隨著環保意識抬頭與室內空氣品質監控需求,甲烷和二氧化碳感測技術日益重要。本文將深入探討如何利用樹莓派結合相關感測器,實作低成本且有效的氣體濃度檢測。首先,我們會介紹如何使用電阻式氣體感測器連線到樹莓派,並說明步階回應法在感測器校正上的應用。接著,文章將提供 Python 程式碼範例,示範如何讀取和處理甲烷與二氧化碳感測器的資料,並將其轉換為實際濃度值。此外,我們也將探討如何使用 MCP3008 模擬數位轉換器來量測電壓,以及如何透過電壓分壓電路來測量高於 3.3V 的電壓。最後,文章將結合實際應用場景,例如環境監測和室內空氣品質監控,並討論如何根據感測器資料調整通風,以提升生活環境品質。

甲烷氣體感測技術

在氣體感測應用中,甲烷氣體感測是一個重要的方面。下面將介紹如何使用低成本的電阻式氣體感測器來檢測甲烷氣體。

低成本電阻式氣體感測器

可以使用低成本的電阻式氣體感測器來檢測甲烷氣體。這種感測器可以透過麵包板和跳線連線到Raspberry Pi上。

  flowchart TD
    A[開始] --> B[連線氣體感測器]
    B --> C[初始化氣體感測器]
    C --> D[讀取氣體感測值]
    D --> E[處理氣體感測值]
    E --> F[輸出結果]

圖表翻譯:

上述流程圖描述瞭如何使用低成本電阻式氣體感測器來檢測甲烷氣體。首先,需要連線氣體感測器到Raspberry Pi上。然後,需要初始化氣體感測器。接下來,需要讀取氣體感測值並進行處理。最後,需要輸出結果。

步階回應法

可以使用步階回應法來檢測甲烷氣體。這種方法需要先對氣體感測器進行校準,然後才能夠準確地檢測出甲烷氣體。

# 假設p為氣體感測器物件
print(p.read_gas_value())

在上述程式碼中,p.read_gas_value()函式用於讀取氣體感測值。

內容解密:

上述程式碼描述瞭如何使用低成本電阻式氣體感測器來檢測甲烷氣體。首先,需要連線氣體感測器到Raspberry Pi上。然後,需要初始化氣體感測器。接下來,需要讀取氣體感測值並進行處理。最後,需要輸出結果。步階回應法可以用於檢測甲烷氣體,但需要先對氣體感測器進行校準。

甲烷感測器和二氧化碳感測器的應用

在本文中,我們將探討如何使用Raspberry Pi和相關感測器來檢測甲烷和二氧化碳的濃度。這些感測器可以用於各種應用,包括環境監測、工業過程控制和健康安全。

甲烷感測器

甲烷感測器是一種可以檢測甲烷氣體濃度的裝置。它通常由一個加熱元件和一個敏感於甲烷的催化劑層組成。當甲烷氣體存在時,催化劑層的電阻會改變,從而產生一個電訊號。

要使用甲烷感測器,您需要將其連線到Raspberry Pi的GPIO引腳。您可以使用SparkFun的氣體感測器分離板或自己焊接導線到感測器的引腳。

以下是連線甲烷感測器到Raspberry Pi的步驟:

  1. 將感測器的VCC引腳連線到Raspberry Pi的5V引腳。
  2. 將感測器的GND引腳連線到Raspberry Pi的GND引腳。
  3. 將感測器的OUT引腳連線到Raspberry Pi的GPIO引腳(例如,GPIO 17)。

您可以使用以下Python程式碼來讀取甲烷感測器的資料:

import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 設定GPIO模式
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# 設定感測器的GPIO引腳
sensor_pin = 17

# 讀取感測器的資料
def read_sensor():
    # 讀取感測器的電壓值
    voltage = GPIO.input(sensor_pin)
    # 將電壓值轉換為濃度值
    concentration = voltage * 1000 / 5
    return concentration

while True:
    # 讀取感測器的資料
    concentration = read_sensor()
    # 印出資料
    print("甲烷濃度:", concentration, "ppm")
    # 等待1秒
    time.sleep(1)

