原標(biāo)題：基于 Arduino Nano RP2040 的二氧化碳和灰塵監(jiān)測(cè)儀（PCB+代碼）

基于Arduino Nano RP2040的二氧化碳與灰塵監(jiān)測(cè)儀：從原理到實(shí)踐

在當(dāng)今社會(huì)，隨著人們對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量（IAQ）關(guān)注度的日益提升，開發(fā)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵空氣污染物（如二氧化碳和可吸入顆粒物）的設(shè)備變得至關(guān)重要。二氧化碳（CO2）濃度過高不僅會(huì)引起疲勞、頭痛和注意力不集中，長期暴露還可能對(duì)健康產(chǎn)生負(fù)面影響；而空氣中的細(xì)顆粒物（PM2.5、PM10）則是導(dǎo)致呼吸道疾病和心血管疾病的主要環(huán)境因素之一。因此，設(shè)計(jì)一款精確、穩(wěn)定且易于部署的CO2和灰塵監(jiān)測(cè)儀，對(duì)于改善居住和工作環(huán)境，保障人體健康具有深遠(yuǎn)意義。本項(xiàng)目將深入探討如何利用功能強(qiáng)大的Arduino Nano RP2040 Connect開發(fā)板，結(jié)合先進(jìn)的傳感器技術(shù)，構(gòu)建一款高性能的二氧化碳與灰塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。我們將從核心元器件的選型與詳細(xì)分析入手，逐步深入到電路原理設(shè)計(jì)、PCB布局布線策略、軟件固件開發(fā)，直至最終的系統(tǒng)校準(zhǔn)與測(cè)試，力求提供一份全面且富有實(shí)踐指導(dǎo)意義的文檔。選擇Arduino Nano RP2040 Connect作為核心控制器，是基于其卓越的性能、豐富的接口、內(nèi)置的無線通信能力以及友好的開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，這些特性使其成為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)的理想平臺(tái)。

核心元器件選型與詳細(xì)分析

一個(gè)成功的監(jiān)測(cè)儀項(xiàng)目，其關(guān)鍵在于對(duì)核心元器件的精確選擇與深入理解。每一種元器件的選擇都經(jīng)過深思熟慮，旨在平衡性能、成本、易用性和可靠性。以下將詳細(xì)闡述本項(xiàng)目中各項(xiàng)核心元器件的選型理由、功能特性及其在系統(tǒng)中的作用。

1. 微控制器核心：Arduino Nano RP2040 Connect

選擇理由： Arduino Nano RP2040 Connect是本項(xiàng)目微控制器核心的理想選擇，其核心優(yōu)勢(shì)在于搭載了強(qiáng)大的Raspberry Pi RP2040微控制器，該芯片擁有雙核ARM Cortex-M0+處理器，運(yùn)行頻率高達(dá)133MHz，提供了卓越的處理能力，足以應(yīng)對(duì)多傳感器數(shù)據(jù)采集、復(fù)雜算法處理和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)。相比傳統(tǒng)的Arduino Uno或Nano，RP2040在計(jì)算速度和內(nèi)存（264KB SRAM，16MB片外閃存）方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，能夠處理更復(fù)雜的固件邏輯和存儲(chǔ)更多數(shù)據(jù)。此外，Arduino Nano RP2040 Connect板載了u-blox NINA-W102模塊，集成了Wi-Fi和藍(lán)牙功能，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)上傳和無線配置至關(guān)重要，避免了額外添加無線模塊的復(fù)雜性。板載的IMU（慣性測(cè)量單元）和麥克風(fēng)雖然在本項(xiàng)目中并非核心功能，但為未來的功能擴(kuò)展提供了可能性。其緊湊的尺寸（45x18mm）也使其非常適合集成到小型化的監(jiān)測(cè)設(shè)備中。

元器件功能與作用： Arduino Nano RP2040 Connect作為整個(gè)監(jiān)測(cè)儀的“大腦”，承擔(dān)著以下核心功能：

• 數(shù)據(jù)采集： 通過I2C和UART接口與CO2傳感器、灰塵傳感器、溫濕度傳感器進(jìn)行通信，讀取原始環(huán)境數(shù)據(jù)。

• 數(shù)據(jù)處理： 對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、校準(zhǔn)、濾波等預(yù)處理，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。例如，對(duì)CO2傳感器讀數(shù)進(jìn)行溫度和濕度補(bǔ)償。

• 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)： 臨時(shí)存儲(chǔ)傳感器數(shù)據(jù)，或在需要時(shí)將數(shù)據(jù)寫入板載閃存進(jìn)行日志記錄。

• 數(shù)據(jù)顯示： 驅(qū)動(dòng)OLED顯示屏，實(shí)時(shí)顯示CO2濃度、PM2.5/PM10濃度、溫度和濕度等信息。

• 無線通信： 利用內(nèi)置的Wi-Fi模塊，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)（如ThingSpeak、Adafruit IO或自定義MQTT服務(wù)器），實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)可視化。同時(shí)，藍(lán)牙功能可用于本地調(diào)試、配置或與手機(jī)APP進(jìn)行交互。

• 報(bào)警控制： 根據(jù)預(yù)設(shè)的CO2和PM2.5閾值，控制LED指示燈或蜂鳴器發(fā)出聲光報(bào)警。

• 系統(tǒng)管理： 負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的初始化、電源管理、錯(cuò)誤處理和用戶交互（如按鈕輸入）。

2. 二氧化碳傳感器：Sensirion SCD40

選擇理由： Sensirion SCD40是一款微型、高精度、低功耗的NDIR（非分散紅外）CO2傳感器。相較于傳統(tǒng)的MH-Z19B等傳感器，SCD40體積更小，功耗更低，且具有出色的長期穩(wěn)定性和精度（(40 ppm + 5% 讀數(shù))），測(cè)量范圍廣（400 ppm至5000 ppm），完全覆蓋室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)所需范圍。最重要的是，SCD40內(nèi)置了溫度和濕度補(bǔ)償功能，并支持自動(dòng)校準(zhǔn)（ASC）或手動(dòng)校準(zhǔn)，這大大簡化了固件開發(fā)中的數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度，并提升了測(cè)量準(zhǔn)確性。其I2C通信接口與Arduino Nano RP2040 Connect的兼容性極佳，易于集成。雖然價(jià)格略高于一些低端NDIR傳感器，但其性能和易用性帶來的價(jià)值遠(yuǎn)超成本。

元器件功能與作用： SCD40是監(jiān)測(cè)儀的核心傳感器之一，其主要功能是精確測(cè)量環(huán)境中的二氧化碳濃度。

• NDIR測(cè)量原理： SCD40基于NDIR技術(shù)工作。CO2分子對(duì)特定波長的紅外光具有吸收特性。傳感器內(nèi)部包含一個(gè)紅外光源、一個(gè)CO2氣體測(cè)量腔和一個(gè)紅外探測(cè)器。紅外光穿過測(cè)量腔，被CO2分子吸收一部分，剩余的光線到達(dá)探測(cè)器。通過測(cè)量光強(qiáng)度衰減的程度，結(jié)合朗伯-比爾定律，即可計(jì)算出CO2濃度。這種方法具有高精度和良好的選擇性。

• 內(nèi)置溫濕度傳感器： SCD40內(nèi)部集成了高精度的溫度和濕度傳感器。CO2的紅外吸收特性會(huì)受到溫度和濕度的影響，因此內(nèi)置的T/H傳感器能夠?yàn)镃O2測(cè)量提供實(shí)時(shí)的環(huán)境補(bǔ)償，確保在不同環(huán)境條件下的測(cè)量準(zhǔn)確性。

• I2C通信： 通過I2C總線與Arduino Nano RP2040 Connect進(jìn)行通信，接收啟動(dòng)測(cè)量指令，并傳輸CO2、溫度和濕度數(shù)據(jù)。

• 自動(dòng)校準(zhǔn)（ASC）/強(qiáng)制校準(zhǔn)（FRC）： SCD40支持自動(dòng)校準(zhǔn)邏輯，當(dāng)傳感器長時(shí)間處于通風(fēng)良好的環(huán)境中（如夜間），它會(huì)利用最低CO2讀數(shù)作為參考點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，以抵消長期漂移。同時(shí)，也支持通過軟件指令進(jìn)行強(qiáng)制校準(zhǔn)，這在首次部署或需要精確校準(zhǔn)時(shí)非常有用。

