屈鳴楊

摘要：光污染會(huì)對(duì)人類的身體健康造成極大危害，城市夜空亮度的提高對(duì)天文觀測(cè)、城市夜間環(huán)境保護(hù)以及能源利用等都會(huì)帶來(lái)負(fù)面影響。光污染是環(huán)境治理工作的重要內(nèi)容，光污染主要來(lái)自人工光源，光源的強(qiáng)度決定光污染的大小。本文提出了利用光照度傳感器BH1750制作光污染檢測(cè)儀，用來(lái)探測(cè)環(huán)境中光強(qiáng)的大小。該檢測(cè)儀系統(tǒng)包括對(duì)光強(qiáng)的檢測(cè)、當(dāng)前環(huán)境光強(qiáng)的顯示、測(cè)試地點(diǎn)經(jīng)緯度、海拔高度、測(cè)試時(shí)間等參數(shù)的測(cè)量和自動(dòng)記錄到SD卡并可以設(shè)定報(bào)警功能。通過(guò)Arduino的控制功能，實(shí)現(xiàn)了光強(qiáng)的實(shí)時(shí)顯示、記錄功能的自動(dòng)化，對(duì)光污染監(jiān)測(cè)與控制起到重要作用。

關(guān)鍵詞：BH1750；Arduino；光污染；天空亮度

一、引言

天空發(fā)亮是城市光污染的主要表現(xiàn)形式之一，近年來(lái)，城市夜間照明直接射向和經(jīng)地面反射到天空中的光，在一定程度上，提高了夜間天空的亮度，因此也嚴(yán)重破壞了天文愛(ài)好者及普通市民對(duì)城市星空和銀河的遙望和觀察。天空發(fā)亮是來(lái)自大氣中的氣體分子和氣溶膠的散射（包括可見(jiàn)和非可見(jiàn)）光線，反射在天文觀測(cè)方向形成的夜空光亮現(xiàn)象。它主要是由自然天空光和人為天空光兩部分造成的。其中自然天空光是指天體和地球大氣上層輻射過(guò)程引起的那部分天空輝光，它包括五個(gè)方面：月光、高層大氣輝光、黃道光、散射的星光、星際塵埃和氣體等引起的背景光；人為天空光主要是指城市的人工光在塵埃、水蒸氣或其他懸浮粒子的反射或擴(kuò)散作用下進(jìn)入大氣層， 而導(dǎo)致的城市上空發(fā)亮。然而深藍(lán)夜空、繁星閃爍作為夜間環(huán)境的重要組成，是自然界留給人類的最寶貴生態(tài)資源之一，是全球生態(tài)和人類生存環(huán)境不可或缺的一部分。所以目前有越來(lái)越多的學(xué)者和專家提倡要“凈化”夜空，對(duì)星空進(jìn)行保護(hù)，盡量提高城市夜天空的等級(jí)。

二、光污染的相關(guān)知識(shí)

隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展，伴隨而來(lái)的環(huán)境污染日益加劇，除水污染、大氣污染、噪聲污染、固體廢棄物污染外，光污染被認(rèn)為是第五類重要污染源。光污染最早是由國(guó)際天文界指出，認(rèn)為光污染是城市室外燈光照明使天光很亮而難以進(jìn)行星空觀測(cè)，這種狹義的光污染僅僅是指可見(jiàn)光。廣義的光污染指對(duì)人類生活和生產(chǎn)環(huán)境造成不良影響現(xiàn)象的一切光輻射，包括可見(jiàn)光、紅外線和紫外線。