二氧化碳感測器

二氧化碳感測器是一種可以檢測二氧化碳氣體濃度的裝置。它通常由一個加熱元件和一個敏感於二氧化碳的催化劑層組成。當二氧化碳氣體存在時,催化劑層的電阻會改變,從而產生一個電訊號。

要使用二氧化碳感測器,您需要將其連線到Raspberry Pi的UART引腳。您可以使用MH-Z14A二氧化碳感測器模組,它具有UART介面。

以下是連線二氧化碳感測器到Raspberry Pi的步驟:

  1. 將感測器的VCC引腳連線到Raspberry Pi的5V引腳。
  2. 將感測器的GND引腳連線到Raspberry Pi的GND引腳。
  3. 將感測器的TXD引腳連線到Raspberry Pi的UART TXD引腳(例如,GPIO 14)。
  4. 將感測器的RXD引腳連線到Raspberry Pi的UART RXD引腳(例如,GPIO 15)。

您可以使用以下Python程式碼來讀取二氧化碳感測器的資料:

import serial
import time

# 設定UART介面
ser = serial.Serial("/dev/ttyAMA0", 9600)

# 讀取感測器的資料
def read_sensor():
    # 送出要求讀取資料的命令
    ser.write(b"\xFF\x01\x86\x00\x00\x00\x00\x00\x79")
    # 讀取感測器的資料
    data = ser.readline()
    # 將資料轉換為濃度值
    concentration = int(data[1]) * 256 + int(data[2])
    return concentration

while True:
    # 讀取感測器的資料
    concentration = read_sensor()
    # 印出資料
    print("二氧化碳濃度:", concentration, "ppm")
    # 等待1秒
    time.sleep(1)

使用Python讀取CO2感測器資料

程式碼

import serial
import time

def read_co2():
    # 設定感測器序列埠
    sensor = serial.Serial('/dev/ttyS0')
    
    # 寫入請求讀取資料的命令
    sensor.write(request_reading)
    
    # 暫停0.1秒等待資料準備
    time.sleep(0.1)
    
    # 讀取9個byte的raw資料
    raw_data = sensor.read(9)
    
    # 提取高位元和低位元的資料
    high = raw_data[2]
    low = raw_data[3]
    
    # 合併高位元和低位元的資料並傳回
    return high * 256 + low

# 主程式
while True:
    # 讀取CO2感測器的資料
    co2_level = read_co2()
    
    # 印出CO2濃度
    print("CO2 (ppm):" + str(co2_level))
    
    # 暫停1秒後繼續讀取資料
    time.sleep(1)

內容解密:

上述程式碼示範如何使用Python讀取CO2感測器的資料。首先,我們需要設定感測器的序列埠,並寫入請求讀取資料的命令。然後,我們讀取9個byte的raw資料,並提取高位元和低位元的資料。最後,我們合併高位元和低位元的資料並傳回CO2濃度。

圖表翻譯:

  flowchart TD
    A[設定感測器序列埠] --> B[寫入請求讀取資料的命令]
    B --> C[讀取9個byte的raw資料]
    C --> D[提取高位元和低位元的資料]
    D --> E[合併高位元和低位元的資料]
    E --> F[傳回CO2濃度]

此圖表示範了程式碼的流程,從設定感測器序列埠到傳回CO2濃度。

實際應用:

此程式碼可以用於監測室內的CO2濃度,當CO2濃度超過一定閾值時,可以觸發警示或自動開啟通風系統。另外,此程式碼也可以用於研究室內空氣品質的變化,幫助我們瞭解室內空氣品質對人體健康的影響。

二氧化碳感測器資料分析

以下是二氧化碳感測器在一段時間內收集的資料:

  • 483 ppm
  • 481 ppm
  • 491 ppm
  • 517 ppm
  • 619 ppm
  • 734 ppm
  • 896 ppm
  • 1367 ppm

