自主行為。
• 在變暗的同時平滑地增加亮度也會非常好。nymea 中仍然缺少此功能，但希望此功能將很快實現(xiàn)。
• 對光強(qiáng)度和空氣質(zhì)量進(jìn)行更好的傳感器過濾，以檢測峰值，例如：將煙霧吹入傳感器或打開燈以獲得快速反應(yīng)行為。也許有人可以幫我？:)
• 使用FFT檢測數(shù)據(jù)中的重復(fù)模式，例如開窗事件、烹飪、招待客人、飲酒。

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