上一篇文章改造了一个智能空气净化器，可以计算滤芯的使用寿命— 介绍智能净化器的硬件改造方案。本文介绍了如何实现智能空气净化器的各种净化模式、滤芯检测和滤芯寿命计算功能。
一. 功能需求
：智能空气净化器通常有三种工作模式：自动、手动和睡眠App切换。风扇转速可根据检测环境中有害物质的浓度自动控制，UV灯、屏幕灯等。也可以通过NFC检测滤芯是否安装，读取滤芯生产信息，智能计算滤芯寿命。
| 功能 | 说明 |
|---|---|
| 设备功能 | 1. 主按键： 长按开关机，短按切换不同的工作模式（自动、手动、睡眠）。2. 屏幕按键： 短按切换屏幕和指示灯的状态（PM2.5，PM10，TVOC，温度、湿度、关闭)， 长按进入配网模式。3. 显示屏：三位断码屏，通过屏幕按钮显示空气指标PM2.5数据、PM10数据、TVOC数据、温度、湿度。4. 蜂鸣器：按键音和报警提醒。5. 若滤芯仓门打开，则设备断电不工作。6. NFC芯片：每次启动时检测滤芯NFC读取滤芯信息并报告是否存在。 |
| App功能 | 1. 总开关。2. 童锁：APP打开后，无法使用设备端按钮。3. 静音：APP打开后，设备端按钮静音。4. 定时：APP设置后，启动定时开关功能。5. 智能杀菌：需要APP手动开启。6. 空气指标显示：PM2.5数据、PM10数据、TVOC数据、温度、湿度。7. 滤芯寿命显示及重置，支持APP也支持手动重置NFC识别后自动重置。8. 工作模式：自动模式、手动模式、睡眠模式。运行自动模式功能的自动模式。本模式下的风速档位可手动设置。睡眠模式，20%的风速进入睡眠档位，屏幕LED灯关闭。9. 风速档位：睡眠(20%)，低(40%)，中(70%)，高(100%)。 |
| 智能功能 | 1. 自动模式-风扇自动调节功能。2. 自动模式-环保功能:当室内空气质量优良(0-35)并保持一段时间(2)h）关闭风扇以节约能源PM2.5如果再次超过35，则启动风扇自动调节。3. 自动模式-睡眠功能：当光传感器检测到房间变暗时，设备会自动关闭灯和屏幕。如果空气质量保持良好（30min），将风扇降至最低档(20%风速)。4. 智能杀菌功能:温度20°湿度超过65%，接近4h杀菌(打开)无触发UV灯)，打开UV杀菌持续1h。5. 滤芯NFC检测功能:检测滤芯是否存在，读取滤芯类别和生产信息，防盗版。6. 滤芯寿命智能计算功能：智能计算滤芯粉尘累计吸附量，获得滤芯剩余寿命，并根据粉尘吸附速度和设备使用频率估算滤芯剩余可用时间。 |
| 配网功能 | 通用Wi-Fi BLE配网，长按配网按钮重置配网。 |
二. 环境搭建
2.1 开发环境建设
(1)开发环境建设可参考Wi-Fi 模块二次开发教程-1. SoC构建开发环境。如果已经有虚拟机和乌班图的开发环境，可以直接跳到剩余环境到处建设。
(2)产品创建可参考Wi-Fi模块二次开发教程-2. 涂鸦IoT平台介绍。创建产品后，添加产品标准功能DP点和自定义功能DP点。空气净化器DP点如下表。
（3）参考Wi-Fi模块二次开发课程-3. 快速上手完成代码修改编译，上传固件token、烧录授权及设备配网。
2.2 功能DP点
| DP ID | 功能点 | 标识符 | 数据传输类型 | 数据类型 | 功能点属性 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 开关 | switch | 可下发可上报 | bool | 无 |
| 2 | PM2.5 | pm25 | 只上报 | value | 数值范围: 0-700,间距: 1, 倍数: 0,单位: ug/m3 |
| 3 | 模式 | mode | 可下发可上报 | enum | 枚举值: manual, auto, sleep |
| 4 | 风速 | fan_speed_enum | 可下发可上报 | enum | 枚举值: sleep, low, mid, high |
| 5 | 滤芯寿命 | filter_life | 只上报 | value | 数值范围: 0-100,间距: 1, 倍数: 0,单位: % |
| 7 | 童锁 | child_lock | 可下发可上报 | bool | 无 |
| 8 | 灯光 | light | 可下发可上报 | bool | 无 |
| 9 | UV杀菌 | uv | 可下发可上报 | bool | 无 |
| 11 | 滤芯复位 | filter_reset | 可下发可上报 | bool | 无 |
| 12 | 室内温度 | temp_indoor | 只上报 | value | 数值范围: -20-50,间距: 1, 倍数: 0,单位: ℃ |
| 13 | 室内湿度 | humidity | 只上报 | value | 数值范围: 0-100,间距: 1, 倍数: 0,单位: % |
| 14 | TVOC | tvoc | 只上报 | value | 数值范围: 0-999,间距: 1, 倍数: 0,单位: ug/m3 |
| 16 | 滤芯剩余天数 | filter_days | 只上报 | value | 数值范围: 0-1000,间距: 1, 倍数: 0,单位: day |
| 17 | 累计工作时间 | runtime_total | 只上报 | value | 数值范围: 0-5256000,间距: 1, 倍数: 0,单位: min |
| 18 | 倒计时 | countdown_set | 可下发可上报 | enum | 枚举值: cancel, 1h, 2h, 3h, 4h, 5h |
