空气污染是指各种悬浮于大气中的气体、液体和固体，它们对人体健康会造成有害影响。其实我们大多数人在室内的时间还是很长的，那么室内空气污染对我们健康的影响就很大。根据世界卫生组织的数据，每年有 380 万人因室内空气污染引起的疾病过早死亡。因此，不管是办公室还是家里，使用高品质的空气质量监测系统都至关重要。
室内空气的主要污染物包括总挥发有机物（ Total Volatile Organic Compound， TVOC）、二氧化碳（ CO2）和尘粒直径最大为 2.5 微米的颗粒物（ PM2.5）等。还有两个参数会影响室内空气的质量：室内环境的湿度和温度水平。室内空气质量监测器（ Air Quality Monitor， AQM）是一种实时监测系统，可测量上述污染物和参数的值。智能安全的 AQM 能够通过无线通信将监测到的空气质量参数传输到云服务器，以进行实时数据建模、实时污染数据映射、智能通知以及生成自动报告。
在本方案中， AQM 系统使用 8 位 AVR®处理器 ATmega4808 单片机（ AVR MCU）中独立于内核的外设（ CoreIndependent Peripheral， CIP）和智能模拟外设设计和实现的。 Microchip 的 CryptoAuthentication™安全元件（ ATECC608A）和完全认证的 Wi-Fi®模块（ ATWINC1510）用于将智能 AQM 安全连接到 Google Cloud™ IoT Core平台。
一、空气质量概述
大多数室外空气质量监测系统或工作站是由国家和政府机构建立的。这些室外空气质量传感器或监测器主要用于检测各种毒素，例如臭氧、车辆排放物、颗粒物污染、二氧化氮（ NO2）、二氧化硫（ SO2）和一氧化碳（ CO）。而室内空气质量监测器通常用于检测颗粒物污染（ PM2.5 和 PM10）、挥发有机物（ Volatile Organic Compound，VOC）和二氧化碳（ CO2）。颗粒直径最大为 2.5 微米的 PM2.5 颗粒物是最危险的空气污染物之一。由于尺寸小， PM2.5 颗粒可以深入人体肺部并引起各种健康问题；例如，引发哮喘发作或导致心血管疾病。 总挥发有机物TVOC 被公认为是室内卫生和室内空气质量的重要指标。TVOC 水平升高会引起头痛和刺激感。一些 TVOC 是致癌物（例如甲醛），还有一些在一般浓度下就有较强刺激性（例如甲苯）。因此，使用室内空气质量监测器时，测量 TVOC 水平十分重要。如果室内环境中的二氧化碳水平较高，可能导致室内人员昏昏欲睡、头痛或精神萎靡。室内 CO2 水平是室外空气流通相对于室内人员密度和代谢活动是否足够的指标。因此， CO2 水平由室内空气质量监测器测量。
空气质量取决于空气质量指数（ Air Quality Index， AQI）值。通常， AQI 值越低，表示空气质量越好。 AQI 值越高，空气污染水平越高，对健康的影响就越大。例如， AQI 值为 50 表示空气质量优，几乎不会影响公众健康；而 AQI 值超过 300 表示重度污染。 AQI 值 100 是判定空气中污染物超标的典型空气质量标准。通常认为低于 100 的 AQI 值比较理想。 AQI 值大于 100 时，空气质量对某些敏感人群的健康不利；而AQI 大于 151 时，空气质量对所有人的健康均不利。
二、Microchip室内空气质量监测方案概述
本方案将利用 AVR-IoT WG 开发板来实现。 AVR-IoT开发板用到了 Microchip 的 ATmega4808 单片机、 CryptoAuthentication 安全元件（ ATEC608A）和 Wi-Fi 模块（ ATWINC1510）。AQM 系统还使用了 Mikroelektronika 提供的 click 板（装有传感器）、 EEPROM 和 OLED 显示屏，但不包括湿度和颗粒物（ Particulate Matter， PM）传感器。 PM 传感器和湿度传感器使用 PROTO click 进行连接。AQM 使用已在 Google Cloud IoT Core 平台上注册的 Microchip 沙盒帐户。 AVR-IoT WG 开发板经过预先配置，可与该帐户通信。专为 AVR-IoT WG 开发板设计的 Web 应用程序（即网页）可将数据可视化为图形。
