基於Microchip ATmega4808的室內空氣質量檢測方案

空氣污染是指各種懸浮於大氣中的氣體、液體和固體，它們對人體健康會造成有害影響。其實我們大多數人在室內的時間還是很長的，那麼室內空氣污染對我們健康的影響就很大。根據世界衛生組織的數據，每年有 380 萬人因室內空氣污染引起的疾病過早死亡。因此，不管是辦公室還是家裡，使用高品質的空氣質量監測系統都至關重要。

室內空氣的主要污染物包括總揮發有機物（ Total Volatile Organic Compound， TVOC）、二氧化碳（ CO2）和塵粒直徑最大為 2.5 微米的顆粒物（ PM2.5）等。還有兩個參數會影響室內空氣的質量：室內環境的濕度和溫度水平。室內空氣質量監測器（ Air Quality Monitor， AQM）是一種實時監測系統，可測量上述污染物和參數的值。智能安全的 AQM 能夠通過無線通信將監測到的空氣質量參數傳輸到雲服務器，以進行實時數據建模、實時污染數據映射、智能通知以及生成自動報告。

在本方案中， AQM 系統使用 8 位 AVR®處理器 ATmega4808 單片機（ AVR MCU）中獨立於內核的外設（ CoreIndependent Peripheral， CIP）和智能模擬外設設計和實現的。 Microchip 的 CryptoAuthentication™安全元件（ ATECC608A）和完全認證的 Wi-Fi®模塊（ ATWINC1510）用於將智能 AQM 安全連接到 Google Cloud™ IoT Core平台。

 

一、空氣質量概述

大多數室外空氣質量監測系統或工作站是由國家和政府機構建立的。這些室外空氣質量傳感器或監測器主要用於檢測各種毒素，例如臭氧、車輛排放物、顆粒物污染、二氧化氮（ NO2）、二氧化硫（ SO2）和一氧化碳（ CO）。而室內空氣質量監測器通常用於檢測顆粒物污染（ PM2.5 和 PM10）、揮發有機物（ Volatile Organic Compound，VOC）和二氧化碳（ CO2）。顆粒直徑最大為 2.5 微米的 PM2.5 顆粒物是最危險的空氣污染物之一。由於尺寸小， PM2.5 顆粒可以深入人體肺部並引起各種健康問題；例如，引發哮喘發作或導致心血管疾病。 總揮發有機物TVOC 被公認為是室內衛生和室內空氣質量的重要指標。TVOC 水平升高會引起頭痛和刺激感。一些 TVOC 是致癌物（例如甲醛），還有一些在一般濃度下就有較強刺激性（例如甲苯）。因此，使用室內空氣質量監測器時，測量 TVOC 水平十分重要。如果室內環境中的二氧化碳水平較高，可能導致室內人員昏昏欲睡、頭痛或精神萎靡。室內 CO2 水平是室外空氣流通相對於室內人員密度和代謝活動是否足夠的指標。因此， CO2 水平由室內空氣質量監測器測量。

空氣質量取決於空氣質量指數（ Air Quality Index， AQI）值。通常， AQI 值越低，表示空氣質量越好。 AQI 值越高，空氣污染水平越高，對健康的影響就越大。例如， AQI 值為 50 表示空氣質量優，幾乎不會影響公眾健康；而 AQI 值超過 300 表示重度污染。 AQI 值 100 是判定空氣中污染物超標的典型空氣質量標準。通常認為低於 100 的 AQI 值比較理想。 AQI 值大於 100 時，空氣質量對某些敏感人群的健康不利；而AQI 大於 151 時，空氣質量對所有人的健康均不利。

二、Microchip室內空氣質量監測方案概述


本方案將利用 AVR-IoT WG 開發板來實現。 AVR-IoT開發板用到了 Microchip 的 ATmega4808 單片機、 CryptoAuthentication 安全元件（ ATEC608A）和 Wi-Fi 模塊（ ATWINC1510）。AQM 系統還使用了 Mikroelektronika 提供的 click 板（裝有傳感器）、 EEPROM 和 OLED 顯示屏，但不包括濕度和顆粒物（ Particulate Matter， PM）傳感器。 PM 傳感器和濕度傳感器使用 PROTO click 進行連接。AQM 使用已在 Google Cloud IoT Core 平台上註冊的 Microchip 沙盒帳戶。 AVR-IoT WG 開發板經過預先配置，可與該帳戶通信。專為 AVR-IoT WG 開發板設計的 Web 應用程序（即網頁）可將數據可視化為圖形。

上電後， AQM 將搜索預配置的 Wi-Fi 路由器進行連接。如果有 Wi-Fi 路由器， AQM 會與其相連並訪問網際網路。如果沒有 Wi-Fi 路由器，它將持續搜索並點亮紅色 LED 來指示 Wi-Fi 連接錯誤。單片機將監測室內環境溫度和濕度以及主要空氣傳播污染物，例如 PM2.5、 CO2 和 TVOC。還將處理獲取的這些讀數，並根據 PM2.5 傳感器的讀數計算 AQI值。 AQI 和獲取的其他空氣質量參數存儲在外部 EEPROM 中，並顯示在 OLED 上。如果 AQM 找到網際網路連接，則會將 AQI 和其他參數上傳到 Google Cloud。此後，單片機進入待機休眠模式，之後會定期喚醒以監測傳感器並將經過處理的數據傳輸到雲端。此外，單片機還可以從休眠狀態立即喚醒以響應開關按下事件，並在 OLED 上顯示空氣質量參數。 圖 1-1 顯示了包含雲端和網頁的整個 AQM 系統。

圖 1：包含雲端和網頁的整個 AQM 系統

 

