如何制作舒适监测站

步骤1：背景 - 热和视觉舒适

热和视觉舒适变得越来越重要主题，特别是在办公室和工作场所，以及住宅领域。该领域的主要挑战是个体的热感觉通常在很大范围内变化。一个人可能会在某种温度条件下感到炎热，而另一个人则会感到寒冷。这是因为个人热感受许多因素的影响，包括气温，相对湿度，空气速度和周围表面辐射温度的物理因素。但是，衣服，新陈代谢活动以及年龄，性别，体重等个体方面都会影响热感知。

虽然个别因素在加热和制冷控制方面仍然存在不确定性，物理因素可以通过传感器设备精确确定。可以测量空气温度，相对湿度，空气速度和地球温度，并将其用作建筑物控制的直接输入。此外，在更详细的方法中，它们可以用作输入以计算所谓的 PMV指数，其中PMV代表预测平均投票。它描述了人们在给定的环境室内条件下如何平均评估他们的热感觉。 PMV可以取-3（冷）到+3（热）的值，0是中性状态。

为什么我们在这里提到PMV？嗯，因为在个人舒适的领域，它是一种常用的指标，可以作为建筑物中热情况的质量标准。使用CoMoS，可以测量PMV计算所需的所有环境参数。

如果您有兴趣，可以了解更多有关热舒适度，地球环境和平均辐射温度，PMV指数以及实施ASHRAE标准

维基百科：热舒适

ISO 7726热环境人体工程学

ASHRAE NPO

顺便说一下：个性化环境领域存在很长时间，但也有大量新开发的小工具，以提供个人的热和视觉舒适度。小型桌面风扇是一个众所周知的例子。此外，正在开发甚至已经在市场上销售的足暖器，加热和通风椅子或用于红外辐射加热和冷却的办公室隔板。所有这些技术都会影响工作场所的局部热条件，并且可以根据本地传感器数据自动控制它们，如本步骤图片所示。

有关个性化设备的更多信息环境和正在进行的研究可在

生活实验室智能办公空间：个性化环境

获得

加州大学伯克利分校

ZEN关于个人加热制冷设备的报告［PDF］

SBRC卧龙岗大学

第2步：系统方案

开发过程中的一个主要目标是创建无线， 紧凑型和便宜的传感器设备，用于测量特定开放式办公空间中至少十个单独工作场所的室内环境条件。因此，该站使用带有板载WiFi连接的ESP32-WROOM-32，以及各种连接器引脚和支持各种传感器的总线类型。传感器站使用单独的IoT-WiFi，并通过在数据库服务器上运行的PHP脚本将其数据读数发送到MariaDB数据库。另外，还可以安装易于使用的Grafana视觉输出。

上面的方案显示了所有外围组件的排列，作为系统设置的概述，但是这个指示集中在传感器站本身。当然，PHP文件和SQL连接的描述也将在后面包含，以提供构建，连接和使用CoMoS所需的所有信息。

