随着冬天的脚步慢慢的接近，天气也渐渐变冷了，室内更是难得一见一缕阳光。而家里养的植物却渴望更多的光照。于是为满足植物们的需要，老婆每天都要把一盆盆花从客厅搬到卧室，再从卧室搬回客厅，只为了让那稍纵即逝的阳光多照到一点点。经过了几天的折腾后，老婆终于给我提出了一个要求：而最近着迷硬件的我自然不能拒绝这个要求。于是就有了这一个项目：光照温度记录仪。

  本着有什么用什么的原则，我决定将我手头的树莓派3B+改造成一台光照温度记录仪。而且与单片机相比，树莓派还有很多优点：

  通常，市面上的传感器有两种，一种是传感器模块，另一种是传感器的分立元件。比如下图中，左图是光照传感器模块，右图是光敏电阻。

  传感器模块一般都配备了外围电路，可以直接输出高低电平，而且无需焊接，只需插上杜邦线就能用，可以直接与Arduino、树莓派等配合使用，十分方便。但传感器模块占用空间较大，而且由于电路板布局的限制，不太方便集成到实际的产品中。比如在这一个项目中，我需要将传感器放入树莓派的外壳内，而传感器模块的尺寸远超于了外壳能容纳的大小。另一个缺点就是一些模块没有模拟输出——像上图中的传感器模块只可以通过调节模块上的电位器（蓝色的方块）来调整传感器灵敏度，因此只能得知“亮”还是“暗”，而无法获取实际的亮度值。

  因此，这一个项目中我只能选择分立元件的传感器，然后自己添加外围电路了。分立元件的缺点一是要自己添加外围电路，比如光敏电阻需要搭配一个电阻使用；二是需要焊接。但其体积要比传感器模块小得多，也很容易集成到别的产品中。

  还有一个不太重要的差异就是成本。上图左的光照传感器价格大约是￥1.60人民币，而上图右的光敏电阻价格约￥0.15人民币，两者相差10倍左右。对于个人项目而言这点差距可能并不大，但要大规模制作，成本还要考虑一下。

  光敏电阻本质上是一个电阻，光照强时阻值变小，光照弱时阻值变大。因此在实际应用时，光敏电阻需要串联一个电阻，利用分压原理，将光照强弱转换为电压的高低：

  而衡量光照（正式名称为照度）的单位是勒克斯（lux）。不同环境下的光照强度大致如下表所示：

  从表中能够准确的看出，室内的照度范围大约在20~100勒克斯。而光敏电阻的数据手册给出了不同照度下的电压范围：

  可以看出，在室内环境、照度为10~100勒克斯的范围下，光敏电阻的电阻范围为20kΩ~11.5kΩ。鉴于树莓派的电压为3.3V，咱们不可以直接参照上表中给出的电压范围，但通过简单计算能得出，串联一个10kΩ电阻时，光敏电阻上产生的电压范围为1.76V~2.2V，能实现较好的精度。因此10kΩ电阻完全够用。

  我选择了德州仪器产的LMT86传感器。这个传感器的价格相对较便宜，不到$1。它的特点有：

  从数据手册的图9中能够准确的看出，在温度不变的情况下，当输入电压超过2.7V时，输出电压几乎不会随着输入电压的变化而变化。也就是说，测量的电压值不会被输入电压的波动影响。树莓派提供的电压为3.3V，符合这个条件。

  LMT86是一个“几乎”线性的传感器，也就是说其输出电压和温度的关系几乎为直线（实际为一个曲率极小的抛物线提供了一个输出电压和温度的对照表，还提供了一个近似公式：

  不过这个公式要使用到开平方计算。尽管树莓派计算平方根不是问题，但在低功耗的应用场景下可能会有些麻烦。尽管如此，我还是决定使用数据手册中的对照表，将电压转换为温度。因此我写了一个很小的Python库lmt8x（源代码在此）。使用方法也很简单，直接pip安装即可：

  然后是一些有关LMT86的需要注意的几点。首先，LMT86有三种不同的型号，其封装和管脚排列是不一样的：

  尤其注意LP和LPG的封装的输出管脚的位置不同。务必根据买到的器件的封装选择正确的连接方式。

  另一个必须要格外注意的就是“热力时间常数”，这个值表明了温度传感器对温度的响应速度。从数据手册来看，LMT86需要至少40秒才能读取准确的温度值。因此，要注意在系统刚启动后的40秒内，读到的温度值是不准确的。

