大狗爱科学：Arduino温度监测

夏天到了，每天在办公室上班的时候尽管开着中央空调，吹着电扇，仍然感到热气袭人。但是这究竟因为办公区人多造成的心理作用，还是确实温度居高不下呢？大狗决定为大家找出答案。

具体来说，我们需要就以下几个问题进行分析：

如果办公室很热，那么，究竟有多热？
办公室全天温度都很高，还是只是一段时间很热？
办公室温度高的原因是什么？

三个问题，简单而直接。但是我们要如何找出答案呢？大狗觉得理想的解决方案应该符合如下几条：

硬件成本低廉（因为我穷啊[哭]）
运行可靠，无需人工参与（好的解决方案应该是插上电源，就可以运行到天荒地老，每天都要重启的系统简直弱爆了好不）
体积小巧（在办公区使用，低调一点比较稳妥，no zuo no die）
独立运行，无需网络支持（因为不想被QS组请喝咖啡）

比较了几种解决方案后，大狗决定使用Arduino单片机实现一个简单的温度监测节点，每隔十秒钟记录一次温度，然后在此基础上进行数据分析。我们需要以下几种硬件：

Arduino单片机（出于性价比考虑，选用Arduino UNO）
SD卡存储模块
DS18B20温度传感器（可以精确到0.5℃，对于办公区温度监测，已经足够了）
DS1307时钟模块（因为Arduino没有内置时钟，而我们需要记录温度对应的时间）
面包板一块（否则就得鼓捣电烙铁）
4.7K欧姆电阻器一只
杜邦线若干
SD卡一张

首先，我们需要设计电路，这个比较简单，在设计软件里随手画画，接线的时候心里有有谱啦。
另外，就是需要编写Arduino的控制程序，使用的是C语言，但是Arduino已经封装了很多的功能，而且可以从GitHub上找到很多开源的类库，就不用重新发明轮子啦。

大概是，这个样子的：

电路图

如果程序可以编译成功，就可以用USB线缆连接电脑和Arduino，把控制程序“烧”进去。

//Libraries for clock chip
#include 
#include "DS1307.h"
DS1307 clock;//define a object of DS1307 class

//Libraries for SD writing
#include 
const int cs=4;
File file;
char fileName[]="log.csv";

//Libraries for temperature reading
#include 
#include 

//Initialize temperature sensor
#define ONE_WIRE_BUS 8
OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
DallasTemperature sensors(&oneWire);

void setup() {
  Serial.begin(9600);

  //Initialize SD Card
  Serial.println("Initializing SD card...");
  if (!SD.begin(cs)) {
    Serial.println("initialization failed!");
    return;
  }
  Serial.println("initialization done.");
  file=SD.open(fileName, FILE_WRITE);
  
  //Start Clock
  clock.begin();
  
  //Turn on the temperature sensor
  sensors.begin();
}

void loop() {
  String currentTime = getTime();
  Serial.println(currentTime);

  //Get temperature from sensor
  sensors.requestTemperatures(); // 发送命令获取温度
  float temperature = sensors.getTempCByIndex(0);
  Serial.println("Temperature: " + String(temperature));

  //Write data to SD card
  if (file) {
    file.println(currentTime + "," + String(temperature));
  } 
  else {
    // if the file didn't open, print an error:
    Serial.println("Error when open file");
  }

  file.flush();

  delay(10000);
}

String getTime()
{
  String result = "";
  clock.getTime();
  if(clock.hour > 9){
    result += String(clock.hour);
  }
  else{
    result += ("0" + String(clock.hour));
  }
  result += ":";
  if(clock.minute > 9){
    result += String(clock.minute);
  }
  else{
    result += ("0" + String(clock.minute));
  }
  result += ":";
  if(clock.second > 9){
    result += String(clock.second);
  }
  else{
    result += ("0" + String(clock.second));
  }
  result += " ";
  result += String(clock.year+2000);
  result += "-";
  if(clock.month > 9){
    result += String(clock.month);
  }
  else{
    result += ("0" + String(clock.month));
  }
  result += "-";
  if(clock.dayOfMonth > 9){
    result += String(clock.dayOfMonth);
  }
  else{
    result += ("0" + String(clock.dayOfMonth));
  }
  return result;
}

接下来，就可以接线啦，接好后，是这个样子的：

接好的效果图

这里，大狗偷了个懒，在Arduino上加了一块传感器扩展板。左侧是DS1307，下面是面包板，面包板上最左侧就是DS18B20温度传感器（比黄豆粒还小），中间是Arduino本体和传感器扩展板，右侧是SD卡存储模块。

把电路接好后，就可以放在一个测试点上，接上电源（其实也可以用9V的叠层电池，但是不确定可以支撑多久，所有还是用的USB线缆，从手机充电器取电，5V妥妥的），让Arduino自己忙活去。大狗该喝咖啡喝咖啡，该刷case刷case。