上电后， AQM 将搜索预配置的 Wi-Fi 路由器进行连接。如果有 Wi-Fi 路由器， AQM 会与其相连并访问互联网。如果没有 Wi-Fi 路由器，它将持续搜索并点亮红色 LED 来指示 Wi-Fi 连接错误。单片机将监测室内环境温度和湿度以及主要空气传播污染物，例如 PM2.5、 CO2 和 TVOC。还将处理获取的这些读数，并根据 PM2.5 传感器的读数计算 AQI值。 AQI 和获取的其他空气质量参数存储在外部 EEPROM 中，并显示在 OLED 上。如果 AQM 找到互联网连接，则会将 AQI 和其他参数上传到 Google Cloud。此后，单片机进入待机休眠模式，之后会定期唤醒以监测传感器并将经过处理的数据传输到云端。此外，单片机还可以从休眠状态立即唤醒以响应开关按下事件，并在 OLED 上显示空气质量参数。 图 1-1 显示了包含云端和网页的整个 AQM 系统。
图 1：包含云端和网页的整个 AQM 系统
单片机与 Google Cloud 之间的通信由AVR-IoT WG 开发板上的安全元件 ATECC608A 来保护。用户可以通过网页来查看所有空气质量参数。此网页每秒都会从 Google Cloud 获取数据，并更新空气质量参数图。
图 2：AQM系统框图
基于Microchip方案的AQM 系统具有以下功能：
• Microchip megaAVR®单片机——具有 CIP 和智能模拟外设的 ATmega4808
• PM2.5、 CO2、 TVOC、湿度和温度监测
• 硬件安全： CryptoAuthentication 安全元件 ATECC608A
• 无线连接：经过完全认证的 Wi-Fi 模块 ATWINC1510
• Google Cloud 连接
• OLED 显示屏
• 数据记录
三、方案硬件概述
AQM 硬件如下图所示：
图3：AQM 硬件
AVR-IoT WG 开发板结合了功能强大的 8 位 ATmega4808 单片机、 ATECC608A 和 ATWINC1510，能够以最简单高效的方式将嵌入式应用程序连接到 Google Cloud IoT Core 平台。该开发板包含一个板上调试器，无需外部硬件即可对单片机进行编程和调试。
MCU-ATmega4808
ATmega4808 是一款采用 8 位 AVR 处理器的单片机，运行速度最高为 20 MHz，同时配有 48 KB 的闪存、 6 KB 的SRAM 和 256 字节的 EEPROM。该单片机使用最新低功耗 CIP（包括事件系统、智能模拟外设和高级外设）。
AQM 系统中使用的 ATmega4808 的外设包括：
- 模数转换器（ Analog-to-Digital Converter， ADC）
- 通用同步/异步收发器（ Universal Synchronous and Asynchronous Receiver and Transmitter， USART）
- 串行外设接口（ Serial Peripheral Interface， SPI）
- 双模式主/从双线接口（ Two-Wire Interface， TWI）： I2C 兼容型
- 实时计数器（ RTC）
- 周期性中断定时器（ Periodic Interrupt Timer， PIT）
- 休眠控制器
- EEPROM 数据存储器
- 事件系统
- 可配置定制逻辑（ CCL）
安全元件——ATECC608A
ATECC608A 采用基于硬件的超安全加密密钥存储和加密对策，消除了与软件漏洞相关的潜在后门。 ATECC608A 用于存储安全 IoT 通信所需的私钥和公钥。 ATECC608A 通过 I2C 接口与主机控制器通信。
无线连接——ATWINC1510 Wi-Fi®模块
ATWINC1510 是一个 IEEE 802.11 b/g/n IoT 网络控制器。 ATWINC1510 Wi-Fi 模块集成了ATWINC1510 SoC、 26MHz 振荡器、阻抗匹配电路和印刷天线或用于外部天线的微型同轴（ µFL）连接器。该模块通过 SPI 接口与主机控制器通信。
数字温度传感器——MCP9808
MCP9808 数字温度传感器适用范围广泛，精度为 0.5°C（温度范围为-20°C 至+100°C），高温分辨率为 12 位。其他功能包括关断、欠温/过温监测器以及临界温度报警。该数字传感器通过 I2C 接口连接到单片机。
降压稳压器——MIC33050
MIC33050 是具有内部电感的高效 600 mA PWM 同步降压稳压器。它的主要特点包括：输入电压范围为 2.7V 至5.5V，输出电流为 600 mA，静态电流为 20 µA，输出电压纹波低。