（一）光污染的分類及其危害

一般將光污染分為三類，即白亮污染、人工白晝和彩光污染。

1.白亮污染是指陽(yáng)光照射強(qiáng)烈時(shí)，城市里建筑物的玻璃幕墻、釉面磚墻、磨光大理石和各種涂料等裝飾反射光線，明晃白亮，眩眼奪目。長(zhǎng)時(shí)間在白色光亮污染環(huán)境下工作和生活的人，視網(wǎng)膜和虹膜都會(huì)受到程度不同的損害，視力急劇下降，白內(nèi)障的發(fā)病率高達(dá)45%，它還使人頭昏心煩，甚至發(fā)生失眠、食欲下降、情緒低落、身體乏力等類似神經(jīng)衰弱的癥狀。尤其在夏天，玻璃幕墻強(qiáng)烈的反射光進(jìn)入附近居民樓房?jī)?nèi)，使室溫平均升高4～6攝氏度，影響人的正常的工作和生活。有些玻璃幕墻是半圓形的，反射光匯聚還容易引起火災(zāi)。烈日下駕車行駛的司機(jī)會(huì)出其不意地遭到玻璃幕墻反射光的突然襲擊，眼睛受到強(qiáng)烈刺激，很容易誘發(fā)車禍。

2.人工白晝是指在夜間，商場(chǎng)、酒店的廣告燈、霓虹燈閃爍奪目，令人眼花繚亂，有些強(qiáng)光甚至直沖云霄，使得夜晚如同白天一樣，即所謂的人工白晝。這樣的環(huán)境會(huì)擾亂人體正常的生物鐘，導(dǎo)致人的白天工作效率低下。人工白晝還會(huì)傷害鳥(niǎo)類和昆蟲(chóng)，強(qiáng)光可能破壞昆蟲(chóng)在夜間的正常繁殖過(guò)程。

3.彩光污染是指舞廳、夜總會(huì)安裝的黑光燈、旋轉(zhuǎn)燈、熒光燈以及閃爍的彩色光源構(gòu)成的污染。人如果長(zhǎng)期接受這種照射，可誘發(fā)流鼻血、脫牙、白內(nèi)障，甚至導(dǎo)致白血病和其他癌變。

三、光污染檢測(cè)系統(tǒng)

（一）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本測(cè)試系統(tǒng)以目前流行的Arduino控制計(jì)算機(jī)為核心，整合各種外圍模塊組成的。在應(yīng)用設(shè)計(jì)初期，把這款裝置分成了兩大部分來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，第一部分是基于Arduino控制計(jì)算機(jī)為核心的硬件，體積小，可以安裝在自行車、汽車等各種車輛上，負(fù)責(zé)收集和記錄當(dāng)前天空光強(qiáng)、測(cè)試地點(diǎn)經(jīng)緯度、海拔高度、測(cè)試時(shí)間等數(shù)據(jù)，并通過(guò)LCD顯示屏實(shí)時(shí)顯示時(shí)速等信息。第二部分則是分析統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)（研究尚在進(jìn)行中），由于受Arduino的SRAM和頻率的限制，不太適合做數(shù)據(jù)分析，因此把這部分功能分拆開(kāi)來(lái)，設(shè)計(jì)成由桌面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)完成—Arduino記錄的數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上后進(jìn)行分析并繪制圖表。第二部分系統(tǒng)，初步設(shè)計(jì)成了一個(gè)Web2.0的應(yīng)用。這樣就可以方便地將統(tǒng)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行分享和發(fā)布。

在本測(cè)試系統(tǒng)中，基于Arduino的硬件系統(tǒng)部分，主要由以下幾個(gè)模塊來(lái)構(gòu)成：

（1）Arduino控制計(jì)算機(jī)，測(cè)試系統(tǒng)的核心。

（2）電源模塊，為所有硬件提供電源。

（3）GPS模塊，提供GPS定位信息，以得到位置數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)、高度數(shù)據(jù)。

（4）LCD模塊，實(shí)時(shí)顯示騎行數(shù)據(jù)。

（5）SD/TF卡存儲(chǔ)模塊，儲(chǔ)存位置數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)、高度數(shù)據(jù)、天空亮度數(shù)據(jù)、時(shí)間數(shù)據(jù)等。

