基于Windows 10平台的PM2.5检测器制作

    本篇文章详细讲解了如何利用SDS011激光式PM2.5传感器、HC-06蓝牙模块和Windows 10设备完成一个简单的PM2.5检测器及其应用程序的开发。该检测器使用蓝牙完成数据输出，方便设备连接，使用UWP模板创建的应用可以运行在Window 10 for PC、Window 10 for Mobile和树莓派(Window 10 IoT Core)平台，通过该应用查看PM2.5和PM10的动态数据。

1. 使用的硬件

    首先，我们需要选择一款PM2.5的传感器，通过淘宝搜索发现，PM2.5传感器主要有两种，一种是利用红外原理，另一种是利用激光散射原理。使用红外原理的传感器价格相对便宜，如夏普GP2Y1010AU0F，其价格在20元以内，但是校准相对较难。激光散射原理的传感器在测量准确性和数据的一致性上较好，也无需用户进行数据校准的工作，使用简单方便。因此，这里选用了激光式的PM2.5传感器：SDS011。其外观如下。

    SDS011的输出有串口数据和PWM波两种形式，一般来说，使用串口比较方便，以下是其通信的数据协议。

    其次，淘宝上拿到的SDS011是通过TTL-USB的方式输出信号的，在PC上只要有USB接口就可以虚拟一个串口出来，接收其输出的信号。但是，这对于很多应用场景都不大适合，原因就在于受限其USB的接口，需要设备具备该USB接口。目前，很多手机、PC和平板都具有蓝牙模块，因此，我考虑使用一个成本较低的蓝牙模块来替换原来的TTL-USB模块，将SDS011的TTL-UART输出直接接蓝牙模块，由蓝牙来发送数据。这样一来，很多没有USB接口的设备都可以连接检测器了。而且，蓝牙是短距离无线连接，可以在室内视距情况下完成数据的发送和接收，不受限于有线连接的形式。经过调研，发现HC-06模块可以满足要求，淘宝上价格一般在20元以下，可以拿来直接当串口蓝牙模块使用。其模块图如下。

2. 硬件连接

    这里的硬件连接主要是SDS011和蓝牙模块的连接，以及整体的供电电源。通过查看模块说明得知，这两个模块的电源电压可以在一定范围内。手头正好有一个Arduino Uno R3，提供5V的输出。因此，这里就直接使用Arduino模块的电源作为整体的电源。另外一个需要注意的地方就是，HC-06模块的UART和SDS011的UART数据收发需要交叉，即其中一个的Tx需要连接另一个模块的Rx，Rx需要连接另一个模块的Tx。已经连接好的实物图如下，这里使用了一个小面包板和跳线。

 

 

    目前，很多PC、平板和手机都包含了蓝牙模块，因此就可以直接与我们设计的模块通信，获取数据了。如果用户需要在没有蓝牙模块的PC上获取数据，需要在PC上插一个蓝牙USB Dongle，淘宝上也有的是，价格也不贵。另外，如果用户在Windows 10 IoT Core上运行应用程序，如树莓派2、MBM板子（高通410c除外，自带了蓝牙4.0模块），同样需要另加一个蓝牙USB Dongle。

3. UWP应用程序开发

    Windows 10 提供了通用应用模板，支持包含PC、Mobile和IoT平台的通用应用开发，真正做到了一次开发，全平台运行。因此，这里使用通用应用模板来开发程序，可以部署到多个Windows 10内核的平台。事实上，微软在Github平台上给出了通用应用的很多示例，拿来就能用。比如这里，我们可以直接下载IoT Core的串口示例，其链接为：https://github.com/ms-iot/samples/tree/develop/SerialSample。在该示例程序中，已经包含了串口设备的获取、参数的设置、数据的接收、数据的发送等基本功能。本应用中不同之处在于以下几点：首先，接收的数据编码不同，示例程序中默认是字符串，而SDS011模块发送的是16进制的数据；其次，SDS011的串口参数为9600波特率，每个一秒发送一次数据，我们的应用程序只负责打开串口，接收并处理数据就可以。因此，其具体处理如下：

    在数据接收任务ReadAsync中，关键代码如下：

        private async Task ReadAsync(CancellationToken cancellationToken)
        {
            Task<UInt32> loadAsyncTask;
            。。。。       //此处省略已有代码    

            UInt32 bytesRead = await loadAsyncTask;
            if (bytesRead > 0)
            {
                byte[] fileContent = new byte[dataReaderObject.UnconsumedBufferLength];
                try
                {

                    //读取数据
                    dataReaderObject.ReadBytes(fileContent);

                    //数据转换为16进制
                    for(int i=0;i< fileContent.Length;i++)
                    {
                        string recvdtxt1 = fileContent[i].ToString("X2");
                        recvdtxt += recvdtxt1;
                    }                    
                    System.Diagnostics.Debug.WriteLine(recvdtxt);
                    this.textBoxRecvdText.Text = recvdtxt;
                 }
                catch (Exception ex)
                {
                    System.Diagnostics.Debug.WriteLine("ReadAsync: " + ex.Message);
                }
            }
        }

     在数据处理的定时Tick中，获取字符串数据，并进行数据解析和转换，同时显示到界面上，其关键代码如下：

       private async void dataProcessTick(ThreadPoolTimer timer)
       {

           //分别获取PM2.5和PM10数据字符串
           string str1 = recvdtxt.Substring(4,2);
           string str2 = recvdtxt.Substring(6,2);
           string str3 = recvdtxt.Substring(8, 2);
           string str4 = recvdtxt.Substring(10, 2);
           //完成数据计算

           double pm25 = (Convert.ToInt32(str1,16) + (Convert.ToInt32(str2,16)) * 256) / 10.0;
           double pm10 = (Convert.ToInt32(str3,16) + (Convert.ToInt32(str4,16)) * 256) / 10.0;

           //完成数据显示                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    

           await textBoxPM25Text.Dispatcher.RunAsync(Windows.UI.Core.CoreDispatcherPriority.Normal, () =>
               {
                   textBoxPM25Text.Text = Convert.ToString(pm25);
               }
           );
           await textBoxPM10Text.Dispatcher.RunAsync(Windows.UI.Core.CoreDispatcherPriority.Normal, () =>
               {
                   textBoxPM10Text.Text = Convert.ToString(pm10);
               }
           );
       。。。。。
       }

4. 程序调试和部署

    在PC上调试时，先打开蓝牙模块，与HC-06进行绑定，默认密码为1234，对象选择x86，local machine，就可以部署到PC上进行调试了。我这里使用了SP3（自带蓝牙），其界面如下，

    其中，1处为原始接收的16进制数据，2处为计算得到的PM2.5数据，3处为PM10的数据。

    在Mobile上调试时，选择ARM-Device，其运行效果如前面2.硬件连接一节所示。

    在树莓派上调试时，先插上蓝牙USB Dongle，如下图所示，

    然后，参考《Pairing a BLE Device and GATT Attribute Table Dump Tool》，利用SSH或者Powershell与树莓派建立连接，使用指令将树莓派与HC-06建立绑定，绑定以后，可以通过设备页面查看，其效果如下，

    之后，选择ARM，Remote Machine，输入树莓派的IP地址，点击调试，就可以看到应用程序在树莓派上运行了。其输出界面如下图所示。

参考链接：

1. https://github.com/ms-iot/samples/tree/develop/SerialSample

2. Pairing a BLE Device and GATT Attribute Table Dump Tool