感測器通訊協定

感測器使用請求/回應通訊協定。當您想要從感測器接收讀數時,首先需要傳送一個9位元組的訊息,該訊息包含在request_reading中。感測器會立即以一個9位元組的訊息作為回應。其中,我們只對第2和第3個位元組感興趣,因為它們包含了CO2讀數的高位和低位位元組,以ppm為單位。

討論

正常的二氧化碳水平約在400到1,000 ppm之間。超過這個範圍,空氣可能會開始感到悶濁,您可能會感到嗜睡。研究表明,由於通風不良導致的高二氧化碳水平可能會導致精神表現下降。因此,為了保持良好的室內空氣品質,尤其是在睡眠環境中,保持適當的通風是非常重要的。

結果與改變

在執行程式整夜之後,我現在會在臥室中稍微開啟窗戶和/或門,以確保空氣流通,避免二氧化碳水平過高。

延伸閱讀

  • 深入瞭解Z14A協定。
  • 查詢更多關於二氧化碳安全水平的資訊。

內容解密:

上述資料顯示了二氧化碳感測器在不同時間點的讀數。透過分析這些資料,可以得出結論:在某些時段,二氧化碳水平超出了正常範圍,這可能是由於通風不良所致。因此,保持良好的室內空氣品質對於維護健康和舒適的生活環境至關重要。

圖表翻譯:

  flowchart TD
    A[開始] --> B[傳送請求]
    B --> C[接收回應]
    C --> D[解析CO2讀數]
    D --> E[判斷是否超出安全範圍]
    E -->|是| F[開啟窗戶/門進行通風]
    E -->|否| G[繼續監測]

此圖表描述了使用二氧化碳感測器監測室內空氣品質並根據讀數進行通風調整的過程。當感測器讀數超出安全範圍時,系統會觸發開啟窗戶或門以改善通風,從而保持健康的室內空氣環境。

量測電壓

問題

您想要量測類別比電壓。

解決方案

Raspberry Pi 的 GPIO 聯結器只有數位輸入。如果您想要量測電壓,則需要使用一個單獨的類別比數位轉換器(ADC)。 使用 MCP3008 八通道 ADC 晶片。這個晶片實際上有八個類別比輸入,因此您可以將最多八個感測器連線到其中一個,並使用 Raspberry Pi 的 SPI 介面與晶片進行通訊。 要完成這個食譜,您需要以下元件: *麵包板和跳線(參考「原型設計裝置和套件」) *MCP3008 八通道 ADC 晶片(參考「積體電路」) *10kΩ 可變電阻(參考「電阻和電容」) 圖 13-11 顯示了使用此晶片的麵包板佈局。確保您以正確的方向放置晶片。晶片上的小缺口應該朝向麵包板的上方。

圖 13-11. 使用 MCP3008 ADC 晶片與 Raspberry Pi 可變電阻的一端連線到 3.3V,另一端連線到地,允許中間連線設定為 0 到 3.3V 之間的任何電壓。 在嘗試執行程式之前,請確保已啟用 SPI(參考食譜 9.5)。 開啟編輯器並貼入以下程式碼(ch_13_adc_test.py):

from gpiozero import MCP3008
import time

analog_input = MCP3008(channel=0)
while True:
    reading = analog_input.value
    voltage = reading * 3.3
    print("Reading={:.2f}\tVoltage={:.2f}".format(reading, voltage))
    time.sleep(1)

與本文中的所有程式範例一樣,您也可以下載此程式(參考食譜 3.22)。 當您執行程式時,您應該會看到類別似以下的輸出:

$ python3 ch_13_adc_test.py
Reading=0.60 Voltage=2.00
Reading=0.54 Voltage=1.80

內容解密:

此程式使用 gpiozero 函式庫來存取 MCP3008 ADC 晶片。MCP3008 類別代表 ADC 晶片,channel 引數指定要使用的通道。在此範例中,我們使用通道 0。 analog_input.value 屬性傳回類別比輸入的值,範圍從 0 到 1。將此值乘以 3.3 即可得到對應的電壓。 time.sleep(1) 函式用於暫停程式 1 秒鐘,以便我們可以看到輸出的更新。