3. 粉塵傳感器：Plantower PMS5003

選擇理由： Plantower PMS5003是一款廣受歡迎的激光散射式數(shù)字通用顆粒物傳感器，能夠精確測(cè)量PM1.0、PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度。它采用激光散射原理，通過檢測(cè)空氣中顆粒物對(duì)激光的散射光強(qiáng)度來計(jì)算顆粒物的數(shù)量和大小分布，進(jìn)而估算出質(zhì)量濃度。PMS5003具有高精度、快速響應(yīng)、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，并且輸出的是數(shù)字信號(hào)（UART），避免了模擬信號(hào)易受干擾的問題。其緊湊的尺寸和較低的功耗也使其非常適合便攜式或長期運(yùn)行的監(jiān)測(cè)設(shè)備。市場上廣泛的開源庫支持和成熟的應(yīng)用案例也降低了開發(fā)難度。

元器件功能與作用： PMS5003是監(jiān)測(cè)儀的另一個(gè)核心傳感器，專注于空氣中顆粒物的監(jiān)測(cè)。

• 激光散射原理： 傳感器內(nèi)部包含一個(gè)激光二極管作為光源，一個(gè)光電探測(cè)器和一套氣流通道。當(dāng)空氣中的顆粒物通過激光束時(shí)，會(huì)散射激光。散射光的強(qiáng)度與顆粒物的大小和數(shù)量有關(guān)。光電探測(cè)器接收散射光，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

• 數(shù)據(jù)處理與輸出： 傳感器內(nèi)部的微處理器對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理，通過復(fù)雜的算法分析散射光的波形和強(qiáng)度，從而區(qū)分不同粒徑的顆粒物，并計(jì)算出PM1.0、PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度（單位為$mu g/m^3$）。這些數(shù)據(jù)通過UART（串行通信）接口以數(shù)據(jù)幀的形式輸出。

• UART通信： PMS5003通過UART接口與Arduino Nano RP2040 Connect進(jìn)行通信。微控制器發(fā)送讀取指令，傳感器則以預(yù)定義的數(shù)據(jù)幀格式返回PM數(shù)據(jù)。需要注意的是，RP2040有多個(gè)硬件UART接口，可以分配一個(gè)專門用于PMS5003，以確保通信的穩(wěn)定性和效率。

• 風(fēng)扇與氣流： 傳感器內(nèi)置了一個(gè)小型風(fēng)扇，用于主動(dòng)抽取環(huán)境空氣通過測(cè)量腔，確保測(cè)量區(qū)域的空氣樣本具有代表性，并提高響應(yīng)速度。

4. 溫濕度傳感器：Bosch BME280

選擇理由： 盡管SCD40內(nèi)置了溫濕度傳感器，但為了提高整體系統(tǒng)的冗余性和測(cè)量精度，或者在某些CO2傳感器不帶T/H功能的情況下，額外集成一個(gè)獨(dú)立的溫濕度傳感器是明智的選擇。Bosch BME280是一款高精度、低功耗的數(shù)字式環(huán)境傳感器，能夠同時(shí)測(cè)量溫度、濕度和氣壓。其溫度測(cè)量精度可達(dá)$pm0.5^circ C$，濕度精度可達(dá)$pm3%RH，氣壓精度可達(dá)pm1.0 hPa$。BME280支持I2C和SPI兩種通信接口，與Arduino Nano RP2040 Connect的I2C接口兼容，易于集成。其小尺寸和低功耗使其成為理想的選擇。在本項(xiàng)目中，BME280的數(shù)據(jù)可以作為CO2傳感器數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)妮o助參考，或者用于獨(dú)立顯示環(huán)境溫濕度信息。

元器件功能與作用： BME280主要用于提供精確的環(huán)境溫度、濕度和氣壓數(shù)據(jù)。

• MEMS技術(shù)： BME280采用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)制造，內(nèi)部集成了多個(gè)微型傳感器元件。

• 溫度測(cè)量： 通過熱敏電阻原理測(cè)量溫度。

• 濕度測(cè)量： 通過電容式感應(yīng)原理測(cè)量濕度，感應(yīng)元件的介電常數(shù)隨濕度變化。

• 氣壓測(cè)量： 通過壓阻式原理測(cè)量氣壓，感應(yīng)元件的電阻隨壓力變化。

• I2C/SPI通信： 通過I2C總線與Arduino Nano RP2040 Connect進(jìn)行通信，提供數(shù)字化的溫濕度和氣壓數(shù)據(jù)。

• 數(shù)據(jù)補(bǔ)償： BME280內(nèi)部集成了復(fù)雜的補(bǔ)償算法，可以根據(jù)傳感器在不同溫度和壓力下的特性進(jìn)行校準(zhǔn)，確保輸出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

5. 顯示模塊：0.96英寸OLED顯示屏 (SSD1306控制器)

選擇理由： 0.96英寸OLED顯示屏（通常采用SSD1306控制器）是小型電子項(xiàng)目中常用的顯示解決方案。其主要優(yōu)勢(shì)在于：

• 自發(fā)光： OLED像素自發(fā)光，無需背光，因此功耗極低，且在黑暗環(huán)境中具有出色的對(duì)比度。

• 高對(duì)比度與廣視角： 提供了極高的對(duì)比度和近乎180度的視角，使得數(shù)據(jù)顯示清晰可見。

• 緊湊尺寸： 0.96英寸的尺寸非常適合集成到小型化的監(jiān)測(cè)儀外殼中。

• I2C通信： 大多數(shù)0.96英寸OLED模塊都支持I2C通信，僅需兩根數(shù)據(jù)線（SDA、SCL）即可與微控制器連接，大大簡化了布線。

• 易于編程： 有大量成熟的Arduino庫（如Adafruit GFX庫和Adafruit SSD1306庫）支持，使得圖形和文本顯示編程變得簡單。

元器件功能與作用： OLED顯示屏是用戶與監(jiān)測(cè)儀交互的主要界面。

• 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示： 用于實(shí)時(shí)顯示CO2濃度（ppm）、PM2.5/PM10濃度（mug/m3）、溫度（^circ C）、濕度（）以及設(shè)備狀態(tài)（如Wi-Fi連接狀態(tài)、IP地址等）。

• 用戶反饋： 提供直觀的視覺反饋，例如當(dāng)CO2或PM2.5濃度超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)，可以通過改變顯示顏色、閃爍文本或顯示警告圖標(biāo)來提示用戶。

• 菜單/配置界面（可選）： 如果需要更復(fù)雜的用戶交互，OLED也可以作為簡單的菜單系統(tǒng)，允許用戶查看歷史數(shù)據(jù)或更改設(shè)置。

6. 電源管理與輔助元器件

選擇理由與功能： 穩(wěn)定的電源是任何電子設(shè)備可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。

• USB-C供電： Arduino Nano RP2040 Connect通過USB-C接口供電，可以直接連接到USB充電器、移動(dòng)電源或電腦USB端口。USB-C接口支持更高的電流傳輸，且正反可插，方便用戶使用。

• AMS1117-3.3V LDO穩(wěn)壓器（可選）： 盡管Arduino Nano RP2040 Connect板載了3.3V穩(wěn)壓器，但如果某些傳感器（如PMS5003）需要更穩(wěn)定的3.3V電源，或者需要為多個(gè)傳感器提供獨(dú)立電源，可以考慮額外使用AMS1117-3.3V等低壓差線性穩(wěn)壓器。它能將5V輸入穩(wěn)定在3.3V輸出，為傳感器提供純凈的電源。

• 濾波電容： 在電源輸入端和每個(gè)傳感器的電源引腳附近放置0.1$mu F和10mu F$等不同容量的陶瓷電容和電解電容，用于濾除電源噪聲，穩(wěn)定電源電壓，防止瞬態(tài)電流波動(dòng)對(duì)傳感器讀數(shù)造成干擾。

• 限流電阻： 用于LED指示燈，保護(hù)LED不被過大電流燒毀，并控制其亮度。

• 上拉電阻： 對(duì)于I2C總線，SDA和SCL線需要連接到VCC的上拉電阻（通常為4.7k$Omega或10kOmega$）。這是I2C協(xié)議的要求，確保總線在空閑時(shí)保持高電平，并允許設(shè)備進(jìn)行開漏輸出。

• 按鈕： 用于用戶交互，例如切換顯示模式、手動(dòng)校準(zhǔn)傳感器或觸發(fā)其他功能。

• 排針/連接器： 用于連接傳感器模塊和外部電源。選擇合適的間距和數(shù)量的排針，方便模塊化連接和維護(hù)。例如，JST連接器可以用于PMS5003，因?yàn)樗枰粋€(gè)穩(wěn)定的連接。

