智能紫外線計(紫外線輻射監測)開源分享

氦

“ Helium是一個全球分布式熱點網絡，可為支持LoRaWAN的物聯網設備創建公共的遠程無線覆蓋。熱點產生并以 Helium 區塊鏈的本地加密貨幣 HNT 進行補償。Helium 區塊鏈是一個新的、開放的來源，公共區塊鏈的創建完全是為了激勵物理、去中心化無線網絡的創建。今天，Helium 區塊鏈及其數十萬個熱點提供了對世界上最大的 LoRaWAN 網絡的訪問。

Helium 控制臺是由 Helium 基金會托管的基于 Web 的設備管理工具，允許開發人員在 Helium 網絡上注冊、驗證和管理他們的設備。除了設備管理之外，Console 還提供名為 Integrations 的預建連接，以通過 HTTPs 或 MQTT 路由設備數據；或直接連接到 AWS IoT 等云服務。

Console 可在console.helium.com作為免費使用的托管應用程序用于演示和教育目的（最多 10 臺設備） 。"

育碧點

Ubidots是一個物聯網應用程序開發平臺，它可以自動化物聯網應用程序的創建過程，允許開發人員快速組裝和啟動這些應用程序，而無需編寫代碼或軟件開發。注冊是免費的，Ubidots 提供免費計劃 - Ubidots STEM - 功能和容量有限，僅用于非商業用途（個人教育、物聯網研究或 DIY 項目）。

Ubidots 和 Helium 合作創建了一個預構建的集成，允許用戶使用插件輕松地將傳感器數據從 Helium 控制臺轉發到 Ubidots。

附加組件

• 電線

先決條件

為了實施該項目，需要滿足以下先決條件：

• 上面列出的所有硬件組件都可用且隨時可用。（只有在使用 LoRa/LoRaWAN 遙測時才需要 Grove Wio-5。）
• Arduino IDE已按照此處所述為 Wio 終端安裝和配置。
• 上面列出的所有庫都已添加到 Arduino IDE（S ketch -> Include Library -> Manage Libraries / Add.ZIP Library ）
• 要使用的所有服務的用戶帳戶都可用或已創建。

執行

接線

對于 Grove 傳感器板，只需將兩個傳感器（通過集線器）連接到 Wio 終端上的 Grove I2C 端口，對于其他傳感器板，相應地連接 VIN、GND、SCL 和 SDA：

接線

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接線

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紫外線指數和風險等級

紫外線（UV）“光”是一種電磁輻射形式，波長從 200 nm 到 400 nm，比可見光（400 nm 到 750 nm）短，但比 X 射線長。紫外線輻射存在于陽光中，約占太陽總電磁輻射輸出的 10%。短波紫外線會破壞 DNA 并對其接觸的表面進行消毒。對于人類來說，曬黑和曬傷是皮膚暴露在紫外線下的常見影響，同時還會增加患皮膚癌的風險。紫外線輻射分為三個波長波段：

• UVA (315-400 納米)
• UVB (280-315 納米)
• 紫外線（100-280 納米）。

通過臭氧層吸收地球大氣，UVC光譜被完全阻擋，UVB光譜中的太陽輻射幾乎沒有到達地球表面。危險性較低的 UVA 輻射被大氣吸收的程度要低得多。UVA 輻射不如 UVB 輻射強，但穿透力強。它可以到達皮膚并導致光老化和不同形式皮膚癌的發生

紫外線輻射強度以每平方厘米微瓦 (μW / cm2) 為單位。VEML6070 傳感器測量光譜范圍為 300 nm 至 400 nm 的輻射，因此它只能檢測 UVA 輻射。

為了估計紫外線輻射背后的能量以及與之相關的風險水平，建立了紫外線指數。紫外線指數描述了地面紅斑紫外線輻照度的預期每日峰值水平。

它是一個開放式線性標度 - 0 到 ≥ 11，給出了紫外線輻照度的指導值。紫外線指數越高，紫外線輻照度就越高，當皮膚沒有受到保護時，曬傷的速度就越快/越嚴重。

紫外線指數已由世界衛生組織定義，并且在全球范圍內是統一的——例如，歐洲的紫外線指數為 7 意味著與非洲或北美的相同值完全相同。

紫外線指數刻度（來源：https://www.bfs.de/EN/topics/opt/uv/index/introduction/introduction_node.html）

