空气质量在线检测系统制作 之Smart Airbox 制作流程

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已刊登在《无线电》8月刊

文/Gavin

在帝都生活的小伙伴们,想必对空气质量一定是不能再敏感,十几米的能见度想想也是醉了。一遇到久违的蓝天,朋友圈就被各种炫蓝天的照片刷屏。既然已经无法奢望室外空气,就在室内空气上下点功夫吧,毕竟一天中的大多数时间还是在室内度过的。于是乎,小熊决定做一个智能空气盒子,实时检测家里的空气是否达标。关爱绳命,从一呼一吸开始…

项目简介

智能空气盒子(Smart AirBox)是空气质量在线检测系统的雏形。该系统可以监测周围的空气质量(VOC、PM2.5、温度、湿度等),并将参数数据通过BLE发送给BLE网关,这样,我们就可以通过PC来查看周围的空气质量情况,或者通过手机的蓝牙BLE直接连接到智能空气盒子获取周围空气数据。图1是PC通过浏览器获取到的空气质量显示页面。

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图1 网页显示的空气数据

此系统由空气质量检测节点智能空气盒子(Smart AirBox)和BLE转以太网网关“BLE Gateway”组成,如图2所示:

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图2 智能空气盒子及BLE网关

本篇先介绍智能空气盒子的硬件制作步骤,因为程序部分和网关程序的关联比较多,以后有机会再向大家介绍智能空气盒子的程序部分以及本系统的另外一个组件“BLE网关”的制作步骤。

 

空气质量检测节点“Smart AirBox”

智能空气盒子(Smart AirBox)集成了VOC气体(挥发性有机化合物)和PM2.5(可呼入颗粒数)检测单元、温湿度检测单元、BLE传输单元以及LED显示单元。其中VOC气体和PM2.5检测单元使用的是ZPH-01[1],ZPH-01可以通过串口输出采集到的空气数据,并且每秒更新一次。温湿度检测单元采用的是Maker常用的DHT11传感器,可通过数字接口输出温湿度信息,价格低,性能可靠。

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图3 智能空气盒子主要部件

BLE传输单元使用的是TI的CC2541模块,CC2541作为智能空气盒子(Smart AirBox)的MCU,从各检测单元取回数据并将此空气数据发送到BLE Gateway或手机,再按照空气质量等级来驱动发光二极管进行直观显示。如图4所示,从左到右分别代表空气质量的“优-良-中-差”四种情况。

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图4 智能空气盒子实际检测变化情况

本次智能空气盒子DIY过程中,传感器检测项目和精度如下:

VOC检测单元:甲醛、苯、一氧化碳、氨气、氢气、酒精、香烟、香精等有机挥发气体;

可呼入颗粒数检测单元:检测颗粒大于1μm以上;

温度检测单元:测温精度±2%,测量范围:0~50摄氏度;

湿度检测单元:测湿精度±5%RH,测量范围:20~90%;

 

设计过程

1, 设计思路

这次设计思路和以往的设计有很大不同。小熊以往的设计都是将全部电路部分放在一块PCB上,或者是两块PCB通过接插件的方式连接在一起,而本次设计从一开始就计划将PCB本身用作壳体,六块PCB合体后是一个完整的正方形的,但是这会面临一个两难的选择:方案1,六面分别是单独设计,每块都是单独的PCB;方案2,六面采用同样的设计,焊接时不同的面焊接不同的器件。方案1的优点自然是设计难度小,缺点是制版成本高;6块PCB的制版成本是(50(样板费)+100(黑色阻焊))x6,六倍与方案2的成本。一番取舍后,最终小熊的屌丝症发作,选择了方案2作为最终实施的方案,事实证明,方案2完全就是一个烧脑的设计……

2, 硬件架构

确定设计方案后,小熊开始了原理的勾画。前面已经决定要在同一块PCB上实现所有的电路,只是根据需求对某一面板进行特定器件的焊接,这种思路决定了不可能采用常规的原理图设计来处理,整体的电路如图5所示。

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图5 硬件架构及原理

整体布局是6个板子,板与板之间不但要有电源供电,还需要进行IO通讯,所以小熊引入另外一组通讯焊盘,这组焊盘要包含上图中所有需要的通讯IO,如图6所示:

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图6 通讯焊盘

整体的原理图如下:

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图7  Smart AirBox 原理图

3, PCB设计

为了方便说明,我们命名为“底板”、“前面板”、“后面板”、“左侧板”、“右侧板”和“盖板”,大家可以先脑补下它们的相对位置。然而,要在一块板子上集成“Micro USB 接口”、“电源LDO部分”、“LED显示单元”、“CC2541贴片模块”、“VOC&PM2.5采集模块”、“DHT11温湿度模块”等,而且为了美观,需要将所有器件布置在PCB盒子的内部面上,PCB盒子的外部面则保持无器件、无走线、无焊盘、无丝印的“四无”状态;所以在PCB设计时小熊定义了几个设计规则和步骤,下文将逐步说明:

