描述

背景

這是一種使用 Android 設(shè)備上的藍(lán)牙通信以及支持藍(lán)牙的 Arduino 來控制和監(jiān)控紫外線殺菌燈的方法。該藍(lán)牙控制模塊是為嶺南大學(xué)嶺南創(chuàng)業(yè)計(jì)劃的“紫外光”計(jì)劃設(shè)計(jì)的，用于控制紫外線殺菌燈。該項(xiàng)目所使用的燈能夠?qū)ο愀鄣牡褪杖胱》窟M(jìn)行消毒。在 COVID-19 大流行期間，來自當(dāng)?shù)胤钦M織的志愿者使用這些燈對(duì)香港 1000 多個(gè)低收入住宅進(jìn)行了消毒。這些藍(lán)牙控制的燈設(shè)計(jì)為安全、耐用且易于使用。該項(xiàng)目由嶺南大學(xué)、香港大學(xué)社會(huì)工作及社會(huì)行政學(xué)系合作，由香港賽馬會(huì)慈善信托基金資助的明愛青年及社區(qū)服務(wù)和健康行動(dòng)

該項(xiàng)目可用于控制任何紫外線（或傳統(tǒng)燈），但專門設(shè)計(jì)并使用 Project Ultra-Violite 燈進(jìn)行了測(cè)試。

該項(xiàng)目存在使用交流電源以及 C 波段紫外線的風(fēng)險(xiǎn)。

使用主電源并與之交互是危險(xiǎn)的。此項(xiàng)目中的接線只能由受過培訓(xùn)且能夠熟練使用主電源的人員完成。如果您不熟悉交流電源的安全要求，請(qǐng)向受過適當(dāng)培訓(xùn)的技術(shù)人員尋求幫助。

C波段的紫外線對(duì)眼睛和皮膚有害。接觸會(huì)導(dǎo)致失明和灼傷。切勿以您或其他生物可能以任何方式暴露在光線下的方式操作燈。您必須確保沒有人與燈光在同一個(gè)房間內(nèi)，或在燈光運(yùn)行時(shí)可能暴露在燈光下的任何位置。

概述

該項(xiàng)目由四個(gè)主要組件組成：將 Arduino Nano BLE 連接到傳感器和紫外線燈的電路，用于與傳感器和燈交互的 Arduino 代碼，使用 MIT App Inventor 創(chuàng)建的用于交互和監(jiān)控?zé)舻?Android 應(yīng)用程序，以及用于將控制器連接到三腳架的 3D 打印支架。

材料

這些燈使用常見的市售硬件，并帶有一些可選的 3D 打印部件以幫助組裝。讓我們回顧一下制作燈所需的零件的詳細(xì)信息：

• Arduino Nano BLE Sense。該微控制器用于在 Android 應(yīng)用程序、燈和傳感器之間進(jìn)行接口。選擇它主要是因?yàn)樗乃{(lán)牙功能。任何支持低功耗藍(lán)牙的 Arduino 都適用于該項(xiàng)目。
• 被動(dòng)紅外運(yùn)動(dòng)傳感器。這些傳感器用于確定操作期間是否有人或其他生物靠近燈。如果傳感器跳閘，燈會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。每個(gè)傳感器都有大約 100 度的視野，因此使用三個(gè)安裝在圓形圖案中的傳感器可以提供近 360 度的覆蓋范圍。
• GUVA-S12SD紫外線傳感器。用于監(jiān)控?zé)舻臓顟B(tài)，無論它們是否亮起。這使用戶可以確保燈已按預(yù)期打開，從而對(duì)目標(biāo)空間進(jìn)行了消毒。它還通過顯示燈是否打開或關(guān)閉，向用戶指示房間是否可以安全進(jìn)入。
• 10A250V繼電器。用于觸發(fā)燈光。
• 8通道雙向電平轉(zhuǎn)換器。用于調(diào)整工作在 3.3V 的 Arduino Nano 和工作在 5V 的繼電器之間的信號(hào)電壓。該項(xiàng)目選擇了 8 通道電平轉(zhuǎn)換器，以考慮使用更多 5V 傳感器或繼電器的可能性。但是，對(duì)于當(dāng)前配置中的項(xiàng)目，只需要一個(gè)通道。
• Hilink HLK-PM01 5V AC/DC穩(wěn)壓器。從燈的主電源為 Arduino 和傳感器提供 5V 電源。如果您接受過適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)并且習(xí)慣于使用交流電源，則可以在電路中包含此穩(wěn)壓器來為這些其他組件供電。如果沒有，則使用其他電源，例如小電池或手機(jī)充電器。
• 安卓設(shè)備。使用隨附的 Android 應(yīng)用程序通過藍(lán)牙與燈連接。
• 原型板。構(gòu)建電路的平臺(tái)。