| 19 | 倒计时剩余时间 | countdown_left | 只上报 | value | 数值范围: 0-360,间距: 1, 倍数: 0,单位: min |
| 20 | 累计吸收颗粒 | pm_total | 只上报 | value | 数值范围: 0-10000000,间距: 1, 倍数: 0,单位: mg |
| 22 | 故障告警 | fault | 只上报 | fault | 故障值: e1, e2 |
| 23 | 温标切换 | temp_unit_convert | 可下发可上报 | enum | 枚举值: c, f |
| 101 | PM10 | pm10 | 只上报 | value | 数值范围: 0-999,间距: 1, 倍数: 0,单位: ug/m3 |
| 102 | 滤芯种类 | filter_type | 只上报 | enum | 枚举值: standard, Antibacterial, Aldehyde_removal, Professional |
| 103 | 静音 | sound_switch | 可下发可上报 | bool | 无 |
三. 总体设计
3.1 模块划分
对功能需求进行分析梳理后，可将空气净化器demo程序划分为以下八大模块：
| No. | 模块 | 处理内容 |
|---|---|---|
| 1 | 外设驱动组件 | 按键、电机、段码显示屏、NFC读卡器、空气质量传感器等驱动程序 |
| 2 | 设备基础服务 | 设备开关、状态处理、模式切换、本地定时等 |
| 3 | 显示处理服务 | 段码液晶屏显示空气指标数据、LED灯指示段码屏显示的空气指标内容 |
| 4 | 环境检测服务 | 检测空气质量环境、光线亮暗情况 |
| 5 | 数据计算处理 | 自动风扇转速算法滤芯寿命和粉尘吸附量的计算和存储、滤芯NFC数据解析 |
| 6 | 用户事件处理 | 按键事件检测和处理、仓门开关事件检测和处理 |
| 7 | 定时事件处理 | 各定时事件的判断和处理 |
| 8 | 联网相关处理 | 配网相关处理、数据上报与接收处理、云端时间获取 |
3.2 代码结构
tuya_air_cleaner_demo
├── platform /* 涂鸦通用 Tuya IoTOS SDK 的开发编译环境和工具链 */
├── sdk /* 存放涂鸦通用 Tuya IoTOS SDK 的头文件和库文件 */
└── app /* 存放涂鸦通用 Tuya IoTOS SDK 的 demo */
├── src /* 源文件目录 */
│ ├── common
│ │ ├── tuya_device.c /* 应用层入口 */
│ │ ├── tuya_dp_process.c /* DP上下发处理 */
│ │ ├── tuya_iot_funtion.c /* 连接IOT云 */
│ │ └── tuya_key_funtion.c /* 按键处理 */
│ ├── driver
│ │ ├── mfrc522
│ │ │ ├── tuya_mfrc522_app.c /* NFC芯片mfrc522中间层驱动 */
│ │ │ └── tuya_mfrc522.c /* NFC芯片mfrc522驱动 */
│ │ ├── tm1650
│ │ │ ├── soc_i2c.c /* 软件I2C模拟驱动 */
│ │ │ ├── tm1650_app.c /* 液晶显示屏芯片tm1650中间层驱动 */
│ │ │ └── tm1650.c /* 液晶显示屏芯片tm1650驱动 */
│ │ ├── tuya_buz_driver.c /* 蜂鸣器驱动 */
│ │ ├── tuya_hardware_driver.c /* 硬件GPIO驱动 */
│ │ ├── tuya_lcd_display.c /* 液晶屏应用层驱动 */
│ │ └── tuya_motor_driver.c /* 风扇电机驱动 */
│ └── function
│ ├── tuya_air_quality_funtion.c /* 空气质量获取和显示功能 */
│ ├── tuya_automatic_mode_funtion.c /* 自动模式相关功能 */
│ ├── tuya_countdown_funtion.c /* 倒计时功能 */
│ ├── tuya_filter_funtion.c /* 滤芯寿命相关功能 */
│ ├── tuya_mode_funtion.c /* 模式切换相关功能 */
│ ├── tuya_nfc_funtion.c /* 滤芯NFC检测相关功能 */
│ └── tuya_timer_funtion.c /* Timer相关功能 */
└── include
├── common
│ ├── tuya_device.h
│ ├── tuya_dp_process.h
│ ├── tuya_iot_funtion.h
│ └── tuya_key_funtion.h
├── driver
│ ├── mfrc522
│ │ ├── tuya_mfrc522_app.h
│ │ └── tuya_mfrc522.h
│ ├── tm1650
│ │ ├── soc_i2c.h
│ │ ├── tm1650_app.h
│ │ └── tm1650.h
│ ├── tuya_buz_driver.h
│ ├── tuya_hardware_driver.h
