本文將展示如何基于涂鴉智能平臺(tái)搭建一個(gè)屬于自己的超聲波氣象站！

超聲波氣象站的測(cè)量維度包括：

- 溫度測(cè)量（DHT22）

- 濕度測(cè)量（DHT22）

- 氣壓測(cè)量（BMP180）

- 風(fēng)向、風(fēng)速測(cè)量（防水超聲波測(cè)距模組）

- 紫外線等級(jí)測(cè)量（CJMCU-GUVA-S12SD）

- PM2.5測(cè)量（GP2Y1014AU）

也就是六個(gè)維度的氣象信息的測(cè)量！

氣象站采用ESP32作為主控，使用Arduino平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)IDE為Visual Studio Code + Platform IO。

物聯(lián)網(wǎng)通訊方面使用涂鴉WBR3模組，使用低代碼MCU開(kāi)發(fā)形式。控制界面(APP)使用涂鴉的客制化面板。

Q1: 什么是超聲波氣象站？

A1: 超聲波氣象站是利用超聲波模組對(duì)聲速進(jìn)行測(cè)量的一種氣象站。由于風(fēng)速會(huì)引起聲速的變化：超聲波順風(fēng)傳播時(shí)，聲速會(huì)加快；逆風(fēng)時(shí)風(fēng)速將減慢；通過(guò)測(cè)量一組正交的聲速矢量，進(jìn)行合成分析后可以分析出當(dāng)前的風(fēng)速、風(fēng)向信息。

Q2: 超聲波氣象站有什么優(yōu)點(diǎn)？

A2: 傳統(tǒng)的氣象站對(duì)于風(fēng)向和風(fēng)速的測(cè)量通常使用風(fēng)向儀和風(fēng)速儀，這兩種儀器都具有轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，體積龐大、壽命較短。使用超聲波對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向測(cè)量可以壓縮氣象站體積、提高氣象站壽命。

Q3: 為什么選擇涂鴉平臺(tái)？

A3: 涂鴉平臺(tái)的開(kāi)發(fā)比較省事。在MCU低代碼開(kāi)發(fā)的方式中，可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)實(shí)現(xiàn)對(duì)APP的設(shè)計(jì)，而且一些常用的組件也非常精美。

系統(tǒng)框架

如何利用超聲波對(duì)風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量

超聲波探頭布置如圖所示，兩組探頭互相垂直分布。

- 此時(shí)若A組探頭間距離S已知，聲速C已知，且此時(shí)風(fēng)速為0。則此時(shí)超聲波的行進(jìn)速度T為聲速，可算出無(wú)風(fēng)時(shí)超聲波從發(fā)射探頭移動(dòng)到接收探頭的時(shí)間T1=S/C。

- 若此時(shí)存在風(fēng)向?yàn)榘l(fā)射探頭指向接收探頭，風(fēng)速為1m/s的風(fēng)，則超聲波行進(jìn)速度變?yōu)镃+1m/s，同樣可以算出該情況下超聲波從發(fā)射探頭移動(dòng)到接收探頭的時(shí)間T2=S/(C+1)。

在距離已知、聲速已知的情況下，通過(guò)獲取超聲波模塊返回的超聲波行進(jìn)時(shí)間T2，可以推算出A組探頭方向的風(fēng)速V1=(S / T2) - (S / T1)。同理可推算出B組探頭方向的風(fēng)速V2。

由于A、B組探頭垂直分布，故當(dāng)存在任意方向、任意大小的風(fēng)時(shí)，可通過(guò)矢量合成的方法計(jì)算出風(fēng)速和風(fēng)向。

模塊及驅(qū)動(dòng)

DHT22

DHT22使用DHT-Sensor-Library進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，詳細(xì)方法參考GitHub頁(yè)面，使用該庫(kù)需要依賴Adafruit Unified Sensor Driver庫(kù)。

DHT dht(DHT_PIN, DHT_TYPE);
float h = dht.readHumidity();
float t = dht.readTemperature();
    if(isnan(h) || isnan(t)){
        Serial.println("Failed to read from DHT sensor.");
        return;
}

此處h獲取值為濕度，t獲取值為溫度。

BMP180

BMP180使用Adafruit BMP085 Library驅(qū)動(dòng)，同上，需要依賴Adafruit BrushIO庫(kù)。

Adafruit_BMP085 bmp;
air_pressure = bmp.readPressure()

超聲波模組

// Clears the trigPin condition
digitalWrite(TRIG_1, LOW);
delayMicroseconds(2);
// Sets the trigPin HIGH (ACTIVE) for 10 microseconds
digitalWrite(TRIG_1, HIGH);
delayMicroseconds(20);
digitalWrite(TRIG_1, LOW);
// Reads the echoPin, returns the sound wave travel time in microseconds
duration = pulseIn(ECHO_1, HIGH);

超聲波模組使用脈沖測(cè)量獲取反射時(shí)間，代碼如上。后續(xù)通過(guò)布置探頭位置，分析兩組超聲波模組的反射時(shí)間可獲得風(fēng)速、風(fēng)向信息。

CJMCU-GUVA-S12SD紫外線模組

該紫外線模組輸出為電壓模擬量，analogRead()函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)紫外線等級(jí)的測(cè)量。