電路

電路的核心是 Arduino Nano BLE Sense。這提供了使用 Android 設(shè)備通過藍(lán)牙與電路進(jìn)行通信的能力。Arduino 從四個(gè)傳感器接收信息——三個(gè) PIR 傳感器和一個(gè) UV-C 傳感器。PIR 傳感器連接到 Arduino 的三個(gè)數(shù)字引腳，每個(gè)引腳都連接到 5V 電源和接地。UV-C 傳感器連接到 Arduino 的模擬引腳之一，以及 5V 電源和接地。

Arduino 有兩個(gè)主要輸出，10A 繼電器和一個(gè)狀態(tài) LED。繼電器充當(dāng)開關(guān)來打開和關(guān)閉燈的電源。它通過電平轉(zhuǎn)換器連接到 Arduino，因?yàn)?Arduino Nano 工作在 3.3V，繼電器只能由 5V 信號(hào)觸發(fā)。電平轉(zhuǎn)換器連接到來自 Arduino Nano 的 3.3V 電源（用于 3.3V 邏輯參考）、來自穩(wěn)壓器的 5V 電源（用于 5V 邏輯參考）和公共接地。電平轉(zhuǎn)換器還有一個(gè)使能引腳，當(dāng)驅(qū)動(dòng)為高電平時(shí)，該引腳使能電平轉(zhuǎn)換器的輸出。因此，它通過一個(gè) 1K 歐姆電阻連接到 Arduino Nano 上的數(shù)字引腳。繼電器還連接到 5V 電源和接地。燈的帶電電源線穿過繼電器，可以打開和關(guān)閉。

狀態(tài) LED 通過 1K 歐姆電阻連接到 Arduino 的數(shù)字引腳。它充當(dāng)控制單元的電源和連接狀態(tài)的視覺指示器。

通過使用 HiLink HLK-PM01 5V AC/DC 穩(wěn)壓器提供電源。它通過 13 安培保險(xiǎn)絲連接到主電源。如果您接受過適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)并且習(xí)慣于使用交流電源，則可以在電路中包含此穩(wěn)壓器來為這些其他組件供電。如果沒有，則使用其他電源，例如小電池或手機(jī)充電器。如果您選擇使用手機(jī)充電器，可以通過 USB 端口連接到 Arduino。原理圖的重置保持不變。如果您選擇使用 HiLink HLK-PM01，您可以考慮使用來自 OpenHardware 的分線板：該分線板使用兩種類型的保險(xiǎn)絲和壓敏電阻增加了安全性。

您可以根據(jù)下面的示意圖將電路組裝在面包板、原型板、條板或其他類似平臺(tái)上。雖然我們尚未為該電路創(chuàng)建印刷電路板，但如果其他人希望這樣做，我們已經(jīng)包含了初步的 Eagle 文件。

外殼

由于該項(xiàng)目包括交流電源，因此適當(dāng)?shù)耐鈿?duì)于防止意外接觸高壓非常重要。我們使用了尺寸為 150 毫米 x 70 毫米 x 27 毫米的通用塑料電氣外殼。我們用熱膠安裝了原型板、繼電器和 3D 打印部件。