圖表翻譯:

  flowchart TD
    A[開始] --> B[初始化 ADC]
    B --> C[讀取類別比輸入]
    C --> D[計算電壓]
    D --> E[印出結果]
    E --> F[暫停 1 秒]
    F --> C

此流程圖顯示了程式的邏輯流程。首先,初始化 ADC 晶片,然後讀取類別比輸入,計算電壓,印出結果,最後暫停 1 秒鐘。

使用MCP3008進行模擬訊號讀取

MCP3008是一款8通道模擬數字轉換器(ADC),可以將模擬訊號轉換為數字訊號。在這個例子中,我們將使用MCP3008來讀取一個模擬訊號,並將其轉換為數字訊號。

連線MCP3008

首先,需要連線MCP3008到你的微控制器或單板電腦上。MCP3008有8個通道,可以連線多個模擬訊號源。每個通道都有一個對應的引腳,可以用來連線訊號源。

讀取模擬訊號

當你連線好MCP3008後,就可以開始讀取模擬訊號了。MCP3008會將模擬訊號轉換為一個0到1023之間的數字值。你可以使用這個數字值來計算出原始的模擬訊號電壓。

計算電壓

要計算出原始的模擬訊號電壓,你需要知道MCP3008的參考電壓。通常,MCP3008的參考電壓是3.3V。你可以使用以下公式來計算出電壓:

電壓 = (數字值 / 1024) * 3.3V

範例程式碼

以下是使用Python程式語言讀取MCP3008的範例程式碼:

import spidev

# 開啟SPI介面
spi = spidev.SpiDev()
spi.open(0, 0)

# 讀取MCP3008的通道0
def read_channel(channel):
    adc = spi.xfer2([1, (8 + channel) << 4, 0])
    data = ((adc[1] & 3) << 8) + adc[2]
    return data

# 讀取模擬訊號
reading = read_channel(0)

# 計算電壓
voltage = (reading / 1024) * 3.3

print("Reading: ", reading)
print("Voltage: ", voltage)

減少電壓以進行測量

如果你需要測量一個高於3.3V的電壓,你可以使用一個電壓分 Pressure來減少電壓。電壓分 Pressure是一種使用兩個電阻來分 Pressure電壓的方法,可以將高電壓降低到一個安全的範圍內。

範例電路

以下是使用電壓分 Pressure來減少電壓的範例電路:

  flowchart TD
    A[高電壓] -->|10kΩ|> B[電壓分 Pressure]
    B -->|3.3kΩ|> C[低電壓]
    C --> D[MCP3008]

在這個範例中,高電壓透過一個10kΩ的電阻和一個3.3kΩ的電阻,將電壓降低到一個安全的範圍內。然後,低電壓被送到MCP3008進行測量。

計算電壓

要計算出原始的高電壓,你需要知道電壓分 Pressure的比例。你可以使用以下公式來計算出電壓:

高電壓 = (低電壓 * (10kΩ + 3.3kΩ)) / 3.3kΩ

隨著物聯網和智慧家居的興起,低成本且易於整合的甲烷與二氧化碳感測方案的需求日益增長。本文深入探討瞭如何利用Raspberry Pi結合電阻式感測器、MCP3008 ADC,以及軟體程式設計來實作此目標。分析比較了不同感測器的特性、連線方式以及資料讀取方法,並提供了詳盡的程式碼範例和電路圖,展現了這些技術在環境監測、工業控制等領域的應用潛力。然而,低成本感測器也存在精確度和穩定性方面的限制,尤其在複雜環境下,校準和資料處理至關重要。未來,預期感測器技術將朝向更低功耗、更高精確度和更智慧化的方向發展,結合邊緣運算和機器學習,可望實作更精準的環境感知和預測。對於追求成本效益的應用場景,建議優先考慮根據成熟技術的解決方案,並關注感測器長期穩定性和資料可靠性。玄貓認為,持續最佳化感測器資料處理演算法和提升系統整合度,將是釋放此技術真正潛力的關鍵。