單片機與 Google Cloud 之間的通信由AVR-IoT WG 開發板上的安全元件 ATECC608A 來保護。用戶可以通過網頁來查看所有空氣質量參數。此網頁每秒都會從 Google Cloud 獲取數據，並更新空氣質量參數圖。

圖 2：AQM系統框圖

基於Microchip方案的AQM 系統具有以下功能：
• Microchip megaAVR®單片機——具有 CIP 和智能模擬外設的 ATmega4808
• PM2.5、 CO2、 TVOC、濕度和溫度監測
• 硬體安全： CryptoAuthentication 安全元件 ATECC608A
• 無線連接：經過完全認證的 Wi-Fi 模塊 ATWINC1510
• Google Cloud 連接
• OLED 顯示屏
• 數據記錄

 

三、方案硬體概述


AQM 硬體如下圖所示：

 

圖3：AQM 硬體

AVR-IoT WG 開發板結合了功能強大的 8 位 ATmega4808 單片機、 ATECC608A 和 ATWINC1510，能夠以最簡單高效的方式將嵌入式應用程序連接到 Google Cloud IoT Core 平台。該開發板包含一個板上調試器，無需外部硬體即可對單片機進行編程和調試。

MCU-ATmega4808
ATmega4808 是一款採用 8 位 AVR 處理器的單片機，運行速度最高為 20 MHz，同時配有 48 KB 的閃存、 6 KB 的SRAM 和 256 字節的 EEPROM。該單片機使用最新低功耗 CIP（包括事件系統、智能模擬外設和高級外設）。
AQM 系統中使用的 ATmega4808 的外設包括：

• 模數轉換器（ Analog-to-Digital Converter， ADC）
• 通用同步/異步收發器（ Universal Synchronous and Asynchronous Receiver and Transmitter， USART）
• 串行外設接口（ Serial Peripheral Interface， SPI）
• 雙模式主/從雙線接口（ Two-Wire Interface， TWI）： I2C 兼容型
• 實時計數器（ RTC）
• 周期性中斷定時器（ Periodic Interrupt Timer， PIT）
• 休眠控制器
• EEPROM 數據存儲器
• 事件系統
• 可配置定製邏輯（ CCL）

安全元件——ATECC608A
ATECC608A 採用基於硬體的超安全加密密鑰存儲和加密對策，消除了與軟體漏洞相關的潛在後門。 ATECC608A 用於存儲安全 IoT 通信所需的私鑰和公鑰。 ATECC608A 通過 I2C 接口與主機控制器通信。

無線連接——ATWINC1510 Wi-Fi®模塊
ATWINC1510 是一個 IEEE 802.11 b/g/n IoT 網絡控制器。 ATWINC1510 Wi-Fi 模塊集成了ATWINC1510 SoC、 26MHz 振盪器、阻抗匹配電路和印刷天線或用於外部天線的微型同軸（ µFL）連接器。該模塊通過 SPI 接口與主機控制器通信。

數字溫度傳感器——MCP9808
MCP9808 數字溫度傳感器適用範圍廣泛，精度為 0.5°C（溫度範圍為-20°C 至+100°C），高溫解析度為 12 位。其他功能包括關斷、欠溫/過溫監測器以及臨界溫度報警。該數字傳感器通過 I2C 接口連接到單片機。

降壓穩壓器——MIC33050
MIC33050 是具有內部電感的高效 600 mA PWM 同步降壓穩壓器。它的主要特點包括：輸入電壓範圍為 2.7V 至5.5V，輸出電流為 600 mA，靜態電流為 20 µA，輸出電壓紋波低。

四、方案固件概述


AQM 應用程序固件基於 AVR-IoT 協議棧開發；有關 AVR-IoT 協議棧的更多詳細信息，可請參見 AVR-IoT WG 開發板及其文檔。 圖4 給出了 AVR-IoT 協議棧和應用程序固件模塊。

圖 4： 應用程序固件層
 

AQM 應用程序代碼
應用程序固件定期從傳感器獲取數據並加以處理。它會計算 AQI 並將處理後的數據發送到 Google Cloud。此外，處理後的數據將顯示在 OLED 顯示屏上，並存儲在外部 EEPROM 中予以記錄。 圖 5 給出了應用程序流程圖概覽。

圖 5 :應用程序流程圖

五、開發環境

軟體工具

可使用Atmel Studio 或 MPLAB X IDE 進行固件開發。

使用 Atmel Studio 開發包括：

• Atmel Studio 7
• AVR GCC 編譯器
• Atmel START 配置器工具

使用 MPLAB X IDE 開發包括：

• MPLAB X IDE
• AVR GCC 編譯器
• MPLAB 代碼配置器（ MCC）

固件配置和生成

應用程序固件可以使用 Atmel START 或 MCC 生成。有關使用 Atmel START 或 MCC 框架生成固件的過程的更多詳細信息，請參見“AN3417 - Indoor Air Quality Monitor:Firmware Creation Using Atmel START and MPLAB® Code Configurator (MCC)” 。

 

單片機編程
要對單片機上的應用程序固件進行編程，可參見 AVR-IoT WG Development Board User Guide。

 

六、結論

本文介紹了使用 AVR-IoT WG 開發板（ATmega4808）實現AQM 解決方案的詳細信息。嵌入式設計可以使用 ATECC608A CryptoAuthentication™安全元件來加以保護，該安全元件會處理每個器件的身份驗證。使用 Wi-Fi 模塊（ ATWINC1510）可以將無線連接功能無縫添加到設計中。如需了解更詳細地信息，請聯繫大聯大品佳當地辦事處或發郵件至 microchip@sac.com.hk 。