• LED指示燈： 用于提供視覺反饋，例如電源指示、Wi-Fi連接狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)（綠色表示正常，紅色表示超標(biāo)）。

• 蜂鳴器（可選）： 用于提供聲音報(bào)警，當(dāng)CO2或PM2.5濃度超過危險(xiǎn)閾值時(shí)發(fā)出警告。

電路原理設(shè)計(jì)

電路原理設(shè)計(jì)是項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵一步，它定義了各個(gè)元器件之間的電氣連接方式。清晰、合理的電路設(shè)計(jì)能夠確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，并為后續(xù)的PCB布局提供準(zhǔn)確的指導(dǎo)。本節(jié)將詳細(xì)闡述Arduino Nano RP2040 Connect與各個(gè)傳感器及模塊的連接細(xì)節(jié)。

1. Arduino Nano RP2040 Connect 引腳分配：

在設(shè)計(jì)電路時(shí)，合理分配Arduino Nano RP2040 Connect的引腳至關(guān)重要。RP2040擁有豐富的GPIO引腳，支持多種通信協(xié)議。

• I2C總線：

• SDA (數(shù)據(jù)線)：連接到Arduino Nano RP2040 Connect的A4引腳（或任何可用的I2C SDA引腳）。

• SCL (時(shí)鐘線)：連接到Arduino Nano RP2040 Connect的A5引腳（或任何可用的I2C SCL引腳）。

• 連接設(shè)備： SCD40 CO2傳感器、BME280溫濕度傳感器、0.96英寸OLED顯示屏。所有這些設(shè)備都將并聯(lián)到同一I2C總線上，通過各自的I2C地址進(jìn)行區(qū)分。

• 上拉電阻： 在SDA和SCL線上各連接一個(gè)4.7k$Omega或10kOmega$的上拉電阻至3.3V電源。這些上拉電阻通常集成在傳感器模塊上，但如果模塊沒有，則需要在PCB上添加。

• UART總線：

• RX (接收線)：連接到Arduino Nano RP2040 Connect的D0引腳（或任何可用的硬件UART RX引腳，例如GP0）。

• TX (發(fā)送線)：連接到Arduino Nano RP2040 Connect的D1引腳（或任何可用的硬件UART TX引腳，例如GP1）。

• 連接設(shè)備： PMS5003激光粉塵傳感器。PMS5003的TX引腳連接到Arduino的RX引腳，PMS5003的RX引腳連接到Arduino的TX引腳。

• 通用數(shù)字I/O (GPIO) 引腳：

• LED指示燈： 例如，將一個(gè)綠色LED連接到D2引腳（通過限流電阻），用于指示系統(tǒng)正常運(yùn)行或Wi-Fi連接成功；將一個(gè)紅色LED連接到D3引腳（通過限流電阻），用于指示CO2或PM2.5濃度超標(biāo)報(bào)警。

• 按鈕： 將一個(gè)按鈕連接到D4引腳，另一端接地。在D4引腳內(nèi)部啟用上拉電阻，當(dāng)按鈕按下時(shí)，引腳電平變?yōu)榈碗娖?。該按鈕可用于觸發(fā)手動(dòng)校準(zhǔn)或切換顯示模式。

• 蜂鳴器（可選）： 如果使用蜂鳴器，可以將其連接到D5引腳（通過限流電阻，如果是無源蜂鳴器需要驅(qū)動(dòng)電路）。

• 電源引腳：

• 5V： Arduino Nano RP2040 Connect的5V引腳通常由USB供電，可用于為PMS5003供電。

• 3.3V： Arduino Nano RP2040 Connect的3.3V引腳由板載穩(wěn)壓器提供，可用于為SCD40、BME280和OLED供電。

• GND： 所有設(shè)備的GND引腳都連接到Arduino Nano RP2040 Connect的GND引腳，形成共同地。

2. 各模塊詳細(xì)連接：

a. SCD40 CO2傳感器連接：

• SCD40 VCC rightarrow Arduino 3.3V

• SCD40 GND rightarrow Arduino GND

• SCD40 SDA rightarrow Arduino A4 (SDA)

• SCD40 SCL rightarrow Arduino A5 (SCL)

• 注意： 檢查SCD40模塊是否自帶I2C上拉電阻。如果未帶，則需要在SDA和SCL線上各串聯(lián)一個(gè)4.7k$Omega或10kOmega$電阻到3.3V。

b. PMS5003 激光粉塵傳感器連接：

• PMS5003 VCC rightarrow Arduino 5V

• PMS5003 GND rightarrow Arduino GND

• PMS5003 TXD rightarrow Arduino RX (D0 或 GP1)

• PMS5003 RXD rightarrow Arduino TX (D1 或 GP0)

• PMS5003 SET rightarrow Arduino 數(shù)字引腳（例如D6，用于控制傳感器休眠/喚醒，可選）

• PMS5003 RST rightarrow Arduino 數(shù)字引腳（例如D7，用于復(fù)位傳感器，可選）

• 注意： PMS5003通常工作在3.3V或5V邏輯電平。Arduino Nano RP2040 Connect的GPIO引腳是3.3V邏輯。如果PMS5003是5V邏輯，則需要在其TXD和RXD線上使用邏輯電平轉(zhuǎn)換器，以保護(hù)RP2040的引腳。然而，大多數(shù)PMS5003模塊的UART接口是兼容3.3V邏輯的，因此通常可以直接連接。

c. BME280 溫濕度傳感器連接：

• BME280 VCC rightarrow Arduino 3.3V

• BME280 GND rightarrow Arduino GND

• BME280 SDA rightarrow Arduino A4 (SDA)

• BME280 SCL rightarrow Arduino A5 (SCL)

• 注意： 與SCD40類似，檢查BME280模塊是否自帶I2C上拉電阻。

d. 0.96英寸OLED顯示屏連接：

• OLED VCC rightarrow Arduino 3.3V

• OLED GND rightarrow Arduino GND

• OLED SDA rightarrow Arduino A4 (SDA)

• OLED SCL rightarrow Arduino A5 (SCL)

• 注意： OLED模塊通常自帶I2C上拉電阻。

e. LED指示燈連接：

• LED正極 rightarrow 限流電阻（例如220$Omega$） rightarrow Arduino 數(shù)字引腳（D2/D3）

• LED負(fù)極 rightarrow Arduino GND

• 限流電阻計(jì)算： 假設(shè)LED正向電壓為2V，正向電流為10mA。對(duì)于3.3V供電的Arduino引腳，電阻值R = (3.3V - 2V) / 0.01A = 130$Omega$。實(shí)際中可選擇150$Omega或220Omega$。

f. 按鈕連接：

• 按鈕一端 rightarrow Arduino 數(shù)字引腳（D4）

• 按鈕另一端 rightarrow Arduino GND

• 注意： 在Arduino代碼中，將D4引腳設(shè)置為INPUT_PULLUP模式，這樣當(dāng)按鈕未按下時(shí)，引腳通過內(nèi)部上拉電阻保持高電平，按下時(shí)則拉低至GND。

3. 電源濾波：

在電路設(shè)計(jì)中，電源濾波是必不可少的一環(huán)，它能有效抑制電源線上的高頻噪聲，確保傳感器和微控制器獲得穩(wěn)定的供電。

• 在Arduino Nano RP2040 Connect的5V和3.3V電源輸入端附近，以及每個(gè)傳感器模塊的電源輸入端附近，并聯(lián)0.1$mu F的陶瓷電容和10mu F的電解電容。0.1mu F電容用于濾除高頻噪聲，而10mu F$電容則用于濾除低頻噪聲和提供瞬態(tài)電流。