我們還設(shè)計(jì)了一個(gè)支架，將盒子和 PIR 運(yùn)動(dòng)傳感器連接到用于固定燈的 Phottix P220 三腳架上（請(qǐng)參閱我們?cè)诖颂帢?gòu)建燈的教程）。CAD 文件包含在本教程中，但可能需要針對(duì)不同尺寸的外殼或三腳架進(jìn)行修改。

Arduino代碼

Arduino 代碼是使用 ArduinoBLE 庫編寫的。低功耗藍(lán)牙設(shè)備可以是外圍設(shè)備，充當(dāng)服務(wù)器來保存正在通信的信息，也可以是中央設(shè)備，它向外圍設(shè)備查詢數(shù)據(jù)，并可以修改外圍設(shè)備中包含的數(shù)據(jù)。在我們的實(shí)現(xiàn)中，Arduino 是外圍設(shè)備，連接的 Android 設(shè)備是中央設(shè)備。

低功耗藍(lán)牙通信以服務(wù)為中心，允許組織設(shè)備之間通信的數(shù)據(jù)。每個(gè)服務(wù)都包含多個(gè)特征，這些特征包含特定的數(shù)據(jù)。在此示例中，有一個(gè)服務(wù)（“l(fā)ightService”服務(wù)）和四個(gè)特性。有一個(gè) Characteristic 保存關(guān)于繼電器是否應(yīng)該打開或關(guān)閉的數(shù)據(jù)，一個(gè)保存關(guān)于運(yùn)動(dòng)傳感器是否已被觸發(fā)的數(shù)據(jù)，一個(gè)保存來自 UV-C 傳感器的數(shù)據(jù)，一個(gè)保存關(guān)于是否有任何數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)Android 設(shè)備連接到 Arduino。這些服務(wù)和特征在草圖的開頭定義，如下面的代碼塊所示。

在草圖的開頭還定義了本地名稱。這很重要，因?yàn)?Android 應(yīng)用程序會(huì)在自動(dòng)連接到燈時(shí)搜索此名稱的一部分。例如，我們的 Android 應(yīng)用程序版本在可用藍(lán)牙設(shè)備的名稱中搜索短語“LU_Light”。如果它找到這個(gè)短語，它會(huì)自動(dòng)連接。因此，我們使用的燈光被命名為“LU_Light_1”、“LU_Light_2”、“LU_Light_3”等。因此，您應(yīng)該選擇設(shè)置 LocalName 以包含您編寫 Android 應(yīng)用程序要搜索的任何短語。更多內(nèi)容在下面的“Android 應(yīng)用程序”部分中進(jìn)行了解釋。

代碼的下一部分是Arduino引腳的標(biāo)準(zhǔn)定義和變量的初始化：

在設(shè)置部分，看門狗定時(shí)器首次出現(xiàn)。看門狗定時(shí)器用于處理 Arduino 的任何意外斷開連接或凍結(jié)。此計(jì)時(shí)器倒計(jì)時(shí)所需的時(shí)間（在本例中為 2 秒）。通過在代碼中調(diào)用resetWDT()戰(zhàn)略位置，我們可以確保計(jì)時(shí)器不會(huì)達(dá)到零。如果該resetWDT()命令從未被調(diào)用并且計(jì)時(shí)器達(dá)到零，這意味著 Arduino 在下一個(gè)resetWDT()命令之前已凍結(jié)或斷開連接。因此，看門狗定時(shí)器重新啟動(dòng) Arduino，允許我們重新連接到它。這一點(diǎn)尤其重要，因?yàn)橛脩羰冀K能夠監(jiān)控?zé)舻臓顟B(tài)并在必要時(shí)關(guān)閉燈是至關(guān)重要的。

此草圖中的看門狗定時(shí)器特別有用，因?yàn)槭褂?ArduinoBLE 庫的 Arduino Nano BLE 存在一個(gè)已知錯(cuò)誤。Arduino Nano BLE 無法正確識(shí)別斷開事件。因此，如果 Android 設(shè)備意外斷開連接，Arduino 可能會(huì)繼續(xù)像已連接一樣，然后無法重新連接和監(jiān)視或控制燈。為了克服這個(gè)問題，Arduino 監(jiān)聽來自 Android 設(shè)備的輪詢消息。如果它收到此消息，我們知道它們?nèi)匀徽_連接，并且可以重置看門狗定時(shí)器并且 Arduino 繼續(xù)正常運(yùn)行。如果沒有及時(shí)收到輪詢消息，則看門狗定時(shí)器不會(huì)重置，達(dá)到“零”，并重新啟動(dòng) Arduino。