  光敏电阻和LMT86的输出都是模拟输出，而树莓派的GPIO只支持数字输入，因此就需要一个模数转换模块（ADC），将模拟信号转换成数字信号。网上推荐的一个ADC为MCP3008（数据手册），它支持8个通道、10比特分辨率（即输出范围为0~1024）。

  MCP3008支持两种模式：单输入模式和差分模式。在这一个项目中只需要从传感器读取数据，因此单输入模式就足够了。

  Adafruit还提供了一篇指南和Python的示例，所以这里就不再赘述使用方法，仅给出连接图作为参考。

  接下来只需要将光敏电阻连接到MCP3008的CH0上， 温度传感器连接到CH1上，再将MCP3008连接到树莓派即可。原理图如下：

  这里我将MCP3008的CS脚连到了树莓派的GP22上。面包板的图示如下：

  然后给树莓派插上电源并启动。默认情况下，树莓派的SPI接口是禁用的，而MCP3008一定要通过SPI接口与树莓派通信。因此就需要先执行以下命令启用SPI：

  Adafruit提供了一个非常好的包mcp3xxx，可以直接读取MCP3008的值。因此我们将要创建一个项目并安装这个包。当然还要安装前面我编写的那个lmt8x包来翻译温度传感器的温度。

  运行该程序，用手触摸温度传感器，或遮挡光线传感器，能够正常的看到亮度值和温度值有明显的变化：

  电路板制作时的最大难题就是控制电路板的尺寸，让它能放进树莓派的盒子内，同时又能较好地固定。虽然树莓派的主板四周有螺丝孔，但市面上能买到的万用板并不能完美适配这些螺丝孔的位置。所以最终我只能选择了一片4cmx6cm的万用板，在其中一边装上40pin的排母，插入树莓派上的GPIO排针来固定位置。虽然并不牢靠，但正常使用是没问题的。

  另一个问题是，如果将传感器放入树莓派盒子内部，那么测得的将是盒子内的数据，而不是房间内的数据。所以我将传感器放到了另一片万用板上，两片万用板之间靠导线连接。

  JP1到JP5为五个3针的排针，用于连接传感器。为便于以后扩展，我设计了5个传感器接口（实际上MCP3008支持8路模数转换，但万用板的面积有限，只能连接5个）。

  焊接好后的万用板如下图所示。我在3V3和GND之间接了个电容用于滤波，不过事后证明好像用处不大。

  终于到了实际应用的环节了。将上一节的程序略作改动，每次运行只读取一次当前的光照强度和温度，然后连同日期一起写入文件：

  实际上，这个数据收集装置我做了两台（第二台的硬件配置略有不同，见下一节），分别收集两个房间的光照和温度数据。然后把收集到的数据文件用Excel整理一下，画出曲线图：

  我将这个方案发到了Reddit上，收到了许多网友的建议。有人建议我使用Perma-proto HAT来省却连线的麻烦。Perma-proto是像下面这样的树莓派专用万用板：

  这块板的确有很多优点：四个螺丝孔正好对应树莓派的螺丝孔位置，可以直接用铜柱固定在树莓派上；自带2×20针排母；提供了3V3、+5V两条电源轨，和两条地线轨，中间是五连孔，因此能省却大量连线的麻烦。

  我试着做了一块，用于另一个房间的数据采集。中间的16针IC插座用于插MCP3008，左下方是光敏电阻。右边的温度传感器（蓝色方块）采用了DHT11，这款温度湿度传感器更方便使用，Adafruit也提供了专门的驱动程序，不要自己转换电压值了。

  需要注意的一点是，DHT11的Signal脚需要接一个上拉电阻，这一点在DHT11的数据手册中有明确的说明。我接了一个10kΩ的上拉电阻。

  注意最后的循环内需要用try...catch来捕获DHT11也许会出现的硬件错误。

  总的来说，这个Perma-proto HAT板还是可以的，在需要快速建立原型的时候能省却不少焊接的麻烦，非常好用。不过，这块板的一个缺点就是3V3和+5V的电源轨的布局不太符合我这一个项目的需要，按照默认布局的话，需要额外走许多线。所以我在背面切断了+5V电源轨的供电，并将其连到3V3上，这样两条电源轨都能提供3.3V的电源，布线就方便多了。