让Arduino哼哧哼哧忙活了几天后，大狗断开了Arduino的电源，拔下SD卡，把数据文件复制到电脑上，喏，就像这个样子（逗号前面是记录的时间，逗号后面是温度数值）：

08:08:592016-05-11,27.69
08:09:102016-05-11,27.63
08:09:212016-05-11,27.56
08:09:312016-05-11,27.50
08:09:422016-05-11,27.50
08:09:532016-05-11,27.44

但是有几万条数据，一条条看下来会累死狗，于是，大狗又用python写了一个数据解析程序，把温度数值用图表呈现出来（python下有一个叫做matplotlib的类库做工精良还免费我会乱说么~），就像，这样子：

import datetime, csv, os, sys, re
import matplotlib.pyplot as mp
import matplotlib.dates as md
import numpy as np

currentPath = ''
sysPath = sys.path[0]
if os.path.isdir(sysPath):
    currentPath = sysPath
elif os.path.isfile(sysPath):
    currentPath = os.path.dirname(sysPath)
csvFilePath = '%s%s%s' % (currentPath, os.sep, 'log.csv')
reader = csv.reader(file(csvFilePath,'r'))

currentDate = ''
timeList = []
temperatureList = []
colors = ['Aquamarine', 'green', 'red', 'Cyan','Chartreuse', 'Orange', 'Maroon', 'Orchid', 'Salmon', 'Chartreuse']

def addCurve(colorIndex):
    print '%s has %s data items.\n' % (currentDate, len(temperatureList))
    datenums = md.date2num(timeList)
    mp.plot_date(x=datenums, y=temperatureList, xdate=True, ydate=False, color=colors[colorIndex], alpha=0.2, label=currentDate,  linewidth=0.2)

r = re.compile(r'^(?P\d+):(?P\d+):(?P\d+)\s(?P.+)$')

i = 0
for line in reader: # 08:08:59 2016-05-11,27.69
    matchObject = r.match(line[0])
    hour = int(matchObject.group('hour'))
    minute = int(matchObject.group('minute'))
    second = int(matchObject.group('second'))
    date = matchObject.group('date')

    if date != currentDate:
        if currentDate in ('2016-05-17', '2016-05-16', '2016-05-13', '2016-05-12', '2016-05-14'):
            addCurve(i)
            i += 1
        currentDate = date
        timeList = []
        temperatureList = []

    dotTime = datetime.datetime(year=2000, month=1, day = 1, hour = hour, minute = minute, second = second)
    timeList.append(dotTime)
    temperatureList.append(float(line[1]))

#addCurve(i)

mp.xlabel('Time')
mp.ylabel('Temperature')
mp.legend(loc = 'upper left', ncol = 1, borderaxespad = 0, fontsize = 12)
mp.title('Temperature in Office')
mp.show()

在这里，大狗取了2016年5月12，13，16和17四个工作日，以及5月14日这个周末进行对比，运行的结果，是这样的：

温度图线

从图表中可以得到如下结论：

在工作日，办公区的温度确实很高，根据国内外的实验，夏季，人们感到最舒适的气温是19—24℃，从图表中可以看出，即使是相对凉爽的5月16日，办公区测试点的全天温度仍然高于24℃，而在5月17日，最高温度甚至逼近30℃。
在工作日中，温度最高的时间是下午两点至六点之间，上午则相对温度减低。除去气温因素外，由于我选取的温度测试点位于28层，有部分同事上中国时间，部分同事上欧洲时间，而下午两点至六点之间是办公室人最多的时间段，开启的电脑设备也最多，从而直接拉高了办公区的温度。请大家对比一下图表中红色图线，这是5月14日（周六）的温度曲线，大家可以明显看出，周末的温度变化明显区别于工作日，所以人员和电脑设备是导致办公区温度上升的主要因素之一。
还有一个有趣的现象，大家可以从图表中看出，在上午九点前后，在温度曲线上会出现一个小的波峰（在5月13日和16日的图线上尤为明显）。这是由于早晨伴随阳光的射入，办公室温度逐渐上升，九点之后，陆续有同事到办公室并开启中央空调，由于空调吹入的冷空气，测试点温度随后降低。但遗憾的是，给力的中央空调也无法与一百台电脑设备和一百多个热（ku）情（bi）的同事相匹敌[坏笑]
实际上，我们还可以进一步找出其他结论，例如可以在28层部署多个温度测试点，找到28层最热的地方和最凉快的地方，或者增加一个树莓派，利用ZigBee链接多个Arduino节点，实现温度实时监测等，再或者利用Web Service获取外部实时温度，找出办公室的温度变化和外部温度的关系等等。
只有我们有好的创意，心有多大，舞台就有多大。

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