Funpack 第八期 Arduino Nano 33 BLE Sense 环境监测站

内容介绍

任务：环境监测站

利用NANO-33 BLE的传感器, 搭建一个小型环境监测站用于监测户外环境。待监测的参数包括:

周边环境温度（精度：±0.1°C, ±0.1°F）
周边环境湿度（精度：±1%）
大气压强（精度：±0.1kPa, ±0.1psi）
日照强度（用于判断白天/夜晚）
周边平均噪声（精度：±1dB）

将采集到的参数通过外接显示屏显示

设计思路

程序中传感器数据的采集直接参考例程即可，OLED显示屏有十分好用的U8g2库来进行驱动。设计中唯一的难点在于如何使用板载PDM麦克风测算得到环境噪音dB值。查找了一些资料后得知nRF52系列控制器内部集成了一个PDM模块，板载PDM麦克风的输出就是由这个PDM模块处理的。

Ft6O3ruDrPep1SJhAgvvbBw_H9IY

可以看到经过PDM模块转换处理，PDM的输入信号转换为了PCM数据。同样如果去查看Arduino论坛中的PDM库也能发现库中对数据的处理同样是基于PCM的。

那么如何将读取到的PCM数据换算成为dB值呢，首先要了解一下声音dB的计算方式。dB本身是一个单位，用来衡量两个数量的比值大小，计算方式是

FuM094id_a6tmMaeNmtqILxEJMN_

由于人耳对音量大小的感知和对数关系比较相近，因此通常用dB来衡量音量大小比较贴近人的真实感受。dB通过两个变量的比值大小进行计算，那么衡量一个音量的大小就需要用到一个标准量作为分母。对声音最直接的衡量就是声波的能量大小，能量的难以直接测算，就通过声压来换算得到能量大小，能量的大小与声压大小成平方关系，通过对数性质我们可以得到利用声压计算dB的公式就是

FlJ5xKuUj_CtMfUWECvJM5Xnwl38

通过声压计算得到的dB值也叫dBSPL，用于参考的标准声压大小为20微帕斯卡。在程序里得到的数字PCM数据又要如何转换到dBSPL呢，对于数字麦克风，有一个用于衡量音量大小的单位叫dBFS，FS代表full scale，其计算方式是

FvEPr7C0idjRU2XSQrL9PyVyuE7l

我们得到的PCM数据是16位的，将麦克风采样值除以它的最大幅度就是除以65536。但在这之前要知道，PDM麦克风所采样的数据是压强的瞬时变化，是在不断变化的。而声压级则不同，可以理解为将声音瞬时压强等效为一个平均作用的压强。二者的转换可以对声压级求均方根实现。

麦克风采样的数据大小很明显是与自身参数有关的，不同麦克风一般有不同的参数，同样音量所得到的采样值也不一定相同。因此数字麦克风有一个参数会出现在数据手册中，那就是灵敏度。灵敏度所代表的含义是标准声学输入所产生的麦克风输出，其单位就是dBFS，所谓标准声学输入是94dBSPL。板载的MP34DT05麦克风灵敏度为-26dBFS，换算关系就是

FjUFnZkXBYeIvqFYATaKol7-9Q6Q

至此知道了如何计算dBFS和如何将dBFS换算到dBSPL，那么就可以利用PDM麦克风测量噪音大小了。计算环境噪音音量的代码如下：

float getNoise() {
  float dB;
  float data_rms = 0;
  float dBSPL;
    
  for(int i = 0; i < 10 ; i++) {
    int j=0;

    while(j<512) {
      while(samplesRead==0);
      data_rms += sampleBuffer[j]*sampleBuffer[j];
      samplesRead--;
      j++;
    }

    data_rms = sqrt(data_rms/500)+1;
    dBSPL = 20*log10(data_rms)+24;
    dB += dBSPL;
    data_rms = 0;
    samplesRead = 0;
  }
  
  dB = dB/10;
  return dB;
}

心得体会

Arduino的开发真的真的十分方便，几乎完全不需要接触底层的细节，只要调用库库库函数就可以了，到现在为止我是第一次有这么轻松的开发体验。有点不足的地方就是Arduino没有一些方便的功能像自动补全等等，官网对于开发板、例程的说明有点不足，也可能是我找错了地方，总之造成了一些困扰。不过总体上还是比较轻松的在Arduino这个平台上实现了整个项目。