│ ├── tuya_lcd_display.h
│ └── tuya_motor_driver.h
└── function
├── tuya_air_quality_funtion.h
├── tuya_automatic_mode_funtion.h
├── tuya_countdown_funtion.h
├── tuya_filter_funtion.h
├── tuya_mode_funtion.h
├── tuya_nfc_funtion.h
└── tuya_timer_funtion.h
3.3 应用框架
下图所示为基于 Tuya Wi-Fi SDK 的应用框架：
-
Platform：所使用的芯片平台，芯片 + 协议栈由芯片公司维护。
-
Port：Tuya Wi-Fi SDK 所需要的抽象接口，需要用户根据具体的芯片平台移植实现。
-
Tuya Wi-Fi SDK ： 封装了涂鸦 Wi-Fi 通信协议，提供构建涂鸦 Wi-Fi 应用所需的服务接口。
-
Application：基于Tuya Wi-Fi SDK 构建的应用。
-
Tuya SDK API：API用于设备实现Wi-Fi相关的管理、通信等，API的调用将采用基于消息的异步机制，API的执行结果将会以 Message 或者 Call back 的方式通知给设备的 Application。
-
SDK Config：Tuya Wi-Fi SDK 可裁剪可配置，通过配置文件中的宏定义可将 Tuya Wi-Fi SDK 设置成不同模式，例如配置成适用于多协议设备的通用配网模式、单模配网模式、是否使用 OS 等。
-
Main Process：为 Tuya SDK API 的主引擎，Application 需要一直调用，如果 Platform 架构是带OS的，Tuya Wi-Fi SDK 会基于 Port 层提供的OS相关接口自动创建一个任务用于执行Main Process，如果是非OS平台，需要设备 Application 循环调用。
-
Message or Call back：SDK 通过 Message 或者设备 Application注册的 Call back 函数向设备 Application 发送数据（状态、数据等）。
3.4 驱动软件模块
3.5 方案流程图
（1）模式选择功能流程图：
（2）按键功能流程图
（3）滤芯检测流程图
4. 功能实现
4.1 外设驱动
4.1.1 段码液晶屏
段码液晶屏由 3 * 8 断码屏和 5 个指示灯构成，分别对应PM2.5，PM10，TVOC，温度，湿度。
其中外挂驱动芯片 TM1650，I2C 通信，本文demo中使用 2 * GPIO 模拟 I2C 。
/** * @brief: tuya_lcd_show_num * @desc: show num on lcd * @param[in] number:-99<number<999 * @return OPERATE_RET OPRT_OK is sucess, other is fail */
OPERATE_RET tuya_lcd_show_num(IN INT_T number)
{
OPERATE_RET op_ret = OPRT_OK;
MINUS_FLAG_E minus_flag = MINUS_NULL;
UCHAR_T i = 0;
UCHAR_T bit[3];
if (number > MAX_NUM) {
number = MAX_NUM;
}
if (number < MIN_NUM) {
number = MIN_NUM;
}
if (number < 0) {
if (number > -10) {
//-10<number<0
minus_flag = MINUS_TEN;
} else {
//-100<number<-10
minus_flag = MINUS_HUNDRED;
}
number = number * (-1);
}
bit[0] = number / 100 % 10; //hundred
bit[1] = number / 10 % 10; //ten
bit[2] = number % 10; //one
/* hundred == 0 */
if (bit[0] == 0) {
if (minus_flag == MINUS_HUNDRED) {
bit[0] = SEG_SHOW_MINUS; //hundred bit show minus
} else {
bit[0] = SEG_SHOW_NULL; //hundred bit show null
}
/* ten == 0 */
if (bit[1] == 0) {
if (minus_flag == MINUS_TEN) {
bit[1] = SEG_SHOW_MINUS; //ten bit show minus
} else {
bit[1] = SEG_SHOW_NULL; //ten bit show null
}
}
}
/* i2c send command and data */
for (i = 0; i < 3; i++) {
op_ret = tuya_tm1650_app_write(dig[i], seg_num[bit[i]]);
if (op_ret != OPRT_OK) {
PR_ERR("tuya_tm1650_app_write error:%d", op_ret);