特別感謝 Arduino 用戶dniklewicz提出使用看門狗定時(shí)器的建議。

在下面的代碼片段中，enableWDT()和resetWDT()是在草圖末尾定義的函數(shù)。在這個(gè)片段中，我們也可以看到 resetWDT() 函數(shù)的第一次使用。我們嘗試啟動(dòng)藍(lán)牙庫。如果它無法開始，我們會(huì)保持 LED 閃爍以指示出現(xiàn)問題。該resetWDT()函數(shù)用于 while 循環(huán)中，以防止看門狗定時(shí)器達(dá)到零和 Arduino 重新啟動(dòng)。

在下一節(jié)中，配置藍(lán)牙服務(wù)。接下來，將特征添加到服務(wù)中，確保其數(shù)據(jù)對(duì)連接的設(shè)備可見。此外，還附加了運(yùn)動(dòng)傳感器的中斷。如果運(yùn)動(dòng)傳感器檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)，它將觸發(fā)此中斷。

下一部分開始循環(huán)，該循環(huán)將重復(fù)運(yùn)行。在循環(huán)中，Arduino 監(jiān)聽要連接的設(shè)備。如果沒有連接，LED 會(huì)閃爍。我們?cè)谶@里看到另一個(gè)resetWDT()確保看門狗定時(shí)器不會(huì)啟動(dòng) Arduino 的重啟。

下一部分處理運(yùn)動(dòng)傳感器。正如稍后將在草圖中看到的那樣，在最初打開燈后的三秒鐘內(nèi)，運(yùn)動(dòng)傳感器被禁用。這是因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)當(dāng)燈打開時(shí)發(fā)生的突然的光線變化錯(cuò)誤地觸發(fā)了運(yùn)動(dòng)傳感器。因此，我們?cè)诖蜷_燈后短時(shí)間內(nèi)禁用運(yùn)動(dòng)傳感器。如果自燈打開以來已經(jīng)足夠長(zhǎng)（大約 3 秒），我們重新啟用運(yùn)動(dòng)傳感器。

如果運(yùn)動(dòng)傳感器已被觸發(fā)（由草圖末尾的中斷服務(wù)程序motionFlag 設(shè)置為），那么我們更改 motionCharacteristic 的值，該值將自動(dòng)報(bào)告給連接的設(shè)備并向用戶顯示一條消息。我們還通過切換繼電器自動(dòng)關(guān)閉燈。最后，設(shè)置為以便以后可以在需要時(shí)再次觸發(fā)。truemotionDetected()motionFlagfalse

下一節(jié)處理來自其他特征的數(shù)據(jù)。首先是connectionCharacteristic，它跟蹤 Android 設(shè)備是否仍處于連接狀態(tài)。它通過偵聽0x01Android 設(shè)備發(fā)送的值來實(shí)現(xiàn)。這表明它們?nèi)蕴幱谶B接狀態(tài)，因此看門狗定時(shí)器被復(fù)位。如果 Android 設(shè)備發(fā)送 0x00，這表明用戶希望斷開與燈的連接。

這switchCharacteristic是燈的“開/關(guān)”開關(guān)。如果 Android 設(shè)備發(fā)送0x01，則用戶已按下“開啟”按鈕。因此繼電器打開（由低信號(hào)觸發(fā)）。如上所述，運(yùn)動(dòng)傳感器也被暫時(shí)禁用以避免由于燈的快速閃爍而導(dǎo)致錯(cuò)誤觸發(fā)，并且記錄時(shí)間以便可以在大約三秒內(nèi)重新啟用運(yùn)動(dòng)傳感器。如果0x00發(fā)送了字節(jié)，則用戶希望關(guān)閉燈并關(guān)閉繼電器（設(shè)置為高電平）。