4. 整體電路框圖（概念性）：

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                  |      Arduino Nano RP2040 Connect      |
                  |                                   |
                  |  USB-C (5V Power Input)           |
                  |                                   |
                  |  5V  <----------------------------+
                  |  3.3V <----------------------------+
                  |  GND <-----------------------------+
                  |                                   |
                  |  A4 (SDA) <------------------------+-------------------+-------------------+
                  |  A5 (SCL) <------------------------+-------------------+-------------------+
                  |                                   |                   |                   |
                  |  D0 (RX) <-------------------------+                   |                   |
                  |  D1 (TX) <-------------------------+                   |                   |
                  |                                   |                   |                   |
                  |  D2 (Green LED) <------------------+                   |                   |
                  |  D3 (Red LED) <--------------------+                   |                   |
                  |  D4 (Button) <---------------------+                   |                   |
                  |  D5 (Buzzer, Optional) <-----------+                   |                   |
                  +-----------------------------------+                   |                   |
                                |                                       |                   |
                                |                                       |                   |
                                |                                       |                   |
                                |                                       |                   |
             +------------------+------------------+       +------------+------------+       +------------+------------+
             | PMS5003 Dust Sensor           |       | SCD40 CO2 Sensor        |       | BME280 T/H Sensor       |
             |  VCC (5V)                       |       |  VCC (3.3V)             |       |  VCC (3.3V)             |
             |  GND                            |       |  GND                    |       |  GND                    |
             |  TXD <--------------------------+       |  SDA <------------------+       |  SDA <------------------+
             |  RXD <--------------------------+       |  SCL <------------------+       |  SCL <------------------+
             +---------------------------------+       +-------------------------+       +-------------------------+
                                                                                                        |
                                                                                                        |
                                                                                                        |
                                                                                              +-----------+-----------+
                                                                                              | 0.96" OLED Display      |
                                                                                              |  VCC (3.3V)             |
                                                                                              |  GND                    |
                                                                                              |  SDA <------------------+
                                                                                              |  SCL <------------------+
                                                                                              +-------------------------+

重要提示： 在實(shí)際連接時(shí)，務(wù)必仔細(xì)核對(duì)每個(gè)模塊的引腳定義，特別是VCC、GND、SDA、SCL、TX、RX等，以避免接錯(cuò)導(dǎo)致?lián)p壞。對(duì)于I2C總線，確保所有設(shè)備的I2C地址不沖突。如果存在地址沖突，需要調(diào)整其中一個(gè)設(shè)備的地址（如果支持）或使用I2C多路復(fù)用器。

PCB布局與設(shè)計(jì)

PCB（Printed Circuit Board，印刷電路板）是電子產(chǎn)品的物理載體，其設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響到產(chǎn)品的性能、可靠性和制造成本。一個(gè)優(yōu)秀的PCB布局能夠最大程度地減少信號(hào)干擾、確保電源完整性、優(yōu)化散熱，并方便組裝與維護(hù)。本節(jié)將詳細(xì)闡述PCB布局與設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵考慮因素和策略。

1. 設(shè)計(jì)軟件選擇

本項(xiàng)目推薦使用以下免費(fèi)或開源的PCB設(shè)計(jì)軟件：

• KiCad： 功能強(qiáng)大、開源免費(fèi)，擁有完整的原理圖繪制、PCB布局、3D視圖和Gerber文件生成功能。社區(qū)活躍，資源豐富，是專業(yè)和業(yè)余愛好者的理想選擇。

• Eagle (Autodesk Eagle)： 另一款廣泛使用的PCB設(shè)計(jì)軟件，免費(fèi)版有尺寸和層數(shù)限制，但對(duì)于本項(xiàng)目這樣的雙層板設(shè)計(jì)通常足夠。

2. 板層結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目建議采用雙層PCB設(shè)計(jì)。

• 頂層 (Top Layer)： 主要用于放置元器件和布線。

• 底層 (Bottom Layer)： 主要用于布線，尤其適合作為大面積的地平面或電源平面，以提供良好的信號(hào)回流路徑和電源完整性。

• 優(yōu)勢(shì)： 雙層板成本低廉，制造工藝成熟，易于調(diào)試，對(duì)于本項(xiàng)目這樣的復(fù)雜度而言是最佳選擇。

3. 元器件布局原則

元器件布局是PCB設(shè)計(jì)的第一步，也是最重要的一步。合理的布局能夠?yàn)楹罄m(xù)的布線奠定良好基礎(chǔ)。

• 功能分區(qū)： 將具有相似功能或相互關(guān)聯(lián)的元器件（如電源模塊、數(shù)字電路、模擬電路、傳感器區(qū)域）進(jìn)行分區(qū)放置。例如，將CO2傳感器、灰塵傳感器和溫濕度傳感器放置在板子的同一區(qū)域，并盡可能遠(yuǎn)離數(shù)字電路和無線模塊，以減少相互干擾。

• 核心器件居中： 將Arduino Nano RP2040 Connect放置在PCB的中心位置，方便所有外圍傳感器和模塊的連接。

• 接口優(yōu)先： USB-C接口、傳感器連接器、調(diào)試接口等應(yīng)放置在PCB的邊緣，方便用戶連接和操作。USB-C接口應(yīng)放置在易于插拔的位置。

• 電源就近： 濾波電容應(yīng)盡可能靠近其所服務(wù)的IC（如Arduino Nano RP2040 Connect的電源引腳、SCD40的電源引腳），以最大程度地發(fā)揮濾波效果。

• 散熱考慮： 對(duì)于可能發(fā)熱的元器件（如穩(wěn)壓器，盡管本項(xiàng)目中功耗不高），應(yīng)確保其周圍有足夠的空間進(jìn)行散熱，或在底層鋪銅作為散熱區(qū)域。

• 機(jī)械尺寸： 考慮外殼的尺寸和形狀，確保PCB能夠順利安裝，并預(yù)留螺絲孔位。

• 信號(hào)流向： 按照信號(hào)流動(dòng)的方向進(jìn)行布局，例如，從傳感器到微控制器，再到顯示屏或無線模塊。

4. 布線策略

布線是PCB設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)，直接影響到信號(hào)完整性、電磁兼容性（EMC）和電源完整性。

• 電源和地線：

• 地平面 (Ground Plane)： 在底層鋪設(shè)大面積的地平面，并確保所有GND引腳都連接到這個(gè)地平面。地平面能夠提供低阻抗的信號(hào)回流路徑，有效抑制噪聲，提高EMC性能。

• 電源線： 關(guān)鍵電源線（如5V和3.3V）應(yīng)使用較寬的走線，以降低阻抗和電壓降。可以考慮在頂層或底層鋪設(shè)電源平面（Power Plane），為元器件提供穩(wěn)定的供電。

• 去耦電容： 每個(gè)IC的電源引腳附近都應(yīng)放置去耦電容（0.1$mu F$），并盡可能靠近引腳，以濾除高頻噪聲。

• 信號(hào)線：

• 短而直： 信號(hào)線應(yīng)盡可能短且直，減少彎曲，以降低信號(hào)衰減和反射。

• 避免銳角： 走線應(yīng)避免90度銳角，使用45度角或弧線過渡，以減少信號(hào)反射和阻抗不連續(xù)。

• 差分信號(hào)： 如果有高速差分信號(hào)（本項(xiàng)目中沒有），應(yīng)采用等長、等寬、緊密耦合的差分對(duì)走線。

• I2C總線： SDA和SCL線應(yīng)并行走線，并確保有良好的地平面作為回流路徑。上拉電阻應(yīng)放置在靠近I2C主設(shè)備（Arduino）或總線末端的位置。

• UART總線： RX和TX線應(yīng)避免與高速數(shù)字信號(hào)線并行過長，以防止串?dāng)_。

• 避免環(huán)路： 盡量避免形成大的電流環(huán)路，特別是電源和地線環(huán)路，因?yàn)檫@會(huì)產(chǎn)生電磁輻射和噪聲。

• 過孔 (Vias)：

• 最小化使用： 盡量減少信號(hào)線上的過孔數(shù)量，因?yàn)槊總€(gè)過孔都會(huì)引入額外的寄生電感和電容。

• 合理放置： 過孔應(yīng)放置在不影響信號(hào)完整性的位置。

• 電源/地過孔： 電源和地線可以適當(dāng)使用多個(gè)過孔連接到電源/地平面，以降低阻抗。

• 絲印層 (Silkscreen Layer)：

• 清晰標(biāo)注元器件位號(hào)、極性、接口名稱、公司Logo等信息，方便組裝和調(diào)試。

5. 接口與連接器

• USB-C接口： 用于供電和固件燒錄。

• 傳感器連接器： 為每個(gè)傳感器模塊（SCD40、PMS5003、BME280、OLED）預(yù)留合適的排針或JST連接器。對(duì)于PMS5003，建議使用帶有鎖扣的JST連接器，以確保連接的穩(wěn)定性。

