在树莓派上使用ZPH01监测PM2.5和VOC

前几天发现我的Xbox内置存储空间不足了，希捷的Xbox Expansion Card又太贵了，发现bilibili有人发了一篇文章可以DIY这个扩展卡《【全站首发？】自制次世代XBOX专用存储卡（扩容）》。技术原理并不复杂，就是一个CFe到NVMe的转接器+微软定制CH SN530。

但是这个转接器又太贵了，海鲜市场都要100元，在网上搜到了有开源的设计，https://github.com/neg2led/cfxsx，恰巧国内的嘉立创可以免费给打样，于是我就去打了一个，顺便买了点电子元件回来玩。

这么好的东西，既能检测PM2.5还能检测VOC（可挥发性有机物），当然要留给树莓派啊

了解ZPH01

ZPH01有两种输出，PWM和UART，先不管这是什么……

有5个针脚，如下表所示

接线

于是我就把用杜邦线接上了，两个输出分别接到了16号GPIO23和18号GPIO24

获取数据

import RPi.GPIO as GPIO

# BOARD是树莓派上的编号，比如我接的是GPIO23，编号是16。也可以用BCM，那么编号就是23了。
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)

GPIO.setup(16, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)
GPIO.input(16) # 获取输入，如果想要输出高电压，那就GPIO.OUTPUT(16,GPIO.HIGH)

GPIO.setup(18, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)
GPIO.input(18)

这样就能够获取到GPIO针脚的输入，要么是0，要么是1，在我看来这玩意就有点随机变化的感觉了。

然后呢？で？

PWM

脉冲宽度调制（英语：Pulse-width modulation，缩写：PWM），简称脉宽调制，是将模拟信号变换为脉冲的一种技术。

emm咋说呢，举例来看，说明书里有这样一个波形，当我从GPIO中读到0度时候，那么就是低脉冲（低电压），读到1的时候，那么就是高脉冲（高电压）。

这个设备的脉冲周期是1秒，也就是说，如果我在1秒的时间范围内，读到了200ms读低脉冲，那么低脉冲率就是20%。那么这个低脉冲率有什么用？

继续往下看手册，发现了这么一个图

哟呵，这不是初中学过的一次函数吗？低脉冲率为10%，差不多意味着平均有6000个PM2.5颗粒。

同理，颗粒物浓度也是有一个一次函数图表，可以根据低脉冲率计算出颗粒物浓度。

再次同理，VOC的输出也可以计算低脉冲率，根据说明书10%的低脉冲率就是VOC1级，20%就是2级，也就分别对应优和良。这个设备会输出四个等级，可惜的是无法辨别化合物的类别。

那么也就是说，写一个算法，一秒钟取样，就能拿到环境中的数据了。

emmm我不会写，我太菜了。

UART

通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通常称为UART）是一种异步收发传输器，是电脑硬件的一部分，将数据透过串列通信进行传输。

emm就是一种串口啦，恰巧树莓派上的8和10就是UART的TX和RX。TX是发送数据，RX是接收数据。

ZPH01在控制口接地的时候，输出模式会变成UART，1秒输出一次。连接参数是这样的

数据格式是这样的

树莓派使用串口

树莓派有两个串口，一个是模拟的ttyS0，一个是硬件的ttyAMA0。硬件的那个更靠谱，波特率不会受到CPU频率的影响。

我用的是Ubuntu，启用串口大概可以参考这篇问答，简单摘抄如下：

sudo systemctl stop [email protected]
sudo systemctl disable [email protected]
sudo systemctl mask [email protected]

# /etc/udev/rules.d/10-local.rules
KERNEL=="ttyS0", SYMLINK+="serial0" GROUP="tty" MODE="0660"
KERNEL=="ttyAMA0", SYMLINK+="serial1" GROUP="tty" MODE="0660"

sudo udevadm control --reload-rules && sudo udevadm trigger
sudo adduser $USER tty

# remove console=serial0,115200 from /boot/firmware/cmdline.txt
# add newline dtoverlay=disable-bt to /boot/firmware/config.txt

重启之后就可以了，ls可以看到串口

lrwxrwxrwx 1 root root 5 Jan 10 04:56 /dev/serial0 -> ttyS0
lrwxrwxrwx 1 root root 7 Jan 10 04:56 /dev/serial1 -> ttyAMA0

此时我们可以把ZPH01的TXD也就是PIN4接到树莓派的10号口GPIO15

然后打开minicom看下有没有数据：

sudo minicom

Ctrl+A+Z然后再按O可以设置串口

波特率9600，数据位校验位根据上面的图标设置，8N1就对了

在screen and keyboard中按S可以显示hex（十六进制）

保存退出之后就会发现，屏幕上出现了神奇的16进制数字，每到一组ff意味着出现了新的一组数据，也就是说ff 18 00 02 3a 00 01 00 ab这便是一组数据了。

同时用Python也可以读得到这些数据的

那么VOC等级是7，也就是00，那么就是优；撒点酒精到传感器旁边，

诚不欺我！

PM2.5的低脉冲率，根据数据格式，是3和4，0x00+0x39/100，也就是

>>> int(data[3], 16) + int(data[4], 16) / 100
0.57

0.57%，再根据图标计算出一次方程的……公式，就可以得出来值了。

库

为方便自己搞事情，我写了个简单的library，可以用来处理这些数据，同时加上了PM2.5的欧盟标准

具体使用方法如下，先安装 pip install zph01

>>> from zph01 import ZPH01
>>> zph = ZPH01()
>>> zph.output()
{'VOC status': 'Good', 'PM 2.5 percent': 1.6, 'PM 2.5 count': 960.0, 'PM 2.5 level': 32.0, 'PM 2.5 status': 'Poor'}
>>>

哈哈哈够用就好

结语

• 放在角落里吃灰，先不弄InfluxDB+Grafana了。这玩意有啥用啊……真是的😂浪费钱浪费精力，熬了两个晚上哦。
• 等我的CFe到了，我会再搞一波。不过CH SN530是奇葩的PCIe 4.0x2，竟然只有两个通道，并且国外有小哥测试过PCIe 4.0x4和3.0x4的都不行。CH SN530主控是PS5019-E19。也许等微软开放了限制就可以了？谁知道他们有没有签什么独家协议以及如果有，什么时候到期……