（6）光照度模塊，測(cè)量天空亮度數(shù)據(jù)。

各個(gè)模塊系統(tǒng)連接框圖如圖1所示。

該應(yīng)用設(shè)備使用的Arduino端口的規(guī)劃表如下：

PIN 0 （RX） GPS模塊TX

PIN 1 （TX） GPS模塊RX

PIN 2

PIN 3

PIN 4

PIN 5 Nokia 5110 LCD模塊 SCK

PIN 6 Nokia 5110 LCD模塊 MOSI

PIN 7 Nokia 5110 LCD模塊 A0

PIN 8 Nokia 5110 LCD模塊 Reset

PIN 9

PIN 10 TF卡模塊 片選SS

PIN 11 TF卡模塊 MOSI

PIN 12 TF卡模塊 MISO

PIN 13 TF卡模塊 SCK

其中，電源模塊由7.4V，1000毫安時(shí)鋰電池作為電源，經(jīng)過(guò)DC/DC模塊，轉(zhuǎn)換成+3.3V和+5V兩路電壓供Arduino控制計(jì)算機(jī)和外圍各個(gè)功能模塊使用。

GPS模塊和Arduino控制計(jì)算機(jī)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)硬件串口進(jìn)行連接，通訊波特率采用標(biāo)準(zhǔn)9600。

在這里使用硬件Serial來(lái)作為GPS NMEA信號(hào)輸入而不使用SoftSerial的好處是：避免SoftSerial的兼容問(wèn)題；節(jié)省Flash的空間，減少SRAM使用。

LCD模塊和Arduino控制計(jì)算機(jī)通過(guò)非標(biāo)準(zhǔn)的SPI通信協(xié)議通訊。因此在編程時(shí)不能夠使用標(biāo)準(zhǔn)硬件SPI庫(kù)，而需要使用Soft SPI來(lái)驅(qū)動(dòng)。

SD/TF卡存儲(chǔ)模塊是工作在3.3V的電壓下的，采用標(biāo)準(zhǔn)SPI接口和Arduino控制計(jì)算機(jī)連接。在Arduino控制計(jì)算機(jī)上，SPI使用引腳10（SS）、11（MOSI）、12（MISO）and13（SCK）。

光照度模塊和Arduino控制計(jì)算機(jī)通過(guò)I2C總線通訊。在大多數(shù)Arduino控制計(jì)算機(jī)上SDA（data line）使用模擬口4，SCL（clock line）使用模擬口5。

各模塊介紹如下：

ArduinoUNO：

ArduinoUNO（R3版本）采用的微處理器是ATmega328. 該版本包括14個(gè)數(shù)字輸入輸出IO、6個(gè)模擬輸入IO、16MHZ的晶體、USB接口、電源接口、燒錄頭、復(fù)位按鈕等。相對(duì)于其他版本，R3版本的不同之處是：

（1）增加I2C總線接口：SDA，SCL。

（2）增強(qiáng)的復(fù)位線路。

（3）使用16U2替代以前的8U2。

R3版本的主要特征包括：

（1）微處理器：ATmega328。

（2）操作電壓：5V。

（3）輸入電壓：7V到12V。

（4）數(shù)字雙向IO：14個(gè)（其中6個(gè)提供PWM輸出）。

（5）模擬輸入腳：6個(gè)。

（6）每個(gè)IO腳的最大輸出電流：40mA。

（7）提供的3V3最帶電流：50mA。

（8）Flash大小：32K字節(jié)。

（9）SRAM大小：2K字節(jié)。

（10）EEPROM大?。?K字節(jié)。

（11）時(shí)鐘頻率：16M。

GPS模塊：

ATK-NEO-6M-V12是一款高性能GPS定位模塊。該模塊采用U-BLOX NEO-6M模組，模塊自帶高性能無(wú)源陶瓷天線（無(wú)需再購(gòu)買昂貴的有源天線了），并自帶可充電后備電池（以支持溫啟動(dòng)或熱啟動(dòng)，后備電池在主電源斷電后，可以維持半小時(shí)左右的GPS接收數(shù)據(jù)保存）。

模塊通過(guò)串口與外部系統(tǒng)連接，串口波特率支持4800、9600、38400（默認(rèn)）、57600等不同速率，兼容5V/3.3V單片機(jī)系統(tǒng)，可以非常方便地與您的產(chǎn)品進(jìn)行連接。

ATK-NEO-6M GPS模塊同外部設(shè)備的通信接口采用UART（串口）方式，輸出的GPS定位數(shù)據(jù)采用NMEA-0183協(xié)議（默認(rèn)），控制協(xié)議為UBX協(xié)議。