由于出于安全原因，用戶在操作時(shí)不能與燈在同一個(gè)房間，因此我們配備了一個(gè)紫外線傳感器，以便他們可以驗(yàn)證燈是真正打開還是關(guān)閉。紫外線傳感器按所需的時(shí)間間隔輪詢，默認(rèn)情況下每秒輪詢一次。我們使用 10 讀數(shù)運(yùn)行平均值來確定紫外線水平是否超過閾值。該變量uvReadings是一個(gè)包含 10 個(gè) UV 讀數(shù)的列表，索引為 1 到 10。讀數(shù)分 10 個(gè)步驟收集。在每一步，從總讀數(shù)中減去該步驟的舊讀數(shù)，并添加新讀數(shù)。然后通過將總數(shù)除以所讀取的讀數(shù)數(shù)量來收集平均值。如果平均值低于閾值，則確定燈關(guān)閉，并且0x00byte 被發(fā)送到 Android 設(shè)備，以便為用戶創(chuàng)建指示。如果平均值高于閾值，則指示燈亮起0x01 并向 Android 設(shè)備發(fā)送一個(gè)字節(jié)。

最后一部分是草圖中前面使用的函數(shù)。第一個(gè)是用于啟用看門狗定時(shí)器的功能。值得注意的是CRV，它是用來設(shè)置超時(shí)時(shí)間的。它的計(jì)算公式為超時(shí) = (CRV-1)/32768。因此，如果您希望有 6 秒的超時(shí)，則必須將 CRV 設(shè)置為 196609，因?yàn)?(196609 - 1) / 32768 = 6。此計(jì)算來自用于在處理器中保持時(shí)間的晶體的自然頻率 32768赫茲。

第一部分是用于復(fù)位看門狗定時(shí)器的代碼。最后一個(gè)是在運(yùn)動(dòng)傳感器被觸發(fā)時(shí)使用的中斷服務(wù)程序。如果您不熟悉 Arduino 中斷，可以在此處了解更多信息：http: //gammon.com.au/interrupts。如果觸發(fā)發(fā)生在燈打開后的三秒內(nèi)，我們故意禁用燈，則什么也不做。如果不是，則將motionFlag變量設(shè)置為 true。在循環(huán)的下一次迭代中，繼電器將關(guān)閉，并向 Android 設(shè)備發(fā)送一條消息，指示已檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)。

安卓應(yīng)用

Android 應(yīng)用程序是使用帶有 BluetoothLE 擴(kuò)展的 MIT App Inventor 2 構(gòu)建的。該應(yīng)用程序旨在與一組三個(gè)燈一起使用。但是，它也可以僅與一套或兩套一起使用。燈的主要功能是通過藍(lán)牙將 Android 設(shè)備連接到燈、打開和關(guān)閉燈、監(jiān)控?zé)舻臓顟B(tài)以及處理燈運(yùn)動(dòng)傳感器檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)通知。

當(dāng)用戶打開應(yīng)用程序時(shí)，他們會(huì)看到四個(gè)按鈕，允許他們連接到設(shè)備、斷開與設(shè)備的連接、打開連接的燈或關(guān)閉連接的燈。屏幕的下半部分顯示每個(gè)燈的狀態(tài)。燈的名稱顯示在左側(cè)。連接狀態(tài)使用中心的“無線”符號(hào)指示。穿過符號(hào)的紅色“X”表示燈未斷開。沒有“X”表示設(shè)備已連接。右側(cè)會(huì)顯示一個(gè)燈泡圖標(biāo)，指示燈是否亮起。否則，沒有燈泡出現(xiàn)表示燈已關(guān)閉。

第一步是連接到可用的燈。當(dāng)用戶按下連接按鈕時(shí)，應(yīng)用程序開始掃描可用的藍(lán)牙設(shè)備，并將其聚合到一個(gè)列表中。在掃描過程中，無線圖標(biāo)為黃色。對(duì)于它找到的每個(gè)藍(lán)牙設(shè)備，它都會(huì)查詢?cè)O(shè)備的名稱。如果設(shè)備的名稱與用于指定 UV 燈的前綴匹配，在我們的例子中，我們使用前綴LU_Light ，那么它將連接到該燈。