注意：在本教程的最后，您可以找到有关如何使用SD卡存储，内部WiFi接入点和移动设备的Web应用程序构建CoMoS的替代独立版本的说明。

步骤3：供应清单

电子

传感器和控制器，如图所示：

ESP32-WROOM-32 mikrocontroller（espressif.com）［A］

Si7021或GY21温湿度传感器（adafruit.com）［B］

DS18B20 +温度传感器（adafruit.com）［C］

Rev C.风速传感器（moderndevice.com）［D］

WS2812B 5050状态LED（adafruit.com）［E］

BH1750照度传感器（amazon.de）［F］

更多电气部件：

4，7k上拉电阻（adafruit.com）

0，14mm²（或类似）标准电线（adafruit.com）

2x Wago紧凑型拼接连接器（wago.com）

Micro USB线（sparkfun.com）

表壳部件（在下一步中查找有关这些零件和尺寸的更多详细信息。如果您有3D打印机，则只需要一个乒乓球。跳过下一步，找到步骤5中打印的所有信息和文件。）

亚克力板圆形50x4 mm ［1］

钢板圆形40x10 mm ［2］

丙烯酸管50x5x140 mm ［3］

亚克力板圆形40x5 mm ［4］

亚克力管12x2x50 mm ［5］

乒乓球［6］

其他

白色喷漆

黑色哑光喷漆

一些胶带

一点保温棉，棉垫或类似物

工具

电钻

8毫米偷钻

6毫米木/塑料钻

12 mm木/塑料钻

薄手锯

砂纸

线切割钳

剥线钳

烙铁和锡

动力胶或热胶枪

软件和库

（这些数字表示我们使用的库版本并测试了硬件。较新的库也可以正常工作，但我们在尝试不同/更新时偶尔遇到一些问题版本。）

Arduino IDE（1.8.5）

ESP32核心库

BH1750FVI库

Adafruit_Si7021库（1.0 .1）

Adafruit_NeoPixel library（1.1.6）

DallasTemperature library（3.7.9）

OneWire库（2.3.3）

步骤4：案例设计和构造 - 选项1

CoMoS的设计采用纤薄的垂直外壳，大多数传感器已安装在顶部区域，只有温度和湿度传感器安装在底部附近。 传感器位置和布置遵循测量变量的特定要求：

Si7021 温度和湿度传感器安装在外壳附近，靠近它的底部，允许传感器周围的自由空气循环，并最大限度地减少微控制器内部产生的废热的影响。

BH1750 照度传感器安装在机箱的平顶上，以根据工作场所照明的通用标准测量水平表面上的照明。

Rev. C 风传感器也安装在机箱顶部，其电子设备隐藏在机箱内，但其齿轮带有实际的热风速仪和温度传感器，暴露在顶部周围的空气中。

DS18B20 温度传感器安装在车站的顶部，在黑色彩绘乒乓球内。顶部的位置对于最小化视角因素以及传感器站本身对地球温度测量的辐射影响是必要的。

关于平均辐射温度和黑色使用的其他资源全球温度传感器的乒乓球是：

Wang，Shang＆Li，Yuguo。 （2015年）。丙烯酸和铜球温度计适用于昼夜室外环境。建筑与环境。 89. 10.1016/j.buildenv.2015.03.002。

亲爱的理查德。 （1987年）。乒乓球温度计，用于平均辐射温度。 H＆Eng。，。 60. 10-12。

案例设计简单，尽可能降低制造时间和精力。只需几个简单的工具和技能，就可以轻松地从标准零件构建。 或，对于那些有幸使用3D打印机的人来说，所有的外壳部件都可以 3D打印。要打印外壳，可以跳过此步骤的其余部分，并在下一步中找到所有必需的文件和说明。

对于《标准部件的构造，安装尺寸大多数人选择

主体是丙烯酸（PMMA）管，外径50毫米，壁厚5毫米，高度140毫米。

底板，用作状态LED的光导体，是直径50毫米，厚度4毫米的丙烯酸圆板。

直径为40毫米，厚度为10毫米的钢圆作为重量安装在底板顶部并安装在主体下端内部管，以防止站翻倒并将底板固定到位。

顶板也适合主体管内。它由PMMA制成，直径为40毫米，厚度为5毫米。

最后，顶部提升管也是PMMA，外径10毫米，壁厚2毫米，长度50毫米。

制造和组装过程很简单，从一些钻孔开始。钢制圆形需要一个8毫米的连续孔，以适应LED和电缆。主体管需要大约6毫米的孔，作为USB和传感器电缆的电缆馈通，以及通风孔。孔的数量和位置可根据您的喜好进行调整。开发人员的选择是背面有六个孔，靠近顶部和底部，两个在正面，一个顶部，一个底部，作为参考。

顶板是最棘手的部分。它需要一个居中的，直的和连续的12毫米整体以适合顶部提升管，另一个偏心的中心6毫米孔以适合照度传感器电缆，以及一个约1.5毫米宽和18毫米长的薄缝适合风传感器。查看图片以供参考。最后，乒乓球需要一个6毫米的整体，以适应地球温度传感器和电缆。

在下一步，所有PMMA部件，除了底板，应喷涂，参考是白色的。乒乓球必须涂成哑光黑色以确定其估计的热和光学属性。

钢圆胶合居中并平放在底板上。顶部提升管粘在顶板的12毫米孔中。乒乓球被胶合在提升管的顶端，其孔与提升管的内开口相匹配，因此温度传感器和电缆可以随后通过提升管插入球中。