5110LCD模塊：

5110LCD模塊是NOKIA公司生產(chǎn)的可用于其5110、6150，6100等系列移動(dòng)電話的液晶顯示模塊，國(guó)內(nèi)廠家也生產(chǎn)有類似的兼容產(chǎn)品。該產(chǎn)品除應(yīng)用于移動(dòng)電話外，也可廣泛應(yīng)用于各類便攜式設(shè)備的顯示系統(tǒng)。與其他類型的產(chǎn)品相比，該模塊具有以下特點(diǎn)：

（1）84x48的點(diǎn)陣LCD，可以顯示4行漢字。

（2）采用串行接口與主處理器進(jìn)行通信，接口信號(hào)線數(shù)量大幅度減少，包括電源地在內(nèi)的信號(hào)線僅有9條。支持多種串行通信協(xié)議（如AVR單片機(jī)的SPI、MCS51的串口模式0等），傳輸速率高達(dá)4Mbps，可全速寫入顯示數(shù)據(jù)，無(wú)等待時(shí)間。

（3）可通過(guò)導(dǎo)電膠連接模塊與印制板，而不用連接電纜，用模塊上的金屬鉤可將模塊固定到印制板上，因而非常便于安裝和更換。

（4）LCD控制器/驅(qū)動(dòng)器芯片已綁定到LCD晶片上，模塊的體積很小。

（5）采用低電壓供電，正常顯示時(shí)的工作電流在200μA以下，且具有掉電模式。

光照度模塊：

16位數(shù)字輸出型環(huán)境光強(qiáng)度傳感器集成電路BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路。這種集成電路可以根據(jù)搜集的光線強(qiáng)度數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整液晶或者鍵盤背景燈的亮度。利用它的高分辨率可以探測(cè)較大范圍的光強(qiáng)度變化。產(chǎn)品特點(diǎn)如下：

（1）支持I2C BUS接口（f/s Mode Support）。

（2）接近視覺(jué)靈敏度的光譜靈敏度特性（峰值靈敏度波長(zhǎng)典型值：560nm）。

（3）輸出對(duì)應(yīng)亮度的數(shù)字值。

（4）對(duì)應(yīng)廣泛的輸入光范圍（相當(dāng)于1-65535lx）。

（5）通過(guò)降低功率功能實(shí)現(xiàn)低電流化。

（6）通過(guò)50Hz/60Hz除光噪音功能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的測(cè)定。

（7）支持1.8V邏輯輸入接口。

（8）無(wú)需其他外部件。

（9）光源依賴性弱（白熾燈、熒光燈、鹵素?zé)?、白光LED，日光燈）。

（10）有兩種可選的I2C slave地址。

（11）可調(diào)的測(cè)量結(jié)果影響較大的因素為光入口大小。

（12）使用這種功能能計(jì)算1.1 lx到100000 lx馬克斯/分鐘的范圍。

（13）最小誤差變動(dòng)在±20%。

（14）受紅外線影響很小。

（二）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在這個(gè)項(xiàng)目中，GPS模塊的驅(qū)動(dòng)使用了TinyGPS庫(kù)，LCD顯示則使用了u8glib，SD卡模塊驅(qū)動(dòng)使用了SD庫(kù)。當(dāng)然，為了節(jié)省SRAM，對(duì)庫(kù)也進(jìn)行了修改。例如，對(duì)TinyGPS的cardinal函數(shù)進(jìn)行了修改，將數(shù)組使用PROGMEM進(jìn)行存儲(chǔ)，節(jié)省SRAM的空間。

整個(gè)系統(tǒng)的代碼邏輯其實(shí)很簡(jiǎn)單。初始化完成后，每秒檢查一次GPS信號(hào)，如果信號(hào)正常則更新信息并在LCD屏幕更新顯示的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。由于事后用于分析的數(shù)據(jù)不需要精確到每秒這樣的級(jí)別，因此設(shè)定每5秒判斷一次，如果當(dāng)前位置和5秒前相比發(fā)生了一定的位移量則將數(shù)據(jù)記錄到SD卡，以供分析。