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由于直接從傳感器測量的輻照度導出紫外線指數需要非常復雜的計算，根據曲線加權并在整個光譜上進行積分，Vishay Semiconductors的將 VEML6070 紫外線傳感器設計到應用指南建議估算背后的能量只需從 VEML6070 傳感器讀取輻照度值并將其與預定義值進行比較，即可了解紫外線輻射及其相關風險等級。

這導致以下函數從 VEML6070 讀數中得出紫外線指數和風險等級：

/*
 * uv_index()
 *
 * expects integration time and the measurement value from the UV sensor as input
 * and returns the corresponding risk level:
 * 0: Low
 * 1: Moderate
 * 2: High
 * 3: Very High
 * 4: Extreme
 */
unsigned short uv_index(veml6070_integrationtime_t it, unsigned uv, unsigned short *uvi)
{
  /*
  See https://www.vishay.com/docs/84310/designingveml6070.pdf , Table 3:
  Together with the RSET value of 270 kΩ and the integration time 1T,
  the parameters below map UV light data values to  UV index (risk level)
  and UVI values.
  */
  const unsigned uv_high_1t[4] = {560, 1120, 1494, 2054};
  const unsigned index_low[4] = {0, 3, 6, 8};
  const unsigned index_high[4] = {2, 5, 7, 10};

  unsigned k = 0;
  switch (it)
  {
  case VEML6070_HALF_T:
  case VEML6070_1_T:
    k = 1;
    break;
  case VEML6070_2_T:
    k = 2;
    break;
  case VEML6070_4_T:
    k = 3;
    break;
  }

  *uvi = 11; // if above any range

  int i = 0;
  for (i = 0; i < 4; i++)
  {
    unsigned uv_high = uv_high_1t[i] * k;
    unsigned uv_low = i < 1 ? 0 : uv_high_1t[i - 1] * k + 1;

    if (uv <= uv_high)
    {
      double r = (double)(uv_high - uv) / (double)(uv_high - uv_low);    // relative in range (1-r)
      double d_uvi = index_high[i] - r * (index_high[i] - index_low[i]); // map to UVI range
      *uvi = round(d_uvi);
      break;
    }
  }

  return i;
}

圖形用戶界面

兩個傳感器獲得的環境測量值

• 溫度
• 濕度
• 壓力
• 紫外線輻照度
• 和估計的紫外線指數。顯示為數值。

導出的風險級別顯示為線表，相應地更改其背景顏色以匹配 UV 指數刻度的顏色，并將風險類別（低、中、高、非常高和極端）作為文本。

GUI 屏幕草稿

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遙測

測量結果可以傳輸到云服務，用于收集、記錄、可視化和/或進一步分析。

此項目中描述了兩個示例選項：

• 通過 Wi-Fi 進行通信并傳輸到 ThingSpeak 和
• 通過 LoRaWAN 和 Helium 網絡進行通信，以使用 Ubidots 可視化數據。

遙測選項 1：通過 Wi-Fi 進行的 ThingSpeak

在此示例中，測量值通過對 ThingSpeak API 的簡單 HTTP GET 請求上傳到 ThingSpeak 通道

GET https://api.thingspeak.com/update?api_key=key>&field1=&field2=&field3=&field4=index>

使用Write API Key通道。

由于使用了 Wio 終端的內置 Wi-Fi 功能，因此此選項不需要額外的硬件。Wi-Fi 與 Wio 終端的連接主題在相應的 Seed Wiki 頁面中有詳細描述。

通過定義兩個宏TELEMETRY和TELEMETRY_WIFI_THINGSPEAK在WioTerminalUvSmartMeter.ino中激活此選項

有關更多詳細信息，請參閱代碼部分中的源文件Telemetry_WiFi_ThingSpeak.ino和ThingSpeak 文檔。

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1 / 2 ? ThingSpeak 頻道示例

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遙測選項 2：通過 LoRaWAN / Helium 的 Ubidots

要使用 LoRa/LoRaWAN 連接，必須將 Wio-E5 板連接到 Wio 終端：

使用 Wio-E5 接線，通過 LoRaWAN 進行遙測

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使用 Wio-E5 接線，通過 LoRaWAN 進行遙測

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Telemetry_LoRaWAN_Helium.ino中的代碼取自示例/教程，用于使用 Grove - Wio-E5發送從Wio 終端光傳感器獲得的數據。