• 調(diào)試接口： 預(yù)留SWD（Serial Wire Debug）接口或UART調(diào)試接口，方便固件調(diào)試。

• 擴(kuò)展接口（可選）： 可以預(yù)留一些通用GPIO引腳的排針，方便未來功能擴(kuò)展或連接其他模塊。

6. 尺寸與外形

• 緊湊設(shè)計(jì)： 考慮到便攜性和集成到外殼的需求，PCB應(yīng)盡可能緊湊。

• 外殼適配： 在設(shè)計(jì)PCB尺寸時(shí)，應(yīng)提前考慮所選外殼的內(nèi)部空間和安裝方式，確保PCB能夠完美匹配。

• 螺絲孔： 預(yù)留合適的螺絲孔，用于將PCB固定在外殼中。

PCB設(shè)計(jì)流程簡述：

1. 創(chuàng)建項(xiàng)目： 在KiCad或Eagle中創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目。

2. 繪制原理圖： 根據(jù)前面設(shè)計(jì)的電路原理圖，在軟件中繪制原理圖。

3. 生成網(wǎng)表： 從原理圖生成網(wǎng)表文件，這將作為PCB布局的輸入。

4. 導(dǎo)入網(wǎng)表到PCB布局： 將網(wǎng)表導(dǎo)入到PCB布局編輯器中。

5. 導(dǎo)入封裝： 為原理圖中的每個(gè)元器件分配正確的PCB封裝（Footprint）。

6. 布局元器件： 按照上述布局原則，將元器件放置在PCB板上。

7. 布線： 按照上述布線策略，連接各個(gè)元器件的引腳。

8. DRC (設(shè)計(jì)規(guī)則檢查)： 運(yùn)行DRC檢查，確保布線符合制造規(guī)范和電氣規(guī)則（如線寬、間距、過孔尺寸等）。

9. Gerber文件生成： 生成制造所需的Gerber文件（包括銅層、阻焊層、絲印層、鉆孔文件等）。

軟件/固件開發(fā)

軟件（固件）是監(jiān)測(cè)儀的靈魂，它負(fù)責(zé)控制硬件、采集數(shù)據(jù)、處理信息、顯示結(jié)果并進(jìn)行通信。本節(jié)將詳細(xì)介紹基于Arduino IDE的固件開發(fā)過程，包括開發(fā)環(huán)境、庫文件選擇、數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)可視化、無線傳輸以及報(bào)警功能等。

1. 開發(fā)環(huán)境選擇

• Arduino IDE： 最直觀和易于上手的開發(fā)環(huán)境。適用于初學(xué)者和快速原型開發(fā)。通過安裝相應(yīng)的板級(jí)支持包（如Arduino Mbed OS RP2040 Boards）和庫文件，即可開始開發(fā)。

• PlatformIO (推薦)： 一個(gè)功能更強(qiáng)大、更專業(yè)的嵌入式開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，集成在VS Code中。它支持多種開發(fā)板和框架，提供更靈活的庫管理、代碼自動(dòng)補(bǔ)全、調(diào)試功能等。對(duì)于更復(fù)雜的項(xiàng)目和團(tuán)隊(duì)協(xié)作，PlatformIO是更好的選擇。

本項(xiàng)目將以Arduino IDE為例進(jìn)行說明，但其核心邏輯和庫文件在PlatformIO中同樣適用。

2. 庫文件選擇與安裝

為了簡化傳感器通信和顯示屏驅(qū)動(dòng)，我們需要安裝以下Arduino庫：

• Adafruit Unified Sensor: 許多Adafruit傳感器庫的依賴。

• Adafruit SCD4X Library: 用于與Sensirion SCD40 CO2傳感器通信。

• 選擇理由： Adafruit庫通常質(zhì)量高，文檔完善，易于使用。該庫封裝了SCD40的I2C通信協(xié)議，提供了讀取CO2、溫度、濕度以及進(jìn)行校準(zhǔn)的API。

• Adafruit PMSA003I Library (或類似的PMS系列庫): 用于與Plantower PMS5003粉塵傳感器通信。

• 選擇理由： 該庫能夠解析PMS5003通過UART發(fā)送的復(fù)雜數(shù)據(jù)幀，提取PM1.0、PM2.5、PM10等數(shù)據(jù)，并處理傳感器休眠/喚醒等操作。

• Adafruit BME280 Library: 用于與Bosch BME280溫濕度氣壓傳感器通信。

• 選擇理由： 提供了方便的API來讀取溫度、濕度和氣壓數(shù)據(jù)，并支持I2C和SPI接口。

• Adafruit GFX Library: Adafruit顯示庫的通用圖形核心庫。

• Adafruit SSD1306 Library: 用于驅(qū)動(dòng)0.96英寸OLED顯示屏。

• 選擇理由： 提供了豐富的API來繪制文本、圖形、位圖等，并支持I2C通信。

• WiFiNINA Library: Arduino Nano RP2040 Connect內(nèi)置NINA-W102模塊的Wi-Fi庫。

• 選擇理由： 提供了連接Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)行HTTP/HTTPS請(qǐng)求、MQTT通信等功能，是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳的核心。

• PubSubClient Library: 用于實(shí)現(xiàn)MQTT協(xié)議，將數(shù)據(jù)發(fā)布到MQTT代理服務(wù)器。

• 選擇理由： 這是一個(gè)輕量級(jí)的MQTT客戶端庫，易于在Arduino平臺(tái)上使用。

安裝方法： 在Arduino IDE中，通過“工具” -> “管理庫...” 搜索并安裝上述庫。

3. 數(shù)據(jù)采集與處理

這是固件的核心功能之一。

• 傳感器初始化： 在setup()函數(shù)中，初始化所有I2C和UART設(shè)備。確保I2C總線正常工作，并且每個(gè)傳感器都能被正確識(shí)別。

• 數(shù)據(jù)讀取周期： 傳感器數(shù)據(jù)不應(yīng)以過高的頻率讀取，以避免不必要的功耗和數(shù)據(jù)冗余。例如，CO2和溫濕度數(shù)據(jù)可以每5秒讀取一次，而PM2.5數(shù)據(jù)可以每2秒讀取一次。

• SCD40數(shù)據(jù)讀取：

• 調(diào)用scd4x.readMeasurement()函數(shù)獲取CO2、溫度和濕度數(shù)據(jù)。

• 檢查返回值以確保讀取成功。

• 溫度/濕度補(bǔ)償： SCD40內(nèi)部已進(jìn)行溫度和濕度補(bǔ)償，直接讀取的數(shù)據(jù)通常已是補(bǔ)償后的結(jié)果。但如果使用其他CO2傳感器（如MH-Z19B），則需要根據(jù)BME280或SCD40內(nèi)置的溫度濕度數(shù)據(jù)，手動(dòng)編寫補(bǔ)償算法，以提高CO2讀數(shù)的準(zhǔn)確性。

• PMS5003數(shù)據(jù)讀?。?/strong>

• PMS5003通常以連續(xù)模式輸出數(shù)據(jù)，或者在查詢模式下發(fā)送指令后輸出。建議使用連續(xù)模式，通過UART中斷或定時(shí)器輪詢來讀取串口緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)幀。

• 使用PMSA003I庫的read()函數(shù)解析數(shù)據(jù)幀，提取PM1.0、PM2.5、PM10的質(zhì)量濃度。

• 數(shù)據(jù)校驗(yàn)： PMS5003數(shù)據(jù)幀包含校驗(yàn)和，在解析數(shù)據(jù)時(shí)務(wù)必進(jìn)行校驗(yàn)，以確保數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性。

• BME280數(shù)據(jù)讀取：

• 調(diào)用bme.readTemperature()、bme.readHumidity()、bme.readPressure()函數(shù)獲取數(shù)據(jù)。

• 這些數(shù)據(jù)可以用于輔助CO2傳感器補(bǔ)償（如果CO2傳感器不帶補(bǔ)償功能），或作為獨(dú)立的環(huán)境參數(shù)顯示。

• 數(shù)據(jù)濾波： 對(duì)于傳感器數(shù)據(jù)，可以應(yīng)用簡單的移動(dòng)平均濾波或指數(shù)平滑濾波，以減少瞬時(shí)波動(dòng)，使顯示數(shù)據(jù)更穩(wěn)定。

4. 數(shù)據(jù)可視化（OLED顯示）

• 顯示初始化： 在setup()中初始化OLED顯示屏，設(shè)置I2C地址和分辨率。

• 顯示更新： 在loop()函數(shù)中，定時(shí)更新顯示內(nèi)容。

• 布局設(shè)計(jì)： 合理規(guī)劃OLED屏幕的布局，例如，頂部顯示CO2濃度，中間顯示PM2.5/PM10，底部顯示溫度和濕度，并預(yù)留狀態(tài)信息區(qū)域。

