MKR1000 多模态环境传感器平台：闪电、气体、紫外、温湿度、气压全监测

组件与物料清单

项目背景

我热爱观测天气，想自建一套能长期记录、绘图分析的气象站。普通气象站只能看 "当下" 或过去一小时数据，我要做更多。MKR1000 拥有 8 个硬件中断引脚，解决了传统 Arduino 中断资源不足的痛点，让我能同时接入：雨量计、风速计、闪电探测器等中断型传感器。

传感器分类与选型建议

• 模拟量输出： 光照(含紫外/红外)、风向、气体、称重…
• I²C 总线： 温度、湿度、气压、加速度计、陀螺仪…
• 中断型： 雨量翻斗、风速计(每转一个脉冲)、闪电探测、定时器…

MKR1000 丰富的 I/O 可同时满足以上所有类型。注意电压兼容： MKR1000 为 3.3V 逻辑，若传感器为 5V 需加电平转换模块。

引脚分配规划

建议先在纸上规划，再写入代码注释备忘。我的分配方案：

• A0：预留 DAC
• A1：ML8511 UV 传感器
• A2：TEMT6000 可见光传感器
• A3：TMP36 本地温度传感器
• A4：MQ-9 可燃气体传感器
• A5：土壤湿度传感器
• A6：风速传感器？
• D0 (中断)：按键
• D1 (中断)：AS3935 闪电探测器
• D2 (中断)：风速计脉冲
• D3 (中断)：雨量翻斗
• D4、D5：预留
• D6 (共板载 LED)：蜂鸣器
• D7：NeoPixel 数据线
• D11/D12：I²C SDA/SCL

入门建议：逐个调试传感器

新手建议：一次只接一个传感器，跑通官方例程并读出串口数据后，再接入下一个。所有传感器单独验证通过后，再集成到主程序。

笔者保留了 I²C 接口的 ChronoDot RTC（DS3231），因为 MKR1000 自带 RTC 电池供电下走时不准。面包板上橙色跳线分别给各传感器供电，调试时拔掉即可屏蔽该传感器，非常方便。

库兼容性避坑指南

部分老旧库在新版 Arduino IDE (1.6.5+) 中因 ATOMIC_* 宏被移除而编译报错。遇到橙色报错先判断是库还是自身代码问题，搜索 "arduino + 报错信息" 通常能找到修补方案。推荐优先购买 Adafruit/SparkFun 官方模块，其库维护及时。

WiFi 与加密提示

MKR1000 内置加密引擎可保障物联网数据传输安全，但本项目暂未实现上云。关键提示： 必须使用最新版 WiFi101 库，否则无法识别板载 WiFi 模块。

模拟传感器读数技巧

• 简单模拟输出：analogRead() 后用 map() 或数学公式换算物理量。
• 电阻式元件：通常需分压电路，可加电位器微调。
• TMP36 等需换算公式：电压 → 摄氏度 → 华氏度。
• 微弱信号传感器(称重、土壤湿度、加速度)：建议买带运放的成品模块。

I²C 总线使用技巧

• 需 SDA(数据)、SCL(时钟) 两根线，主从轮流发送数据。
• 每设备有唯一 7-bit 地址，避免地址冲突。若必须用同地址多设备，需额外加使能引脚切换。
• 总线最远端需加上拉电阻(通常 4.7kΩ)，部分模块已板载。
• 笔者经验：在 SDA/SCL 串联 220Ω 电阻(3.3V 系统)或 330Ω(5V 系统)可显著提升通讯稳定性。

数据可视化构想

目前仅串口输出。未来可接 LCD、SD 卡记录，或利用板载 WiFi 上传云端。设想部署多台设备，通过闪电探测器读数三角定位闪电击中点！

灵感来源：IKEA SODERSVIK 落地灯替换为 NeoPixel 灯珠 + IR 遥控，用灯光可视化风速(云卷云舒)、温度(色温)、12h 温差等气象要素。

核心代码片段

完整监测主程序 (节选关键部分)

/* RTC-Weather-Sensors_v6_MKR1000 by Zonker Harris */
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_Sensor.h>
#include <Adafruit_BMP085_U.h>
#include <Adafruit_HTU21DF.h>
// NeoPixel 与闪电库因中断向量冲突暂注释，待 IDE 更新后恢复
//#include <Adafruit_NeoPixel.h>

Adafruit_BMP085_Unified bmp = Adafruit_BMP085_Unified(10180);
Adafruit_HTU21DF htu = Adafruit_HTU21DF();

// 引脚定义
int UVOUT = A1, lightOut = A2, tmp36out = A3, mq9out = A4;
int sounderPin = 6, neopixelPin = 7;

// ChronoDot RTC 变量 (地址 0x68)
int addrRTC = 0x68;
int seconds, minutes, hours, day, date, month, years;
int temprtc, tempfrtc;

void setup() {
  Serial.begin(9600); delay(1000);
  pinMode(UVOUT, INPUT); pinMode(lightOut, INPUT); pinMode(tmp36out, INPUT);
  pinMode(sounderPin, OUTPUT); pinMode(neopixelPin, OUTPUT);
  if (!bmp.begin()) { Serial.println("BMP180 not found"); while(1); }
  if (!htu.begin()) { Serial.println("HTU21D not found"); while(1); }
  // RTC 首次设置时间后注释掉
  // seconds=0; minutes=41; hours=20; day=7; date=3; month=1; years=16; initChrono();
}

void loop() {
  beep(50, 2);  // 蜂鸣器提示循环开始

  // 1. 读取 ChronoDot RTC 时间
  Wire.beginTransmission(0x68); Wire.write(0); Wire.endTransmission();
  Wire.requestFrom(0x68, 13);
  // ... 解析 BCD 码获取时分秒、日期、温度 ...
  get_date();
  Serial.print("ChronoDot - "); Serial.print(hours); Serial.print(":"); Serial.print(minutes); Serial.print(":"); Serial.println(seconds);