GP2Y1014AU PM2.5模組

digitalWrite(DUST_IN, LOW);
delayMicroseconds(SAMPLING_TIME);
int voMeasured = analogRead(DUST_OUT);
?
delayMicroseconds(DELTA_TIME);
digitalWrite(DUST_IN, HIGH);

通過(guò)給模組的LED驅(qū)動(dòng)腳施加脈沖，測(cè)量輸出腳電壓，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)pm2.5的濃度測(cè)量。

涂鴉智能接入

這次的開(kāi)發(fā)方式為MCU低代碼開(kāi)發(fā)，即是利用涂鴉模組進(jìn)行開(kāi)發(fā)。涂鴉模組負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)信息處理，MCU僅需要通過(guò)串口控制涂鴉模組進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)信息的通訊。

創(chuàng)建產(chǎn)品

在進(jìn)行涂鴉智能的開(kāi)發(fā)時(shí)，需要進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)建。作為氣象站開(kāi)發(fā)，可以選擇溫濕度傳感器。

DP點(diǎn)創(chuàng)建

在涂鴉智能中，每個(gè)氣象數(shù)據(jù)維度可以被抽象為DP（功能點(diǎn)）。在選擇了溫濕度傳感器這個(gè)產(chǎn)品后，涂鴉提供了常用的功能點(diǎn)：

除了這些標(biāo)準(zhǔn)功能中的DP點(diǎn)之外，因?yàn)槲覀冞€需要風(fēng)速、風(fēng)向這些數(shù)據(jù)，所以還需要添加自定義的DP點(diǎn)：

在功能點(diǎn)中，DP ID為該功能點(diǎn)的標(biāo)識(shí)，MCU在控制涂鴉模組進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳時(shí)需要用到。

功能點(diǎn)屬性中的倍數(shù)為0時(shí)，MCU上傳的數(shù)據(jù)被識(shí)別為上傳的數(shù)據(jù)本身。若倍數(shù)為1，則此時(shí)若上傳數(shù)據(jù)為50時(shí)，該數(shù)據(jù)將被涂鴉除以10^1，即50會(huì)被識(shí)別為5。

面板編輯

在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的面板選項(xiàng)卡，可以對(duì)自己的APP面板進(jìn)行自定義。

我使用的面板類型為:面板類型：Studio 面板-個(gè)人面板

下面是在手機(jī)中的實(shí)機(jī)效果：

硬件開(kāi)發(fā)

在完成了傳感器驅(qū)動(dòng)、電源板管理后，需要與涂鴉模組進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)信息上報(bào)。

在這里我選擇的是WBR3 Wi-Fi & Bluetooth 模組。

該模組在初次上電時(shí)，可以打開(kāi)智能生活A(yù)PP實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)和面板加載，在完成了配網(wǎng)之后就可以進(jìn)行實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)了。

// define dp
#define temp_pid   1
#define humi_pid   2
#define battery_pid 4
#define pm25_pid     101
#define wind_angle_pid  102
#define wind_direct_pid 103
#define wind_speed_pid  104
#define uv_level_pid   105
#define pressure_pid   106
?
// Create TuyaWifi object
TuyaWifi my_device;
?
// input your device pid here
unsigned char pid[] = {""};
// select mcu version, 1.0.0 as commonly use
unsigned char mcu_ver[] = {"1.0.0"};
?
// create an array to restore the datapoint 
unsigned char dp_array[][2] = 
{
  {temp_pid, DP_TYPE_VALUE},
  {humi_pid, DP_TYPE_VALUE},
  {battery_pid, DP_TYPE_VALUE},
  {pm25_pid, DP_TYPE_VALUE},
  {wind_angle_pid, DP_TYPE_VALUE},
  {wind_direct_pid, DP_TYPE_STRING},
  {wind_speed_pid, DP_TYPE_VALUE},
  {uv_level_pid, DP_TYPE_VALUE},
  {pressure_pid, DP_TYPE_VALUE},
};
?
unsigned char dp_process(unsigned char dpid,const unsigned char value[], unsigned short length)
{
 /* all DP only report */
 return TY_SUCCESS;
}
?
void dp_update_all(void)
{
 
}
?
void setup(){
   ...
  my_device.init(pid, mcu_ver);
    my_device.set_dp_cmd_total(dp_array, 9);
  // register call back function
    my_device.dp_process_func_register(dp_process);
    my_device.dp_update_all_func_register(dp_update_all);
}
?
void loop() {
  // SDK handle
  my_device.uart_service();
  // Check the wifi connection
    if ((my_device.mcu_get_wifi_work_state() == WIFI_CONNECTED) || (my_device.mcu_get_wifi_work_state() == WIFI_CONN_CLOUD)) {
  update_sensor();
    // report all the data
    my_device.mcu_dp_update(temp_pid, temp, 1);
    my_device.mcu_dp_update(humi_pid, humi, 1);
    my_device.mcu_dp_update(battery_pid, battery_level, 1);
    my_device.mcu_dp_update(pm25_pid, pm25, 1);
    my_device.mcu_dp_update(wind_angle_pid, wind_angle, 1);
    my_device.mcu_dp_update(wind_speed_pid, wind_speed, (sizeof(dp_string_value) / sizeof(dp_string_value[0])));
    my_device.mcu_dp_update(wind_speed_pid, wind_speed, 1);
    my_device.mcu_dp_update(uv_level_pid, uv_index, 1);
    my_device.mcu_dp_update(pressure_pid, air_pressure, 1);
  }
  ...

MCU工作流程