連接燈后，將顯示設(shè)備名稱并且無線圖標(biāo)變?yōu)樗{(lán)色。

當(dāng)連接了所需數(shù)量的燈時(shí)，可以使用“ON”按鈕打開燈。按下“ON”按鈕會(huì)導(dǎo)致 Android 設(shè)備向上述0x01所有燈發(fā)送一個(gè)字節(jié)switchCharacterstic。當(dāng)燈亮起時(shí)，燈中的紫外線傳感器會(huì)檢測(cè)到這一點(diǎn)，燈內(nèi)的 Arduinos 會(huì)0x01在statusCharacteristic. 然后使用屏幕右側(cè)的燈泡圖標(biāo)在屏幕上指示。

按下“OFF”按鈕會(huì)導(dǎo)致一個(gè)0x00字節(jié)被發(fā)送到所有的燈switchCharacteristic。當(dāng)燈中的紫外線傳感器檢測(cè)到它們沒有打開時(shí)，Arduinos 會(huì)發(fā)送一個(gè) 0x00 byteon statusCharacteristic，并且燈泡圖標(biāo)會(huì)消失。

當(dāng)其中一個(gè)燈檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)時(shí)，Arduino 會(huì)在motionCharacteristic. 這會(huì)觸發(fā) Arduino 設(shè)備向所有燈發(fā)送一個(gè)0x00字節(jié)switchCharacteristic，確保所有燈都關(guān)閉。應(yīng)用程序屏幕上顯示一條消息。可以通過單擊“X”圖標(biāo)清除此消息。

每當(dāng)燈連接到 Android 應(yīng)用程序時(shí)，Android 設(shè)備都會(huì)0x01在connectionCharacteristic. 如上面的 Arduino 部分所述，這表明設(shè)備仍然正確連接。當(dāng)按下“斷開連接”按鈕時(shí)，應(yīng)用程序會(huì)在所有燈上發(fā)送一個(gè)0x00字節(jié)。connectionCharacteristic這會(huì)觸發(fā)他們斷開連接。盡管 MIT App Inventor 包含一個(gè)“斷開連接”功能，但發(fā)現(xiàn)它不能與 Arduino Nano BLE Sense 可靠地工作，因此我們沒有發(fā)送明確的“斷開連接”命令，而是發(fā)送0x00觸發(fā) Arduino 自行斷開連接的字節(jié)。

安裝 Application.apk 文件

我們已經(jīng)包含了應(yīng)用程序的 .apk 文件以及使用 .aia 格式的 MIT App Inventor 項(xiàng)目文件。要從 .apk 安裝，只需在您的 Android 設(shè)備上從下方下載文件。點(diǎn)擊下載的文件將開始安裝過程。您可能需要在設(shè)備設(shè)置中允許安裝非市場(chǎng)應(yīng)用程序。有關(guān)安裝 from.apk 的更多信息，

使用包含的 Arduino 代碼和 .apk 文件是最簡(jiǎn)單的入門方法。如果您想修改應(yīng)用程序，請(qǐng)按照以下步驟操作。

使用 MIT App Inventor 修改應(yīng)用程序

要修改應(yīng)用程序，您需要先在 MIT App Inventor 上創(chuàng)建一個(gè)帳戶（如果您沒有帳戶）。然后，從下面下載.aia 文件。在 MIT App Inventor 中，單擊文件 -> 導(dǎo)入并選擇 .aia 文件。打開文件將帶您進(jìn)入 App Inventor 工作區(qū)，您可以在其中從 Designer 選項(xiàng)卡修改界面或從 Blocks 選項(xiàng)卡修改代碼。包含的代碼已完整記錄。要在 MIT App Inventor 中查看評(píng)論，請(qǐng)單擊每個(gè) Block 左上角的問號(hào)。

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