完成此步骤后，表壳的所有部件都可以通过将它们放在一起进行组装。如果有些太紧，请将它们打磨一点，如果太松，则添加一层薄薄的胶带。

步骤5：案例设计和构造 - 选项2

虽然构建CoMoS案例的选项1仍然是一个快速而简单的案例，但让 3D打印机完成工作可能会更容易。此外，对于此选项，机箱分为三个部分，顶部，机箱主体和底部，以便于接线和装配，如下一步所述。

文件和打印机设置的更多信息在Thingiverse提供：

Thingiverse上的CoMoS文件

强烈建议按照白色灯丝的说明使用顶部和箱体部件。这可以防止壳体在阳光下过快加热并避免误测量。底部应使用 T 透明灯丝，以便LED指示灯亮起。

选项1的另一个变化是缺少金属圆。为防止CoMoS翻倒，应将任何类型的重量如轴承滚珠或一堆金属垫圈放置在透明底部内/上。它的设计有一个边缘，以适应和保持一些重量。或者，可以使用双面胶带将CoMoS粘贴到其安装位置。

注意： Thingiverse文件夹包含可以安装的micro SD读卡器盒的文件对CoMoS案件。这种情况是可选的，是本教程最后一步中描述的独立版本的一部分。

步骤6：接线和汇编

ESP，传感器，LED，和USB电缆焊接并根据此步骤图片中所示的原理图电路连接。与后面描述的示例代码匹配的 PIN分配是：

14 - 重置桥（EN） - ［灰色］

17 - WS2811 （LED） - ［绿色］

18 - DS18B20的上拉电阻+

19 - DS18B20 +（单线） - ［紫色］

21 - BH1750和SI7021 （SDA） - ［蓝色］

22 - BH1750和SI7021（SCL） - ［黄色］

25 - BH1750（V-in） - ［棕色］

26 - SI7021（V-in） - ［brown］

27 - DS18B20 +（V-in） - ［brown］

34 - 风传感器（TMP） - ［青色］

35 - 风传感器（RV） - ［橙色］

VIN - USB线（+ 5V） - ［红色］

GND - USB线（ GND） - ［黑色］

Si7021，BH1750和DS18B20 +传感器通过ESP32的IO引脚供电。这是可能的，因为它们的最大电流吃水低于ESP每个引脚的最大电流供应，并且在传感器通信错误的情况下通过切断电源来重置传感器是必要的。有关详细信息，请参阅ESP代码和注释。

Si7021和BH1750传感器与 USB电缆相同，应使用已通过专用机箱孔的电缆进行焊接允许在下一步组装。 WAGO紧凑型拼接连接器用于通过USB电缆将设备连接到电源。所有器件均通过USB供电为5 V DC，与ESP32的逻辑电平一起工作在3.3 V.此外，micro USB线的数据引脚可以重新连接到micro USB插头并连接到ESP的micro USB插座，作为电源输入和数据连接，在外壳关闭时将代码传输到ESP32。另外，如果按照方案中所示进行连接，则在组装外壳之前，需要使用另一根完整的微型USB电缆将代码初始传输到ESP。

Si7021温度传感器粘在上面表壳背面，靠近底部。将此传感器安装在靠近底部非常重要，以避免由于壳体内产生的热量引起的错误温度读数。有关此问题的更多信息，请参阅Epilogue步骤。 BH1750照度传感器粘在顶板上，风传感器插入并安装在另一侧的狭缝上。如果它太合适，传感器中心部分周围的一点胶带有助于将其保持在适当位置。 DS18B20温度传感器通过顶部提升器插入乒乓球，最终位置在球的中心。顶部提升管的内部填充有隔离棉，下部开口用胶带或热胶密封，以防止传导或对流热传递到球体。 LED 安装在钢制圆孔中，朝下照亮底板。