return op_ret;
}
}
return op_ret;
}
/** * @brief: tuya_led_show * @desc: Choose the led that led show * @param[in] show_led: 0,1,2,3,4,5 * @return OPERATE_RET OPRT_OK is sucess, other is fail */
OPERATE_RET tuya_led_show(IN CONST UCHAR_T show_led)
{
OPERATE_RET op_ret = OPRT_OK;
//Check the input parameter, show_led: 0~5
if (show_led > 5) {
PR_ERR("show_led input parameter error!");
return OPRT_INVALID_PARM;
}
/* i2c send command and data */
op_ret = tuya_tm1650_app_write(dig[3], seg_led[show_led]);
if (op_ret != OPRT_OK) {
PR_ERR("tuya_tm1650_app_write error:%d", op_ret);
return op_ret;
}
return op_ret;
}
4.1.2 风扇电机
采用空气净化器专用的直流无刷电机，模块主要引脚如下表。
| 引脚 | I/O | 直流电压值 | 说明 |
|---|---|---|---|
| CLK | IN | VIH：4.5~5.0VIL：0.5V max | CLK = 50~425 HzDuty 50% |
| FG | OUT | VIH：4.5~5.0VIL：0.5V max | FG（Hz）= SPEED[r/min] * 15/60 |
| BRK | IN | VIH：4.5~5.0VIL：0.5V max | Hi：BREAK ON （Motor Stop）Low：BREAK OFF （Motor Start） |
电源和I/O引脚输入步骤：
开机：5V on > 24V on > CLK
关机：BRK输入Hi > CLK信号输入Low > 24V off > 5V off
：
/** * @brief: _tuya_motor_start * @desc: start motor to control fan speed * @param[in] percent:set fan speed percent, 0.2~1 * @return OPERATE_RET OPRT_OK is sucess, other is fail */
STATIC OPERATE_RET _tuya_motor_start(IN CONST FLOAT_T percent)
{
OPERATE_RET op_ret = OPRT_OK;
FLOAT_T speed_percent = 0;
speed_percent = percent;
//Check the input parameter, percent: 0.2~1
if (speed_percent < 0.2) {
speed_percent = 0.2;
}
if (speed_percent > 1) {
speed_percent = 1;
}
/* Break pin off */
tuya_gpio_write(MOROR_BRK_PIN, TRUE);
/* Start motor pwm */
op_ret = tuya_motor_pwm_start(430 * speed_percent); //430hz is max frequency
if (op_ret != OPRT_OK) {
PR_ERR("tuya_motor_pwm_start error:%d", op_ret);
return op_ret;
}
return op_ret;
}
/** * @brief: tuya_motor_stop * @desc: stop motor * * @return OPERATE_RET OPRT_OK is sucess, other is fail */
OPERATE_RET tuya_motor_stop(VOID_T)
{
OPERATE_RET op_ret = OPRT_OK;
/* Break pin on */
tuya_gpio_write(MOROR_BRK_PIN, FALSE);
/* stop motor pwm */
op_ret = tuya_pwm_stop(p_pwm_motor);
if (op_ret != OPRT_OK) {
PR_ERR("stop motor pwm error:%d", op_ret);
return op_ret;
}
/* set g_fan_speed_percent value*/
g_fan_speed_percent = 0;
PR_DEBUG("ali, tuya_motor_stop suc");
return op_ret;
}
4.2 应用功能
4.2.1 空气指标获取
向空气质量传感器发送命令，然后读取UART数据缓存，解析得到空气质量指标。
CONST UCHAR_T uart_buf_tx[4] = {
0x11, 0x01, 0x16, 0xD8};