  // 2. BMP180 气压/温度/海拔
  sensors_event_t event; bmp.getEvent(&event);
  float BMPtemperature; bmp.getTemperature(&BMPtemperature);
  if (event.pressure) {
    Serial.print("BMP180 - Pres: "); Serial.print(event.pressure); Serial.print(" hPa");
    float seaLevelPressure = SENSORS_PRESSURE_SEALEVELHPA;
    Serial.print(" Alt: "); Serial.print(bmp.pressureToAltitude(seaLevelPressure, event.pressure)); Serial.println(" m");
  }

  // 3. HTU21D 温湿度
  float HTUtemperature = htu.readTemperature();
  Serial.print("HTU21D - Temp: "); Serial.print(HTUtemperature); Serial.print(" C  Hum: "); Serial.print(htu.readHumidity()); Serial.println("%");

  // 4. TMP36 模拟温度
  int reading = averageAnalogRead(tmp36out);
  float voltage = 0.0032258064516129 * reading;  // 3.3V/1023
  float tempC = (voltage - 0.5) * 100;
  Serial.print("TMP36 - temp: "); Serial.print(tempC); Serial.println(" C");

  // 5. TEMT6000 可见光
  int vLevel = averageAnalogRead(lightOut);
  Serial.print("TEMT6000 out: "); Serial.println(vLevel);

  // 6. ML8511 UV 强度
  int uvLevel = averageAnalogRead(UVOUT);
  float uvVolts = 0.0032258064516129 * uvLevel;
  float uvIntensity = mapfloat(uvVolts, 0.99, 2.8, 0.0, 15.0);  // mW/cm²
  Serial.print("ML8511 UV: "); Serial.print(uvLevel); Serial.print(" / UV Intensity: "); Serial.println(uvIntensity);

  // 7. MQ-9 可燃气体
  int MQ9volts = analogRead(mq9out);
  Serial.print("MQ-9 Gas: "); Serial.println(MQ9volts);

  Serial.println(); delay(3500);  // 约 5 秒一个循环
}

// 多次采样平均滤波
int averageAnalogRead(int pin) {
  byte n = 8; unsigned int sum = 0;
  for (byte i = 0; i < n; i++) sum += analogRead(pin);
  return sum / n;
}

// float 版 map()
float mapfloat(float x, float in_min, float in_max, float out_min, float out_max) {
  return (x - in_min) * (out_max - out_min) / (in_max - in_min) + out_min;
}

void beep(int dur, int cnt) {
  for (int i = 0; i < cnt; i++) { digitalWrite(sounderPin, HIGH); delay(dur); digitalWrite(sounderPin, LOW); delay(dur); }
}

// RTC 辅助函数: initChrono, set_date, get_date, set_time, get_time, decToBcd, bcdToDec 等省略

通用模拟读数平均值函数 (Beerware License)

int averageAnalogRead(int pinToRead) {
  byte numberOfReadings = 8;
  unsigned int runningValue = 0;
  for (byte x = 0; x < numberOfReadings; x++) runningValue += analogRead(pinToRead);
  runningValue /= numberOfReadings;
  return runningValue;
}

I²C 总线扫描器 (自动识别设备地址)

#include <Wire.h>
void setup() { Wire.begin(); Serial.begin(9600); Serial.println("I2C Scanner"); }
void loop() {
  byte error, address; int nDevices = 0;
  Serial.println("Scanning...");
  for (address = 1; address < 127; address++) {
    Wire.beginTransmission(address);
    error = Wire.endTransmission();
    if (error == 0) {
      Serial.print("I2C device at 0x"); if (address < 16) Serial.print("0"); Serial.print(address, HEX);
      // 已知设备标注
      if (address == 0x03) Serial.print(" - AS3935 Lightning");
      if (address == 0x40) Serial.print(" - HTU21D Temp/Hum");
      if (address == 0x68) Serial.print(" - DS3231 RTC");
      if (address == 0x77) Serial.print(" - BMP180 Pressure");
      Serial.println(); nDevices++;
    }
  }
  if (nDevices == 0) Serial.println("No I2C devices");
  Serial.println("done"); delay(5000);
}

ML8511 UV 传感器演示代码 (3.3V 系统适配版)

int UVOUT = A1;
void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(UVOUT, INPUT); Serial.println("ML8511 example"); }
void loop() {
  int uvLevel = averageAnalogRead(UVOUT);
  float uvVolts = 0.0032258064516129 * uvLevel;
  float uvIntensity = mapfloat(uvVolts, 0.99, 2.8, 0.0, 15.0);
  Serial.print("ML8511: "); Serial.print(uvLevel); Serial.print(" / UV: "); Serial.println(uvIntensity);
  delay(100);
}
// averageAnalogRead 与 mapfloat 同前

原理图

因 Fritzing 库缺件，绘制了简化连接示意图：