所有电线，拼接连接器和ESP32都进入主壳体内，所有壳体部件在最终装配中放在一起。

步骤7：软件 - ESP ，PHP和MariaDB配置

ESP32微控制器可以编程使用 Arduino IDE 和Espressif提供的ESP32核心库。有很多关于如何设置IDE兼容ESP32的教程，例如这里。

设置完成后，附加的代码将传输到ESP32。为了便于理解，它在整个评论中都有注释，但是一些关键特性是：

开头有一个“用户配置”部分，其中必须设置各个变量up，例如 WiFi ID和密码，数据库服务器IP，以及所需的数据读取和发送周期。它还包括一个“零风调节”变量，可用于在不稳定的电源情况下将零风速读数调整为0。

该代码包括作者从10个现有传感器站的校准确定的平均校准因子。有关更多信息和可能的个别调整，请参阅结语步骤。

代码的几个部分包含各种错误处理。特别是ESP32控制器上经常出现的总线通信错误的有效检测和处理。再次，请参阅Epilogue步骤以获取更多信息。

它具有 LED颜色输出，以显示传感器站的当前状态和任何错误。有关详细信息，请参阅“结果”步骤。

必须在serverIP/sensor的数据库服务器的根文件夹中安装和访问附加的 PHP文件。 PHP。 PHP文件名和数据处理内容必须与ESP的调用函数代码匹配，另一方面，与数据库表设置匹配，以允许存储数据读数。附加的示例代码是匹配的，但是如果您更改了某些变量，则必须在整个系统中更改它们。 PHP文件在开头包含一个调整部分，根据系统的环境进行单独调整，尤其是数据库用户名和密码，以及数据库名称。

根据传感器站代码和PHP脚本中使用的表设置，在同一服务器上设置MariaDB或SQL 数据库。在示例代码中，MariaDB数据库名称为“sensorstation”，其中包含名为“data”的表，其中包含13个列，分别用于UTCDate，ID，UID，Temp，Hum，Globe，Vel，VelMin，VelMax，MRT，Illum，IllumMin，和IllumMax。

Grafana分析和监控平台可以另外安装在服务器上，作为直接数据库可视化的选项。这不是这个开发的关键特性，因此在本教程中没有进一步描述。

步骤8：结果 - 数据读取和验证

完成所有接线，装配，编程和环境设置后，传感器站会定期向数据库发送数据读数。通电时，通过底部 LED 颜色指示多个操作状态：

在启动过程中，LED指示灯呈黄色亮起，表示待连接到WiFi。

连接时，指示灯为蓝色。

传感器站运行传感器读数并定期将其发送到服务器。每次成功传输由600 ms的绿光脉冲指示。

如果出现错误，根据错误类型，指示灯将显示红色，紫色或淡黄色。在一定时间或一定数量的错误之后，传感器站将自动重置所有传感器并重新启动，再次由启动时的黄灯指示。有关指示灯颜色的更多信息，请参阅ESP32代码和注释。

完成此最后一步后，传感器站将继续运行并运行。迄今为止，在预先提到的Living Lab智能办公空间中安装并运行了10个传感器站的网络。

步骤9：替代方案：独立版本

CoMoS的开发仍在继续，这一持续流程的第一个成果是独立版本。该版本的CoMoS不需要数据库服务器和WiFi网络来监控和记录环境数据。

新主要功能是：

数据读数以Excel友好的CSV格式存储在内部微型SD卡上。

用于通过任何移动设备访问CoMoS的集成WiFi接入点。

基于Web的应用程序（ESP32上的内部Web服务器，无需连接互联网），可直接从SD卡下载文件，进行实时数据，设置和存储访问，如附图所示。这一步。

这取代了WiFi和数据库连接，而所有其他功能，包括校准和所有设计和构造都保持原始版本不变。尽管如此，独立的CoMoS 需要经验和进一步的知识如何访问ESP32的内部文件管理系统“SPIFFS”，以及对HTML，CSS和Javascript的一点了解，以了解如何网络应用程序工作。它还需要一些/不同的库来工作。