• 字體和大?。?/strong> 選擇合適的字體和大小，確保數(shù)據(jù)顯示清晰易讀。Adafruit GFX庫支持多種字體。

• 狀態(tài)信息： 顯示W(wǎng)i-Fi連接狀態(tài)（已連接/未連接）、IP地址、數(shù)據(jù)上傳狀態(tài)等。

• 報(bào)警提示： 當(dāng)CO2或PM2.5濃度超過閾值時(shí)，可以通過改變文本顏色（例如紅色）、閃爍文本或顯示警告圖標(biāo)來提示用戶。

5. 數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)（Wi-Fi）

利用Arduino Nano RP2040 Connect的Wi-Fi功能，將傳感器數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

• Wi-Fi連接：

• 在setup()中，配置Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)SSID和密碼。

• 使用WiFi.begin(ssid, password)連接到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。

• 循環(huán)檢查連接狀態(tài)，直到成功連接。

• 連接成功后，可以通過WiFi.localIP()獲取設(shè)備的IP地址并顯示在OLED上。

• 云平臺(tái)選擇：

• ThingSpeak： 簡單易用，免費(fèi)，適合物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)可視化。通過HTTP POST請(qǐng)求將數(shù)據(jù)發(fā)送到指定通道。

• Adafruit IO： 另一個(gè)流行的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，提供儀表盤、數(shù)據(jù)觸發(fā)器等功能。支持MQTT和HTTP。

• 自定義MQTT服務(wù)器： 如果有自己的服務(wù)器，可以使用PubSubClient庫連接到MQTT代理，發(fā)布傳感器數(shù)據(jù)到特定主題。

• 數(shù)據(jù)上傳格式：

• 通常以JSON格式或URL編碼的鍵值對(duì)形式發(fā)送數(shù)據(jù)。

• 例如，對(duì)于ThingSpeak，數(shù)據(jù)通過HTTP GET或POST請(qǐng)求發(fā)送，參數(shù)名對(duì)應(yīng)ThingSpeak通道的字段。

• 上傳頻率： 根據(jù)云平臺(tái)的限制和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性需求，設(shè)置合理的數(shù)據(jù)上傳頻率（例如每60秒上傳一次）。

• 錯(cuò)誤處理： 檢查Wi-Fi連接狀態(tài)和數(shù)據(jù)上傳結(jié)果。如果連接斷開或上傳失敗，嘗試重新連接或重試。

6. 報(bào)警功能

• 閾值設(shè)定：

• 良好：< 35 mug/m3
  

• 中度：35 - 75 mug/m3
  

• 污染：> 75 mug/m3
  

• 良好：< 800 ppm

• 一般：800 - 1200 ppm

• 較差：1200 - 2000 ppm

• 超標(biāo)：> 2000 ppm (需要通風(fēng))

• CO2：

• PM2.5：

• 這些閾值可以根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)或個(gè)人偏好進(jìn)行調(diào)整。

• 報(bào)警邏輯：

• 在loop()函數(shù)中，定期檢查CO2和PM2.5的當(dāng)前讀數(shù)是否超過預(yù)設(shè)的報(bào)警閾值。

• 如果超過閾值，則觸發(fā)視覺報(bào)警（例如紅色LED亮起，OLED顯示警告信息并閃爍）和/或聲音報(bào)警（蜂鳴器鳴響）。

• 當(dāng)濃度恢復(fù)到安全范圍時(shí)，解除報(bào)警。

• 報(bào)警模式： 可以設(shè)計(jì)不同的報(bào)警模式，例如：

• 連續(xù)報(bào)警： 只要超標(biāo)就一直報(bào)警。

• 間歇報(bào)警： 超標(biāo)后每隔一段時(shí)間報(bào)警一次。

• 靜音模式： 只顯示視覺報(bào)警。

7. 代碼結(jié)構(gòu)示例（偽代碼）

#include <WiFiNINA.h> // For Arduino Nano RP2040 Connect WiFi
#include <PubSubClient.h> // For MQTT (or use HTTPClient for ThingSpeak)
#include <Adafruit_SCD4x.h> // For SCD40 CO2 sensor
#include <Adafruit_PMSA003I.h> // For PMS5003 dust sensor
#include <Adafruit_BME280.h> // For BME280 T/H sensor
#include <Adafruit_GFX.h> // Core graphics library
#include <Adafruit_SSD1306.h> // For OLED display

// WiFi credentials
const char* ssid = "YOUR_WIFI_SSID";
const char* password = "YOUR_WIFI_PASSWORD";

// Cloud platform settings (e.g., MQTT)
const char* mqtt_server = "YOUR_MQTT_BROKER_IP_OR_DOMAIN";
const int mqtt_port = 1883;
const char* mqtt_user = "YOUR_MQTT_USERNAME";
const char* mqtt_password = "YOUR_MQTT_PASSWORD";
const char* mqtt_topic_co2 = "sensor/co2";
const char* mqtt_topic_pm25 = "sensor/pm25";
// ... other topics

// Sensor and display objects
Adafruit_SCD4x scd4x;
Adafruit_PMSA003I pmsa003i(&Serial1); // Use Serial1 for PMS5003
Adafruit_BME280 bme;
Adafruit_SSD1306 display(128, 64, &Wire, -1); // OLED with I2C

// WiFiClient and PubSubClient objects
WiFiClient espClient;
PubSubClient client(espClient);

// Pin definitions
const int GREEN_LED_PIN = 2;
const int RED_LED_PIN = 3;
const int BUTTON_PIN = 4;
const int BUZZER_PIN = 5; // Optional

// Global variables for sensor readings
float co2_ppm = 0;
float temp_c = 0;
float hum_rh = 0;
float pressure_hpa = 0;
float pm1_0 = 0;
float pm2_5 = 0;
float pm10 = 0;

unsigned long lastSensorReadTime = 0;
const long SENSOR_READ_INTERVAL = 5000; // 5 seconds
unsigned long lastDisplayUpdateTime = 0;
const long DISPLAY_UPDATE_INTERVAL = 1000; // 1 second
unsigned long lastUploadTime = 0;
const long UPLOAD_INTERVAL = 60000; // 60 seconds

// Alarm thresholds
const float CO2_ALARM_THRESHOLD = 1500; // ppm
const float PM25_ALARM_THRESHOLD = 75; // ug/m3

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  while (!Serial); // Wait for serial monitor to open

  pinMode(GREEN_LED_PIN, OUTPUT);
  pinMode(RED_LED_PIN, OUTPUT);
  pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP); // Use internal pull-up
  // pinMode(BUZZER_PIN, OUTPUT); // Optional

  // Initialize OLED display
  if (!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C)) { // Address 0x3C for 128x64
    Serial.println(F("SSD1306 allocation failed"));
    for (;;); // Don't proceed, loop forever
  }
  display.display();
  delay(2000);
  display.clearDisplay();
  display.setTextSize(1);
  display.setTextColor(SSD1306_WHITE);

  // Initialize SCD40 CO2 sensor
  if (!scd4x.begin()) {
    Serial.println("SCD40 sensor not found!");
    while (1);
  }
  Serial.println("SCD40 sensor found!");
  scd4x.startPeriodicMeasurement(); // Start continuous measurement

  // Initialize PMS5003 dust sensor (using Serial1)
  Serial1.begin(9600); // PMS5003 uses 9600 baud rate
  pmsa003i.begin(); // Initialize the PMSA003I object

  // Initialize BME280 T/H sensor
  if (!bme.begin(0x76)) { // I2C address 0x76 or 0x77
    Serial.println("Could not find a valid BME280 sensor, check wiring!");
    while (1);
  }

  // Connect to WiFi
  connectWiFi();

  // Setup MQTT client (if using MQTT)
  client.setServer(mqtt_server, mqtt_port);
  // client.setCallback(callback); // For receiving MQTT messages (optional)

  Serial.println("Setup complete.");
}

void loop() {
  // Check WiFi connection and reconnect if lost
  if (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    connectWiFi();
  }

  // Keep MQTT connection alive
  if (client.connected()) {
    client.loop();
  } else {
    reconnectMQTT();
  }

  // Read sensor data periodically
  if (millis() - lastSensorReadTime >= SENSOR_READ_INTERVAL) {
    readSensorData();
    lastSensorReadTime = millis();
  }

  // Update display periodically
  if (millis() - lastDisplayUpdateTime >= DISPLAY_UPDATE_INTERVAL) {
    updateDisplay();
    lastDisplayUpdateTime = millis();
  }