/** * @brief: tuya_get_air_quality_index * @desc: get air quality index * * @return OPERATE_RET OPRT_OK is sucess, other is fail */
STATIC OPERATE_RET tuya_get_air_quality_index(VOID_T)
{
OPERATE_RET op_ret = OPRT_OK;
UINT_T tmp_len = 0, read_len = 0, read_time = 0;
UCHAR_T uart_buf_rx[UART_BUFSZ];
UINT_T cs_check_num = 0;
/* write command 11 01 16 D8 */
tuya_uart_write(p_uart0, uart_buf_tx, sizeof(uart_buf_tx));
/* read the return data */
do {
tmp_len = tuya_uart_read(p_uart0, &uart_buf_rx[read_len], UART_BUFSZ - read_len);
read_len += tmp_len;
if (read_time++ > 20) {
PR_ERR("uart no return data");
return OPRT_COM_ERROR;
}
tuya_hal_system_sleep(10);
} while (read_len < UART_BUFSZ);
/* check frame header */
if ((uart_buf_rx[0] != 0x16) || (uart_buf_rx[1] != 0x13) || (uart_buf_rx[2] != 0x16)) {
PR_ERR("uart receive data error, frame header");
return OPRT_COM_ERROR;
}
/* check cs check num */
cs_check_num = 256 - tuya_get_check_sum(uart_buf_rx, UART_BUFSZ-1);
if (uart_buf_rx[UART_BUFSZ-1] != cs_check_num) {
PR_ERR("uart receive data error, cs check num");
return OPRT_COM_ERROR;
}
/* set air quality index value */
g_air_quality_index.pm25 = uart_buf_rx[9]*256 + uart_buf_rx[10];
g_air_quality_index.pm10 = uart_buf_rx[11]*256 + uart_buf_rx[12];
g_air_quality_index.tvoc = (uart_buf_rx[3]*256 + uart_buf_rx[4]); //ppb，alitest
g_air_quality_index.temperature = (uart_buf_rx[13]*256 + uart_buf_rx[14] - 500)/10;
g_air_quality_index.humidity = (uart_buf_rx[15]*256 + uart_buf_rx[16])/10;
return op_ret;
}
4.2.2 风扇自动调节
风扇自动调节规则：
| 空气质量 | 风扇转速 | |
|---|---|---|
| 115+ | 污染 | 保持最大风速运行，对应最大占空比，同时主控监测PM2.5的变化，如果一直在 115+，则一直最高档运行。 |
| 75 - 115 | 微污染 | 80% 风速运行，同时检测PM2.5的变化，每隔 30s 检测一次PM2.5的变化数值，如果下降小于 1，则切换最大风速运行，在PM2.5到达 75 下之前，保持最大风速。 |
| 35 - 75 | 良 | 60% 风速运行，同时检测PM2.5的变化，30s 内数值下降小于 1，则切换为80% 风速，下个 30s 数值下降仍小于 1，则切换 100% 风速（如果大于 1，则保持 80% ），之后保持 100% 风速，直到pm2.5降到 35 以内。 |
| 0 - 35 | 优 | 40% 风速运行，同时检测PM2.5变化，30s 数值如果下降超过1，则维持风速运行；如果数值不降反升（超过 35 ），则切换为上述工作模式。 |
滤芯寿命降低导致净化效果衰减，通过风速提升进行补偿：
80-100%， 按上述规则
50-80%， 风速提升10%
20-50%，风速提升20%
0-20%，风速提升30%
/** * @brief: tuya_auto_fan_speed_start * @desc: start auto fan speed * @param[in] start: * TRUE: start * FLASE: stop * @return OPERATE_RET OPRT_OK is sucess, other is fail */
OPERATE_RET tuya_auto_fan_speed_start(IN CONST BOOL_T start)
{
OPERATE_RET op_ret = OPRT_OK;
if (FALSE == start) {
tuya_pm25_scan_timer_stop();