请检查附带的zip文件中的Arduino代码以获取所需的库和以下参考资料，以获取有关编程和上传到SPIFFS文件系统的更多信息：

espressif的SPIFFS库

由me-no-dev的SPIFFS文件上传器

Pedroalbuquerque的ESP32WebServer库

这个新版本将构成一个整体可能在将来发布的新的instructable。但就目前而言，尤其是对于经验更丰富的用户，我们不希望错过分享设置所需的基本信息和文件的机会。

构建独立CoMoS的快速步骤：

根据之前的步骤构建案例。可选地，3D打印另外的外壳，以便将微型SC卡读卡器连接到CoMoS外壳。如果您没有可用的3D打印机，也可以将读卡器放在CoMoS主机箱内，不用担心。

如前所述连接所有传感器，但另外，按照附带的接线方案中的说明安装并连接micro SD读卡器（amazon.com）和DS3231实时时钟（adafruit.com）。这一步。注意：上拉电阻和oneWire的引脚与原始接线方案不同！

检查Arduino代码并根据个人喜好调整WiFi接入点变量“ssid_AP”和“password_AP”。如果未调整，则标准SSID为“CoMoS_AP”，密码为“12345678”。

插入micro SD卡，上传代码，使用SPIFFS文件上传器将“data”文件夹的内容上传到ESP32，并将任何移动设备连接到WiFi接入点。

在您的移动浏览器中导航至“192.168.4.1”并享受！

该应用全部基于html，css和javascript。它是本地的，不涉及或不需要互联网连接。它具有应用程序内侧菜单，可访问设置页面和内存页面。在设置页面，您可以调整最重要的设置，如本地日期和时间，传感器读数间隔等。所有设置将永久存储在ESP32的内部存储中，并在下次启动时恢复。在内存页面上，可以使用SD卡上的文件列表。单击文件名可启动CSV文件直接下载到移动设备。

此系统设置允许单独和远程监控室内环境条件。所有传感器读数都定期存储在SD卡上，每天都会创建新文件。这允许连续操作数周或数月而无需访问或维护。如前所述，这仍然是一项正在进行的研究与开发。如果您对进一步的细节或帮助感兴趣，请不要犹豫，通过评论或直接通过LinkedIn与相应的作者联系。

第10步：结语 - 已知问题和展望

本指导所描述的传感器站是长期持续研究的结果。目标是为室内环境条件创建可靠，精确且低成本的传感器系统。这持有并存在一些严峻的挑战，其中最值得一提的是：

传感器精度和校准

此项目中使用的传感器全部以低成本或中等成本提供相对较高的准确度。大多数都配有内部降噪功能和用于通信的数字总线接口，减少了校准或电平调整的需要。无论如何，因为传感器安装在具有某些属性的壳体中或壳体上，所以作者完成了对整个传感器站的校准，如附图所示。在规定的环境条件下对总共十个同等建造的传感器站进行了测试，并与TESTO 480专业室内气候传感器设备进行了比较。从这些运行中，确定了示例代码中包括的校准因子。它们可以简单地补偿外壳和电子元件对各个传感器的影响。为达到最高精度，建议对每个传感器站进行单独校准。除了本教程中描述的开发和构造之外，该系统的校准是作者研究的第二个重点。它在另一个连接的出版物中进行了讨论，该出版物仍然在同行评审中，并且一旦上线就会在这里链接。请在作者的网站上找到关于该主题的更多信息。

ESP32运行稳定性

此代码中使用的所有基于Arduino的传感器库都不与ESP32板完全兼容。这个问题已在网上的许多方面得到广泛讨论，尤其是关于I2C和OneWire通信的稳定性。在此开发中，基于通过ESP32的IO引脚直接为传感器供电，执行新的组合错误检测和处理，以便切断其电源以进行复位。从今天的角度来看，该解决方案尚未提出或未得到广泛讨论。它诞生于必然，但到目前为止几个月及以后的运营期间运行顺利。然而，它仍然是一个研究课题。

展望

与这些指导性的一起，作者进行了进一步的书面出版物和会议报告以传播开发并允许广泛的开源应用程序。同时，该研究继续进一步改进传感器站，特别是在系统设计和可制造性，以及系统校准和验证方面。这个讲义可能会更新未来的重要发展，但是对于所有最新信息，请访问作者的网站或通过LinkedIn直接联系作者：