Mixly開源項目設計15： 霾跡彩蛋

賀凱強+吳俊杰

霧霾是目前困擾我國的環境難題，這個難題同樣在洛杉磯、倫敦等城市發生過。2016年冬天，霧霾侵襲了大半個中國，京津冀地區尤甚。在陰郁的霾層籠罩下，人們的身體健康受到了威脅。不明原因的咳嗽、莫名的心理壓力使得大家的生活幸福感急劇下降。但筆者又不得不承認另外一個事實：因為在我國霧霾對身體的危害遠沒有倫敦霧霾那樣危害劇烈、迅速，所以像溫水煮青蛙一樣，人們漸漸習慣了處在這樣的環境下。“冰凍三尺，非一日之寒”，這種潛移默化的危害，同樣需要警惕！在這樣的背景下，筆者運用科學、編程、工程、數學函數等知識，制作了PM2.5霧霾檢測器，并結合3D打印完成了一款科技與藝術結合的作品，希望能對大家起到一定的警示作用（如圖1）。

這款作品是Arduino與3D打印結合形成的創意作品，名字叫“霾跡彩蛋”。顧名思義，它是一個可以檢測霧霾“蹤跡”的彩蛋，并且顏色的變化和霧霾等級對應。作品名字的來歷還是比較有趣的。筆者完成“彩蛋”之后，在微信朋友圈發起征名活動，規定最終的冠名者可以享受一項福利，即冠名者的微信名稱會被雕刻到3D打印的外殼上。大家集思廣益。有的名字比較大氣，如“鼎新華彩”；有的名字比較風趣，如“七彩元氣蛋”（話說一共六種顏色，哪有七彩）；有的名字富有深意，如“達芬奇炫彩蛋”，寓意為達芬奇小時候畫蛋的經歷為之后的科技與藝術創作提供了極好的基礎，與作品包含的科技與藝術元素對應。考慮到“霧霾”和“彩蛋”兩個因素，最終筆者選擇了“霾跡彩蛋”。

● 制作：紅外粉塵傳感器的連接

俗話說，“工欲善其事，必先利其器”。想要完成項目任務，檢測到PM2.5顆粒，就需要深入了解霧霾檢測器的工作原理。霧霾檢測器的核心部件為粉塵傳感器。在這里，筆者使用了紅外粉塵傳感器。因此，了解紅外粉塵傳感器的性能、工作原理及其工作過程極為關鍵。

Sharp紅外粉塵傳感器（GP2Y1010AU0F）對像香煙煙霧這樣的顆粒十分敏感，因此常用于空氣凈化系統（如圖2）。紅外線發射二極管和光電晶體管對角式地排列在這款設備中，能夠檢測到空氣粉塵中的反射光。這款傳感器的電流消耗很低（最大電流20mA，通常11mA），并且能夠在高達7伏的直流電下啟動。傳感器的模擬輸出電壓是同標準灰塵密度成比例的，其靈敏度為0.5V/0.1mg/m3。（請參考http：//www.dfrobot.com.cn/goods-698.html）

如下頁圖3所示，接下來要處理的是紅外粉塵傳感器與Arduino板的連接。

接線過程中需要使用一個數字端口、一個模擬端口和兩個供電端口。如下頁表1所示，筆者選擇用數字端口2控制紅外粉塵傳感器當中的LED，用模擬端口A0來接受霧霾濃度的測量值。

● 改裝：LCD屏幕和多色LED的連接

如圖4所示，顯示屏可以更為精細地顯示當前霧霾傳感器的測量值，在改裝環節中可以將它和用于直觀顯示霧霾狀況的多色LED配合起來使用。其中顯示器的接線圖如圖5所示。

表2是其相對應的表示圖表。

多色LED可用來直觀演示霧霾的變化情況，它相當于把3個LED燈合并在一起，分別表示紅色、綠色和藍色，這三種顏色被稱為光的三原色，因此通過它們之間的組合可以混合出各種顏色（如圖6）。

具體的接線如表3所示。

通過RGB的組合，可以讓多色LED呈現出多種不同的顏色，在UNO控制板中，R、G、B的數值分別用模擬輸出控制，模擬輸出從0到255的數值，這個數值越大代表某種顏色的色光越亮。

RGB燈與Arduino連接，用來顯示霧霾等級。筆者查找資料得出：PM2.5濃度為0～50ug/m3，等級為優，用綠色代表；PM2.5濃度為50～100ug/m3，等級為良，用黃色代表；PM2.5濃度為100～150ug/m3，等級為一般，用橙色代表；PM2.5濃度為150～200ug/m3，等級為較差，用紅色代表；PM2.5濃度為200～300ug/m3，等級為差，用紫色代表；PM2.5濃度為300～500ug/m3，等級為極差，用深紫色代表（因為RGB燈紫色和深紫色對比不明顯，因此最高等級定為藍色）。經過調試，這六種顏色的RGB參數如下頁表4所示。

筆者最終使用3D建模軟件設計出一個UNO控制板和LED彩燈的外殼，這樣就完成了作品的制作（如下頁圖7）。

● 玩轉：使用Mixly的液晶屏庫

筆者在這個項目中使用的液晶屏為1602，意思是它可以顯示兩行，每一行可以顯示16個英文字母或者數字，首先需要對其進行初始化操作（如圖8）。

接下來，需要按照粉塵傳感器的標定函數來確定液晶屏的顯示情況。需要注意的是，因為涉及復雜的小數運算，變量a、b、c的數值均應為小數，不能使用整數（如圖9）。

這樣就完成了液晶屏顯示的效果，之后是讓彩燈根據c的數值展現出不同的顏色，程序如圖10所示。作品完成后，就可以用不同色光表示不同霧霾指數了。

● 分享：在創酷網上分享你的作品

使用創酷網（chuangkoo.com）可以將一個創客作品分享到互聯網上，但需要提前申請一個賬號，然后將分步驟的文件分別上傳，對于這種涉及3D打印的作品，還可以將3D建模的原始模型一并上傳，以便他人模仿該作品（如圖11）。

通過分享，在方便他人重新制作這款作品的同時，也可以得到一些社群的反饋。這給了筆者兩點啟示：第一，通過分布式的加工中心，很多對生活有用的產品可以不通過大工業生產獲得，完全可以由創客空間自行獲得。第二，這種分布式的生產，可以使物質的豐富被可循環利用的方案的豐富替代，有可能獲得一種新的工業形態以至于文明形態，而這正是創客教育最值得期許的事情。從教學層面來看，該案例比較復雜，也比較綜合，如果作為一個一天的項目課程，它可以讓很多學生一次性地從零起點接觸到程序設計、開源硬件和3D打印三種基本技能，不失為一種比較好的針對少課時或者營地課程的選擇。

本案例的分享視頻將會在以下公眾號中陸續登載。