為了簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的方式，數(shù)據(jù)以類似CSV的格式存儲(chǔ)在TF卡上，文件名則為開(kāi)始記錄的日期，每一段數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)格式的版本號(hào)開(kāi)始，每一行都是一筆數(shù)據(jù)。

格式如下：

日期，時(shí)間，連接的衛(wèi)星個(gè)數(shù)，緯度，經(jīng)度，海拔高度，時(shí)速，行駛方向，光照度。

程序流程如圖2所示，計(jì)算機(jī)開(kāi)始運(yùn)行后進(jìn)入void setup（）{…}程序段對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行初始化。開(kāi)啟每秒一次的定時(shí)中斷計(jì)數(shù)器，對(duì)串口、LCD顯示器和I2C BUS進(jìn)行初始化。

初始化完成后進(jìn)入GPS數(shù)據(jù)搜索模式，同時(shí)在LCD顯示屏顯示當(dāng)前光照度數(shù)據(jù)。程序?qū)⒁恢边\(yùn)行在該搜索模式，直到計(jì)算機(jī)獲得當(dāng)前經(jīng)緯度、高度、速度等衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)。

如果完成尋星工作，程序就將當(dāng)前時(shí)間、當(dāng)前速度、衛(wèi)星數(shù)量、移動(dòng)方向、經(jīng)緯度、海拔高度、當(dāng)前光照度等數(shù)據(jù)按照每秒一次的頻率刷新顯示到LCD顯示器。同時(shí)按照每5秒一次的頻率將以上數(shù)據(jù)寫到SD卡保存，以便過(guò)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算。

（三）系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)調(diào)試經(jīng)過(guò)三個(gè)階段。第一階段完成利用面包板搭建測(cè)試環(huán)境，初步調(diào)試軟硬件（如圖3）。在這個(gè)階段主要是通過(guò)軟硬件協(xié)同驗(yàn)證硬件模塊之間的連接關(guān)系是否合理。通過(guò)各個(gè)測(cè)試程序的下載運(yùn)行，保證硬件模塊能夠正常工作，模塊之間連接關(guān)系正確。

初步調(diào)試正常以后就將所有硬件模塊安裝到儀器盒里面。這時(shí)候要考慮各個(gè)模塊的安裝位置是否合理，連接是否方便，外部接口位置是否合適等機(jī)械方面的問(wèn)題。然后就是按照設(shè)計(jì)好的位置在儀器盒的四周進(jìn)行開(kāi)孔等操作。

為了實(shí)現(xiàn)光照度傳感器的遮光等功能，筆者用CRE2.0軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)孔攔結(jié)構(gòu)，并利用學(xué)校工程實(shí)驗(yàn)室的3D打印機(jī)打印出來(lái)（如圖4）。

以上工作全部完成后，接下來(lái)就是做軟件的撰寫和調(diào)試。軟件的調(diào)試采用模塊化調(diào)試方式。先測(cè)試各個(gè)模塊能夠正常工作，然后對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行組裝調(diào)試。調(diào)試程序大約需要4個(gè)周六、周日的時(shí)間。

下面是調(diào)試完成后的裝置外觀圖（如圖5）。

當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)正常時(shí)，進(jìn)入正常測(cè)試界面如圖6所示。

四、結(jié)論

通過(guò)初步測(cè)試盒驗(yàn)證，本裝置能夠較好地滿足天空光污染數(shù)據(jù)的自動(dòng)化測(cè)量和記錄，為天文觀測(cè)和環(huán)境污染研究的專業(yè)人士提供一種可靠便捷的測(cè)試方法和手段，具有一定的先進(jìn)性。

五、致謝

在本項(xiàng)目的研究過(guò)程中，江蘇省天一中學(xué)“南京理工大學(xué)﹒天一中學(xué)機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”的鄧一波老師放棄了大量的休息時(shí)間來(lái)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，提供盡可能的方便，并在研究過(guò)程中提出了很多意見(jiàn)和建議。在此，對(duì)他表示衷心感謝！