要“激活”這個模塊TELEMETRY，TELEMETRY_LORAWAN_HELIUM必須在WioTerminalUvSmartMeter.ino 中定義兩個宏：

/* TELEMETRY
*/
#define TELEMETRY 
#define TELEMETRY_LORAWAN_HELIUM 
#define TELEMETRY_REPORT_UVI_CHANGES_ONLY 
#define TELEMETRY_UPDATE_TIME 600

控制發送間隔的宏TELEMETRY_UPDATE_CYCLE應設置為合理的值（以秒為單位），以避免不必要地“燒毀”DC。如果只關注 UV 指數的變化，設置宏 TELEMETRY_REPORT_UVI_CHANGES_ONLY將導致模塊停止發送數據，如果 UV 指數自上次傳輸以來沒有改變。

此選項的網絡和集成設置主要遵循Seed Studio wiki中的Helium Introduction the Connecting to Helium指南中的說明。

主要步驟是：

• 注冊一個氦氣帳戶。
• 添加/創建一個新設備并相應地配置Telemetry_LoRaWAN_Helium.ino草圖（適用于設備使用區域的頻率/設備標識和密鑰。
• 添加解碼器函數以轉換和/或解析原始有效負載。
• 使用Helium Ubidot 插件為 Ubidots添加集成。
• 創建通過解碼器功能將設備連接到集成的流。

以下設備屬性由 Helium 控制臺自動生成，新設備已創建 -

• 設備 EUI - 64 位終端設備標識符，有時稱為制造商 EUI
• App EUI - 64 位應用程序標識符
• App Key - 128 位 AES 密鑰，用于保護設備和網絡之間的通信

Helium 控制臺 - 添加設備（示例 ID 和密鑰）

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#define Frequency DSKLORAE5_ZONE_EU868

char deveui[] = "6081F97A6178DA10";
char appeui[] = "6081F96DD5894DAA";
char appkey[] = "77D92AAE47B8B686B41707A3E9301CA3";

可以使用 Helium 控制臺中的調試視圖驗證設備數據傳輸

氦氣控制臺 - 調試

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與Telemetry_LoRaWAN_Helium.ino中實現的編碼匹配的解碼器函數可以定義如下：

function Decoder(bytes, port, uplink_info) {
    /*
      The uplink_info variable is an OPTIONAL third parameter that provides the following:
    
      uplink_info = {
        type: "join",
        uuid: ,
        id: ,
        name: ,
        dev_eui: ,
        app_eui: ,
        metadata: {...},
        fcnt: ,
        reported_at: ,
        port: ,
        devaddr: ,
        hotspots: {...},
        hold_time: 
      }
    */

    var decoded = {};

    function to_int(bytes) {
        value = bytes[0] * 256 + bytes[1];
        if (value >= 32768) {
            value = 32768 - value;
        }
        return value;
    }

    function to_float(bytes) {
        value = to_int(bytes) / 100.0;
        return value;
    }

    if (uplink_info && port == 8) {
        decoded.temperature = to_float(bytes.slice(0, 2));
        decoded.humidity = to_float(bytes.slice(2, 4));
        decoded.uv = to_int(bytes.slice(4, 6));
        decoded.index = to_int(bytes.slice(6, 8));
    }

    return decoded;
}

氦氣控制臺 - 功能

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配置與 Helium Ubidots 插件的集成后

氦氣控制臺 - 集成

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并創建流程

氦氣控制臺 - 流量

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來自設備的數據

Ubidots - 設備

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可以在 Ubidots 中使用以可視化儀表板中的傳感器讀數：

Ubidots - 儀表板

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測試

在一個陽光明媚（溫暖）的周日下午進行了測試，設置為 RSET = 270 kΩ；IT = 4T。

測試

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在瀏覽器窗口中顯示了由“輻射防護辦公室”發布的附近（約 30 公里）氣象站的官方讀數（紫外線指數 3）。

測試

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設備上顯示的紫外線指數在 3 和 4 之間變化：

測試

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遙測選項 #2 的測試和演示，在室內使用紫外線燈（發射 UVA/UVB 光的裸露鹵素燈泡，可調光）：

能量消耗

在遙測選項 #2 的測試期間測量了功耗，如下所示：

• 正常操作：118毫安
• 傳輸期間（LoRa/氦氣）：138 mA

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1 / 2 ?功耗（正常運行）：118 mA

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