四、方案固件概述
AQM 应用程序固件基于 AVR-IoT 协议栈开发；有关 AVR-IoT 协议栈的更多详细信息，可请参见 AVR-IoT WG 开发板及其文档。 图4 给出了 AVR-IoT 协议栈和应用程序固件模块。
图 4： 应用程序固件层
AQM 应用程序代码
应用程序固件定期从传感器获取数据并加以处理。它会计算 AQI 并将处理后的数据发送到 Google Cloud。此外，处理后的数据将显示在 OLED 显示屏上，并存储在外部 EEPROM 中予以记录。 图 5 给出了应用程序流程图概览。
图 5 :应用程序流程图
五、开发环境
软件工具
可使用Atmel Studio 或 MPLAB X IDE 进行固件开发。
使用 Atmel Studio 开发包括：
- Atmel Studio 7
- AVR GCC 编译器
- Atmel START 配置器工具
使用 MPLAB X IDE 开发包括：
- MPLAB X IDE
- AVR GCC 编译器
- MPLAB 代码配置器（ MCC）
固件配置和生成
应用程序固件可以使用 Atmel START 或 MCC 生成。有关使用 Atmel START 或 MCC 框架生成固件的过程的更多详细信息，请参见“AN3417 - Indoor Air Quality Monitor:Firmware Creation Using Atmel START and MPLAB® Code Configurator (MCC)” 。
单片机编程
要对单片机上的应用程序固件进行编程，可参见 AVR-IoT WG Development Board User Guide。
六、结论
本文介绍了使用 AVR-IoT WG 开发板（ATmega4808）实现AQM 解决方案的详细信息。嵌入式设计可以使用 ATECC608A CryptoAuthentication™安全元件来加以保护，该安全元件会处理每个器件的身份验证。使用 Wi-Fi 模块（ ATWINC1510）可以将无线连接功能无缝添加到设计中。如需了解更详细地信息，请联系大联大品佳当地办事处或发邮件至 microchip@sac.com.hk 。
►场景应用图
►展示板照片
►方案方块图
►核心技术优势
• Microchip ATmega4808单片机具有 CIP 和智能模拟外设 • 可实现PM2.5、 CO2、 TVOC、湿度和温度监测 • 可实现硬件安全： CryptoAuthentication 安全元件 ATECC608A • 可实现无线连接：经过完全认证的 Wi-Fi 模块 ATWINC1510 • 可安全连接Google Cloud • 具备OLED 显示屏 • 可记录数据
►方案规格
MCU-ATmega4808 ATmega4808 是一款采用 8 位 AVR 处理器的单片机，运行速度最高为 20 MHz，同时配有 48 KB 的闪存、 6 KB 的SRAM 和 256 字节的 EEPROM。该单片机使用最新低功耗 CIP（包括事件系统、智能模拟外设和高级外设）。 安全元件——ATECC608A ATECC608A 采用基于硬件的超安全加密密钥存储和加密对策，消除了与软件漏洞相关的潜在后门。 ATECC608A 用于存储安全 IoT 通信所需的私钥和公钥。 ATECC608A 通过 I2C 接口与主机控制器通信。 无线连接——ATWINC1510 Wi-Fi®模块 ATWINC1510 是一个 IEEE 802.11 b/g/n IoT 网络控制器。 ATWINC1510 Wi-Fi 模块集成了 ATWINC1510 SoC、 26MHz 振荡器、阻抗匹配电路和印刷天线或用于外部天线的微型同轴（ µFL）连接器。该模块通过 SPI 接口与主机控制器通信。 数字温度传感器——MCP9808 MCP9808 数字温度传感器适用范围广泛，精度为 0.5°C（温度范围为-20°C 至+100°C），高温分辨率为 12 位。其他功能包括关断、欠温/过温监测器以及临界温度报警。该数字传感器通过 I2C 接口连接到单片机。 降压稳压器——MIC33050 MIC33050 是具有内部电感的高效 600 mA PWM 同步降压稳压器。它的主要特点包括：输入电压范围为 2.7V 至5.5V，输出电流为 600 mA，静态电流为 20 µA，输出电压纹波低。