  // Upload data to cloud periodically
  if (millis() - lastUploadTime >= UPLOAD_INTERVAL) {
    uploadDataToCloud();
    lastUploadTime = millis();
  }

  // Check for button press (for manual calibration or mode change)
  if (digitalRead(BUTTON_PIN) == LOW) {
    delay(50); // Debounce
    if (digitalRead(BUTTON_PIN) == LOW) {
      handleButtonPress();
      while (digitalRead(BUTTON_PIN) == LOW); // Wait for button release
    }
  }

  // Check alarm conditions
  checkAlarms();
}

void connectWiFi() {
  Serial.print("Connecting to WiFi: ");
  Serial.println(ssid);
  display.clearDisplay();
  display.setCursor(0, 0);
  display.println("Connecting to WiFi...");
  display.display();

  WiFi.begin(ssid, password);
  int attempts = 0;
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED && attempts < 20) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
    attempts++;
  }

  if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
    Serial.println("
WiFi Connected!");
    Serial.print("IP Address: ");
    Serial.println(WiFi.localIP());
    digitalWrite(GREEN_LED_PIN, HIGH); // Green LED on for successful connection
  } else {
    Serial.println("
WiFi Connection Failed!");
    digitalWrite(GREEN_LED_PIN, LOW);
  }
}

void reconnectMQTT() {
  while (!client.connected()) {
    Serial.print("Attempting MQTT connection...");
    // Create a random client ID
    String clientId = "ArduinoClient-";
    clientId += String(random(0xffff), HEX);
    // Attempt to connect
    if (client.connect(clientId.c_str(), mqtt_user, mqtt_password)) {
      Serial.println("connected");
      // client.subscribe("sensor/commands"); // Subscribe to command topic (optional)
    } else {
      Serial.print("failed, rc=");
      Serial.print(client.state());
      Serial.println(" try again in 5 seconds");
      delay(5000);
    }
  }
}

void readSensorData() {
  // Read SCD40 data
  if (scd4x.dataReady()) {
    if (!scd4x.readMeasurement(co2_ppm, temp_c, hum_rh)) {
      Serial.println("Error reading SCD40 data!");
    } else {
      Serial.print("CO2: "); Serial.print(co2_ppm); Serial.print(" ppm, ");
      Serial.print("Temp: "); Serial.print(temp_c); Serial.print(" C, ");
      Serial.print("Hum: "); Serial.print(hum_rh); Serial.println(" %RH");
    }
  } else {
    Serial.println("SCD40 data not ready yet.");
  }

  // Read PMS5003 data
  PMSA003I_AQI_Data data;
  if (pmsa003i.read(&data)) {
    pm1_0 = data.PM1_0_standard;
    pm2_5 = data.PM2_5_standard;
    pm10 = data.PM10_standard;
    Serial.print("PM1.0: "); Serial.print(pm1_0); Serial.print(" ug/m3, ");
    Serial.print("PM2.5: "); Serial.print(pm2_5); Serial.print(" ug/m3, ");
    Serial.print("PM10: "); Serial.print(pm10); Serial.println(" ug/m3");
  } else {
    Serial.println("Error reading PMS5003 data!");
  }

  // Read BME280 data
  temp_c = bme.readTemperature(); // Overwrite if SCD40 temp is less accurate or for redundancy
  hum_rh = bme.readHumidity();
  pressure_hpa = bme.readPressure() / 100.0F; // Convert Pa to hPa
  Serial.print("BME280 Temp: "); Serial.print(temp_c); Serial.print(" C, ");
  Serial.print("BME280 Hum: "); Serial.print(hum_rh); Serial.print(" %RH, ");
  Serial.print("BME280 Pres: "); Serial.print(pressure_hpa); Serial.println(" hPa");
}

void updateDisplay() {
  display.clearDisplay();
  display.setCursor(0, 0);

  // CO2 display
  display.print("CO2: ");
  display.print(co2_ppm, 0);
  display.println(" ppm");

  // PM2.5 display
  display.print("PM2.5: ");
  display.print(pm2_5, 0);
  display.println(" ug/m3");

  // Temperature & Humidity
  display.print("Temp: ");
  display.print(temp_c, 1);
  display.print(" C");
  display.print(" Hum: ");
  display.print(hum_rh, 1);
  display.println(" %RH");

  // Status/IP (optional)
  display.setCursor(0, display.height() - 8); // Bottom line
  if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
    display.print("IP: ");
    display.println(WiFi.localIP());
  } else {
    display.println("WiFi Disconnected!");
  }

  display.display();
}

void uploadDataToCloud() {
  if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
    // Example for MQTT upload
    String co2_payload = String(co2_ppm, 0);
    client.publish(mqtt_topic_co2, co2_payload.c_str());

    String pm25_payload = String(pm2_5, 0);
    client.publish(mqtt_topic_pm25, pm25_payload.c_str());

    // You can also publish temperature, humidity, etc.
    // String temp_payload = String(temp_c, 1);
    // client.publish("sensor/temperature", temp_payload.c_str());

    Serial.println("Data uploaded to cloud.");

    // Example for ThingSpeak HTTP POST (uncomment and configure if using)
    /*
    WiFiClient client_http;
    const char* thingspeak_server = "api.thingspeak.com";
    String thingspeak_api_key = "YOUR_THINGSPEAK_WRITE_API_KEY";
    String postData = "api_key=" + thingspeak_api_key +
                      "&field1=" + String(co2_ppm, 0) +
                      "&field2=" + String(pm2_5, 0) +
                      "&field3=" + String(temp_c, 1) +
                      "&field4=" + String(hum_rh, 1);

    if (client_http.connect(thingspeak_server, 80)) {
      client_http.println("POST /update HTTP/1.1");
      client_http.println("Host: api.thingspeak.com");
      client_http.println("Content-Type: application/x-www-form-urlencoded");
      client_http.print("Content-Length: ");
      client_http.println(postData.length());
      client_http.println();
      client_http.println(postData);
      Serial.println("ThingSpeak data sent.");
      client_http.stop();
    } else {
      Serial.println("ThingSpeak connection failed.");
    }
    */
  } else {
    Serial.println("Cannot upload data, WiFi not connected.");
  }
}

void checkAlarms() {
  bool alarmActive = false;
  if (co2_ppm > CO2_ALARM_THRESHOLD) {
    Serial.println("CO2 ALARM! Concentration: " + String(co2_ppm) + " ppm");
    digitalWrite(RED_LED_PIN, HIGH); // Turn on red LED
    // tone(BUZZER_PIN, 1000); // Optional: activate buzzer
    alarmActive = true;
  } else if (pm2_5 > PM25_ALARM_THRESHOLD) {
    Serial.println("PM2.5 ALARM! Concentration: " + String(pm2_5) + " ug/m3");
    digitalWrite(RED_LED_PIN, HIGH); // Turn on red LED
    // tone(BUZZER_PIN, 1500); // Optional: activate buzzer
    alarmActive = true;
  } else {
    digitalWrite(RED_LED_PIN, LOW); // Turn off red LED
    // noTone(BUZZER_PIN); // Optional: deactivate buzzer
  }

  // You can add more complex alarm logic here, e.g., flashing LED, different buzzer patterns.
}

void handleButtonPress() {
  Serial.println("Button Pressed!");
  // Example: Toggle display mode, or trigger manual CO2 calibration
  // scd4x.forceRecalibration(400); // Force calibrate to 400ppm (requires fresh air)
  // display.clearDisplay();
  // display.setCursor(0, 0);
  // display.println("Calibrating CO2...");
  // display.display();
  // delay(5000); // Calibration takes time
}

8. 固件燒錄

• 將Arduino Nano RP2040 Connect通過USB-C線連接到電腦。

• 在Arduino IDE中，選擇正確的板卡（Tools -> Board -> Arduino Mbed OS RP2040 Boards -> Arduino Nano RP2040 Connect）和端口。

• 點(diǎn)擊“上傳”按鈕，將編譯好的固件燒錄到開發(fā)板。

校準(zhǔn)與測(cè)試

即使選擇了高精度的傳感器，校準(zhǔn)和系統(tǒng)測(cè)試也是確保監(jiān)測(cè)儀長期準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵步驟。

