Mixly开源项目设计15： 霾迹彩蛋

贺凯强+吴俊杰

雾霾是目前困扰我国的环境难题，这个难题同样在洛杉矶、伦敦等城市发生过。2016年冬天，雾霾侵袭了大半个中国，京津冀地区尤甚。在阴郁的霾层笼罩下，人们的身体健康受到了威胁。不明原因的咳嗽、莫名的心理压力使得大家的生活幸福感急剧下降。但笔者又不得不承认另外一个事实：因为在我国雾霾对身体的危害远没有伦敦雾霾那样危害剧烈、迅速，所以像温水煮青蛙一样，人们渐渐习惯了处在这样的环境下。“冰冻三尺，非一日之寒”，这种潜移默化的危害，同样需要警惕！在这样的背景下，笔者运用科学、编程、工程、数学函数等知识，制作了PM2.5雾霾检测器，并结合3D打印完成了一款科技与艺术结合的作品，希望能对大家起到一定的警示作用（如图1）。

这款作品是Arduino与3D打印结合形成的创意作品，名字叫“霾迹彩蛋”。顾名思义，它是一个可以检测雾霾“踪迹”的彩蛋，并且颜色的变化和雾霾等级对应。作品名字的来历还是比较有趣的。笔者完成“彩蛋”之后，在微信朋友圈发起征名活动，规定最终的冠名者可以享受一项福利，即冠名者的微信名称会被雕刻到3D打印的外壳上。大家集思广益。有的名字比较大气，如“鼎新华彩”；有的名字比较风趣，如“七彩元气蛋”（话说一共六种颜色，哪有七彩）；有的名字富有深意，如“达芬奇炫彩蛋”，寓意为达芬奇小时候画蛋的经历为之后的科技与艺术创作提供了极好的基础，与作品包含的科技与艺术元素对应。考虑到“雾霾”和“彩蛋”两个因素，最终笔者选择了“霾迹彩蛋”。

● 制作：红外粉尘传感器的连接

俗话说，“工欲善其事，必先利其器”。想要完成项目任务，检测到PM2.5颗粒，就需要深入了解雾霾检测器的工作原理。雾霾检测器的核心部件为粉尘传感器。在这里，笔者使用了红外粉尘传感器。因此，了解红外粉尘传感器的性能、工作原理及其工作过程极为关键。

Sharp红外粉尘传感器（GP2Y1010AU0F）对像香烟烟雾这样的颗粒十分敏感，因此常用于空气净化系统（如图2）。红外线发射二极管和光电晶体管对角式地排列在这款设备中，能够检测到空气粉尘中的反射光。这款传感器的电流消耗很低（最大电流20mA，通常11mA），并且能够在高达7伏的直流电下启动。传感器的模拟输出电压是同标准灰尘密度成比例的，其灵敏度为0.5V/0.1mg/m3。（请参考http：//www.dfrobot.com.cn/goods-698.html）

如下页图3所示，接下来要处理的是红外粉尘传感器与Arduino板的连接。

接线过程中需要使用一个数字端口、一个模拟端口和两个供电端口。如下页表1所示，笔者选择用数字端口2控制红外粉尘传感器当中的LED，用模拟端口A0来接受雾霾浓度的测量值。

● 改装：LCD屏幕和多色LED的连接

如图4所示，显示屏可以更为精细地显示当前雾霾传感器的测量值，在改装环节中可以将它和用于直观显示雾霾状况的多色LED配合起来使用。其中显示器的接线图如图5所示。

表2是其相对应的表示图表。

多色LED可用来直观演示雾霾的变化情况，它相当于把3个LED灯合并在一起，分别表示红色、绿色和蓝色，这三种颜色被称为光的三原色，因此通过它们之间的组合可以混合出各种颜色（如图6）。

具体的接线如表3所示。

通过RGB的组合，可以让多色LED呈现出多种不同的颜色，在UNO控制板中，R、G、B的数值分别用模拟输出控制，模拟输出从0到255的数值，这个数值越大代表某种颜色的色光越亮。

RGB灯与Arduino连接，用来显示雾霾等级。笔者查找资料得出：PM2.5浓度为0～50ug/m3，等级为优，用绿色代表；PM2.5浓度为50～100ug/m3，等级为良，用黄色代表；PM2.5浓度为100～150ug/m3，等级为一般，用橙色代表；PM2.5浓度为150～200ug/m3，等级为较差，用红色代表；PM2.5浓度为200～300ug/m3，等级为差，用紫色代表；PM2.5浓度为300～500ug/m3，等级为极差，用深紫色代表（因为RGB灯紫色和深紫色对比不明显，因此最高等级定为蓝色）。经过调试，这六种颜色的RGB参数如下页表4所示。

笔者最终使用3D建模软件设计出一个UNO控制板和LED彩灯的外壳，这样就完成了作品的制作（如下页图7）。

● 玩转：使用Mixly的液晶屏库

笔者在这个项目中使用的液晶屏为1602，意思是它可以显示两行，每一行可以显示16个英文字母或者数字，首先需要对其進行初始化操作（如图8）。

接下来，需要按照粉尘传感器的标定函数来确定液晶屏的显示情况。需要注意的是，因为涉及复杂的小数运算，变量a、b、c的数值均应为小数，不能使用整数（如图9）。

这样就完成了液晶屏显示的效果，之后是让彩灯根据c的数值展现出不同的颜色，程序如图10所示。作品完成后，就可以用不同色光表示不同雾霾指数了。

● 分享：在创酷网上分享你的作品

使用创酷网（chuangkoo.com）可以将一个创客作品分享到互联网上，但需要提前申请一个账号，然后将分步骤的文件分别上传，对于这种涉及3D打印的作品，还可以将3D建模的原始模型一并上传，以便他人模仿该作品（如图11）。

通过分享，在方便他人重新制作这款作品的同时，也可以得到一些社群的反馈。这给了笔者两点启示：第一，通过分布式的加工中心，很多对生活有用的产品可以不通过大工业生产获得，完全可以由创客空间自行获得。第二，这种分布式的生产，可以使物质的丰富被可循环利用的方案的丰富替代，有可能获得一种新的工业形态以至于文明形态，而这正是创客教育最值得期许的事情。从教学层面来看，该案例比较复杂，也比较综合，如果作为一个一天的项目课程，它可以让很多学生一次性地从零起点接触到程序设计、开源硬件和3D打印三种基本技能，不失为一种比较好的针对少课时或者营地课程的选择。

本案例的分享视频将会在以下公众号中陆续登载。