PR_DEBUG("stop auto fan speed");
/* release flag */
compare_flag.pm25_75_115 = FALSE;
compare_flag.pm25_35_75 = FALSE;
compare_flag.pm25_35_75_again = FALSE;
motor_already_stop = FALSE;
return op_ret;
}
/* release time */
g_pm25_good_time = 0;
/* scan pm2.5 value once */
PR_DEBUG("start auto fan speed");
tuya_pm25_scan();
/* cycle scan pm2.5, 30s */
tuya_pm25_scan_timer_start();
return op_ret;
}
/** * @brief: tuya_pm25_scan * @desc: scan pm2.5 value once * * @return OPERATE_RET OPRT_OK is sucess, other is fail */
OPERATE_RET tuya_pm25_scan(VOID_T)
{
OPERATE_RET op_ret = OPRT_OK;
PM25_VALUE_RANGE_E pm25_value_range;
FLOAT_T speed_percent = 0;
UINT_T pm25_new = 0;
pm25_new = g_air_quality_index.pm25;
g_pm25_reduction = g_pm25_last - pm25_new;
g_pm25_last = pm25_new;
/* Check whether to into the dark sleep mode */
if (TRUE == stop_auto_speed_flag) {
return op_ret;
}
/* Check whether to into the environmental mode */
if (pm25_new < 35) {
//hold for 2 hours, 240*30 s
if (g_pm25_good_time++ >= 240) {
if (g_pm25_good_time > 1000) {
g_pm25_good_time = 1000;
}
if (FALSE == motor_already_stop) {
tuya_motor_stop();
motor_already_stop = TRUE;
}
return op_ret;
}
} else {
g_pm25_good_time = 0;
motor_already_stop = FALSE;
}
/* Check pm2.5 value range */
if (pm25_new >= 115) {
pm25_value_range = PM25_RANGE_115;
} else if (pm25_new >= 75) {
pm25_value_range = PM25_RANGE_75_115;
} else if (pm25_new >= 35) {
pm25_value_range = PM25_RANGE_35_75;
} else {
pm25_value_range = PM25_RANGE_35;
}
/* control fan speed */
switch (pm25_value_range)
{
/* pm2.5: 115+ */
case PM25_RANGE_115:
speed_percent = 1;
break;
/* pm2.5: 75-115 */
case PM25_RANGE_75_115:
if (TRUE == compare_flag.pm25_35_75_again) {
speed_percent = 1;
} else {
speed_percent = 0.8;
}
if (TRUE == compare_flag.pm25_75_115) {
speed_percent = tuya_pm25_compare_75_115();
} else {
compare_flag.pm25_75_115 = TRUE;
}
break;
/* pm2.5: 35-75 */
case PM25_RANGE_35_75:
compare_flag.pm25_75_115 = FALSE;
speed_percent = 0.6;
if (TRUE == compare_flag.pm25_35_75) {
speed_percent = tuya_pm25_compare_35_75();
compare_flag.pm25_35_75 = FALSE;
} else if ((TRUE == compare_flag.pm25_35_75_again)) {
speed_percent = tuya_pm25_compare_35_75_again();
} else {
compare_flag.pm25_35_75 = TRUE;
}
break;
/* pm2.5: 0-35 */
case PM25_RANGE_35:
compare_flag.pm25_75_115 = FALSE;
compare_flag.pm25_35_75_again = FA