1. CO2傳感器校準(zhǔn)

• SCD40的自動(dòng)校準(zhǔn) (ASC - Automatic Self-Calibration)： SCD40傳感器內(nèi)置了ASC功能，它會(huì)根據(jù)傳感器在一段時(shí)間內(nèi)（通常是數(shù)天）的最低CO2讀數(shù)進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，假設(shè)傳感器在某個(gè)時(shí)段（例如夜間或周末）會(huì)暴露在新鮮空氣（約400 ppm CO2）中。為了使ASC有效，設(shè)備需要定期暴露在新鮮空氣中。這是最方便的校準(zhǔn)方式，但需要時(shí)間。

• 強(qiáng)制校準(zhǔn) (FRC - Forced Recalibration)： 當(dāng)傳感器已知處于特定CO2濃度（例如400 ppm的新鮮空氣）時(shí)，可以通過軟件指令進(jìn)行強(qiáng)制校準(zhǔn)。

• 步驟： 將監(jiān)測(cè)儀放置在通風(fēng)良好的室外環(huán)境至少5-10分鐘，確保CO2濃度穩(wěn)定在400 ppm左右。然后，通過按下按鈕觸發(fā)或通過串行端口發(fā)送命令，執(zhí)行scd4x.forceRecalibration(400)函數(shù)。這將強(qiáng)制傳感器將當(dāng)前環(huán)境的CO2濃度校準(zhǔn)為400 ppm。

• 建議： 首次使用時(shí)進(jìn)行一次FRC，之后依靠ASC進(jìn)行長期維護(hù)，并定期（例如每6-12個(gè)月）進(jìn)行一次FRC以確保精度。

2. 粉塵傳感器校準(zhǔn)

• PMS5003的校準(zhǔn)： 激光散射式粉塵傳感器通常在出廠時(shí)已經(jīng)過校準(zhǔn)。對(duì)于普通應(yīng)用，通常不需要用戶進(jìn)行額外的校準(zhǔn)。

• 對(duì)比測(cè)試： 如果需要更高精度，可以將自制監(jiān)測(cè)儀與一臺(tái)經(jīng)過專業(yè)校準(zhǔn)的參考級(jí)PM2.5監(jiān)測(cè)儀并排放置，在同一環(huán)境下運(yùn)行一段時(shí)間，對(duì)比兩者的讀數(shù)。如果存在系統(tǒng)性偏差，可以在軟件中對(duì)PMS5003的讀數(shù)進(jìn)行線性修正。

• 清潔維護(hù)： 長期使用后，PMS5003內(nèi)部的風(fēng)扇和激光腔可能會(huì)積聚灰塵，影響測(cè)量精度。定期（例如每3-6個(gè)月）使用氣吹或軟刷清潔傳感器進(jìn)出氣口和內(nèi)部風(fēng)扇，可以保持其性能。

3. 系統(tǒng)測(cè)試

• 功能測(cè)試：

• 上電測(cè)試： 檢查設(shè)備上電后是否正常啟動(dòng)，OLED顯示屏是否亮起并顯示初始化信息。

• 傳感器讀數(shù)： 檢查OLED顯示屏上是否實(shí)時(shí)顯示CO2、PM2.5、溫度、濕度數(shù)據(jù)，并觀察數(shù)據(jù)是否合理（例如，在新鮮空氣中CO2應(yīng)接近400 ppm）。

• Wi-Fi連接： 檢查Wi-Fi是否成功連接，IP地址是否顯示。嘗試斷開路由器電源，看設(shè)備是否能自動(dòng)重連。

• 數(shù)據(jù)上傳： 檢查云平臺(tái)（ThingSpeak/MQTT儀表盤）是否接收到數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)曲線是否正常更新。

• 報(bào)警功能： 模擬超標(biāo)環(huán)境（例如，對(duì)著CO2傳感器呼氣，或在PM2.5傳感器附近拍打灰塵），觀察紅色LED和蜂鳴器是否按預(yù)期觸發(fā)報(bào)警。

• 按鈕功能： 測(cè)試按鈕是否能觸發(fā)預(yù)設(shè)的功能（如校準(zhǔn)、模式切換）。

• 穩(wěn)定性測(cè)試：

• 讓設(shè)備連續(xù)運(yùn)行數(shù)小時(shí)或數(shù)天，觀察數(shù)據(jù)是否穩(wěn)定，是否存在異常波動(dòng)或設(shè)備死機(jī)現(xiàn)象。

• 在不同環(huán)境條件下（如溫度變化、濕度變化）測(cè)試設(shè)備的表現(xiàn)。

• 精度測(cè)試：

• 在已知CO2濃度和PM2.5濃度的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試（例如，使用標(biāo)準(zhǔn)氣體或在專業(yè)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中）。

• 與商業(yè)化的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估自制設(shè)備的測(cè)量誤差。

總結(jié)與展望

本項(xiàng)目詳細(xì)闡述了基于Arduino Nano RP2040 Connect的二氧化碳和灰塵監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程。通過精心選擇核心元器件，包括高精度的SCD40 CO2傳感器、可靠的PMS5003粉塵傳感器、輔助的BME280溫濕度傳感器以及清晰的OLED顯示屏，結(jié)合Arduino Nano RP2040 Connect強(qiáng)大的處理能力和內(nèi)置的無線通信功能，我們構(gòu)建了一個(gè)功能完善、性能優(yōu)良的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。從電路原理設(shè)計(jì)到PCB布局布線，再到詳細(xì)的固件開發(fā)和系統(tǒng)校準(zhǔn)測(cè)試，每一步都經(jīng)過了細(xì)致的考量，旨在提供一個(gè)穩(wěn)定、準(zhǔn)確且易于部署的解決方案。該監(jiān)測(cè)儀能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)CO2和PM2.5/PM10濃度，并通過OLED屏幕直觀顯示，同時(shí)通過Wi-Fi將數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)可視化，并在濃度超標(biāo)時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，有效提醒用戶改善室內(nèi)環(huán)境。

未來的改進(jìn)與展望：

盡管當(dāng)前設(shè)計(jì)已經(jīng)能夠滿足基本的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)需求，但仍有許多方面可以進(jìn)一步改進(jìn)和擴(kuò)展，以提升用戶體驗(yàn)和功能多樣性：

• 電源優(yōu)化： 探索使用低功耗模式和電池供電方案，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的便攜化和長時(shí)間獨(dú)立運(yùn)行。例如，集成鋰電池充電管理模塊和更高效的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

• 外殼設(shè)計(jì)： 設(shè)計(jì)一個(gè)美觀且功能性的3D打印或定制外殼，保護(hù)內(nèi)部電路，并提供良好的空氣流通通道，同時(shí)兼顧散熱和防塵。

• 更多傳感器集成：

• VOC傳感器： 集成揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）傳感器（如SGP30、CCS811），以監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣中的有害氣體。

• 甲醛傳感器： 對(duì)于新裝修的房屋，集成甲醛傳感器（如MQ-138、HM-1000）將非常有價(jià)值。

• 噪音傳感器： 增加噪音傳感器，提供更全面的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

• 本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)： 增加SD卡模塊，用于本地存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，以防網(wǎng)絡(luò)中斷或用戶需要離線數(shù)據(jù)分析。

• 用戶交互增強(qiáng)：

• 觸摸屏： 升級(jí)為彩色觸摸屏，提供更豐富的交互界面和數(shù)據(jù)圖表。

• 手機(jī)APP： 開發(fā)配套的手機(jī)應(yīng)用程序，通過藍(lán)牙或Wi-Fi直接連接設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)查看、歷史數(shù)據(jù)分析、報(bào)警設(shè)置和固件升級(jí)。

• 智能家居集成： 將監(jiān)測(cè)儀與智能家居系統(tǒng)（如Home Assistant、Google Home、Amazon Alexa）集成，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，例如當(dāng)CO2濃度過高時(shí)自動(dòng)開啟新風(fēng)系統(tǒng)或空氣凈化器。

• 機(jī)器學(xué)習(xí)/AI： 收集長期數(shù)據(jù)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析空氣質(zhì)量模式，預(yù)測(cè)潛在污染，并提供更智能的健康建議。

• 模塊化設(shè)計(jì)： 進(jìn)一步優(yōu)化PCB設(shè)計(jì)，使其更加模塊化，方便不同傳感器的插拔和更換，提高可維護(hù)性。

通過持續(xù)的迭代和創(chuàng)新，這款基于Arduino Nano RP2040 Connect的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀將能夠發(fā)展成為一個(gè)功能更加強(qiáng)大、應(yīng)用場景更加廣泛的智能環(huán)境監(jiān)測(cè)解決方案，為人們的健康生活提供更堅(jiān)實(shí)的保障。