步骤1,采用黑色PCB,正方形设计,板厚1.6mm,因为PCB就是壳体,足够的板厚才有足够的结构强度,板子面积:65 x 65 mm。

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图8  PCB 65mm x 65mm

步骤2,在每个边上加两个凸起位置用作板与板间的固定,凸起的宽度要和板厚一样为1.6mm,长度是16.25mm, 也就是板边的1/4。为方便插接,在凸起的两边各削除0.1~0.2mm,并做出固定的焊盘。这个焊盘需要大些,以保证各个面板之间固定的稳固性。

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图9 固定焊盘设计

步骤3,放置LED显示单元和Micro USB 接口等需要外部开孔的器件,并在适当的位置放置一定数量的通风孔,用来确保空气的流通以保持采集数据的准确性和实时性。

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图10 透光口设计

LED显示单元:P1.0~P1.7共8个独立IO控制的发光二极管,还有一个供电指示灯,共9个发光二极管,为了保持外壳面的“光洁”,小熊采用的方式是在贴片二极管的两个焊盘间放置一个1.2mm直径的开孔用来透光,然后贴片二极管采用反向焊接的方式,也就是倒扣着焊接,透光口设计如图10所示;

Micro USB 接口:Micro USB接口的外沿要和步骤2中所做凸起的外沿尽量齐平,不然焊接之后会出现USB接口内陷在壳体内部,不好插拔的问题。由于壳体的六面都是同一板子,要考虑到USB接口的开口问题,为了避免每面上都有开口,并避免开口过大造成的美观问题,小熊选择半开孔的方式,如图11所示;

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图11  micro USB 接口设计

通风孔:小熊选择用不同直径的圆形开孔当作通风孔,通风孔的直径从2.4mm>>2.0mm>>1.6mm>>1.4mm,需要保持一定数量的开孔以增强通风效果,如图12所示。

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图12 通风孔设计

步骤4,根据步骤3放置的接口的位置来确定内部器件的位置,因为我们这次是立体布局,可以先在纸上做一个简单的勾画,根据器件的体积和表面积初步决定CC2541贴片模块、VOC&PM2.5传感器和温湿度传感器的大概位置。

电路部分需要放置在三块板子上,具体布局如图13所示。

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图13 确定电路安装位置

后面板、左侧板以及盖板是不需要布置任何器件的。

然后就是把这三部分的电路合成到一块板子上,布线时尽量不要有过孔和背部走线,会影响最后的效果,经过整理之后就是最后生产的PCB板图,如图14所示。

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图14 PCB设计图

下单后一周收到做好的PCB。

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图15 PCB成品图

焊接过程

小熊详细记录了焊接的各个步骤,板与板之间焊接的先后顺序比较重要,因为顺序安排不合理的话就会出现无处下手的窘迫,小熊深有体会,囧……

前面板:焊接发光二极管和相应的限流电阻,二极管需要反着焊接,如图16所示,作为对比右边是正面放置的二极管:

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图16 LED焊接方式

共焊接3个红色的、3个黄色的和4个绿色的。

右侧面板:焊接CC2541贴片模块,焊接前小熊已经飞线将程序下载到模块了。

底板:先焊接电源部分,VOC传感器部分暂且不焊。

完成后如图17所示。

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图17 焊接半成品图

终于等到了板与板合体的时刻,形容下当前的状态:“小熊屏气凝神,握着烙铁的手颤抖着……”。

焊接这个需要连锡的焊盘有个技巧,就是把烙铁头从下往上滑,容易在两个焊盘间挂锡。先将底板和右侧面板焊接在一起:

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然后相同的步骤处理前面板:

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焊好前面板之后,将VOC模块焊在设计好的位置,

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后面板焊接前需要进行一些处理,将Micro USB的位置用偏口钳把两个连接点剪断,

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然后……

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继而相同的步骤处理左侧面板及上盖板,最后贴上象征身份的贴纸……“Duang”

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智能空气盒子合体成功!迫不及待地插上电源,悠悠绿灯亮起,代表附近的空气质量“优”,小熊终于可以放纵的呼吸了。

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用熄灭的打火机放气模拟空气质量不好的情况,然后……灯条“蹭”的就上去了,智能空气盒子工作正常,小熊很开森。

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任性的小熊是不会告诉你们第一次上电没有成功,检查了好久才发现有个焊盘虚焊的。

写在最后

      小熊公开智能空气盒子详细制作过程的初衷是启发大家的灵感,任何灵感和想法都有被实现的必要,关键看如何实现。本次的整体系统是采用“传感器—BLE—以太网”的架构,也许有些同学会觉得没有“传感器+WiFi”的B格高,但小熊面临的现实是,内置协议栈的开源WiFi模块在市场上并不多见,即使有也存在开发成本高、难度大的特点,况且小熊一向以为WiFi这种无边界的网络,如果不作加密处理是不适合作为智能家居应用的。而如果是采用成品的“串口转WiFi”模块,则没有办法实现小熊用网页显示,以及更进一步上传空气数据到类似于Yeelink的开源平台上的目的,所以一番取舍后,小熊还是采用了当前的方案。后续会跟大家分享软件调试部分,期待关注。

 


[1] 郑州炜盛电子科技有限公司出品

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