DIY一台可同時偵測戶外及室內的空氣品質播報機

雖然今年冬天來得晚,但卻感覺抹紅了全島的PM2.5警報來得更加頻繁了… 常常是早晨外出準備上班,才發現外頭一片霧茫茫滿是令人窒息的灰,只得回頭把口罩又戴了起來,看來台灣的空氣品質在進入冬天後愈來愈糟,為什麼呢?

冬天的霧霾現象更嚴重?

        事實上在冬天的季節,這些所謂霧霾的髒空氣比起其它季節更容易出現,最主要原因就是受到我們熟知的夜間輻射冷卻效應影響:在晚間,由於沒有太陽光照射而地面又不斷釋放掉熱能,因此造成地表溫度相對於大氣下降幅度更大,這種夜間降溫現象就稱為「輻射冷卻」。

正是由於冬季這種夜間輻射降溫的現象,造成地表相對於大氣是冷源,愈接近地面的大氣溫度比起上層大氣的溫度來得更低,因此,基於冷空氣比暖空氣重的原理,整體的大氣結構穩定空氣無法上下對流,進而使得地面積聚的污染物更難擴散。

被忽略的室內PM2.5指數

那麼,您以為在PM2.5紫爆的日子窩居在室內就能確保健康無虞嗎?事實上,戶外空氣對室內的影響約佔55%以上,如果室外PM2.5超標,那麼室內PM2.5也會比平時偏高。中國的清華大學曾經在2015年發布過一份室內PM2.5污染調查報告,顯示一般人在室內所吸入的PM2.5占了總量的八成,遠遠大於從戶外吸入的數量(註一)。最主要原因,正是由於室內的居家及辦公環境差異性較大,很難大規模且廣泛的進行即時的偵測,因此目前的空氣品質量測多針對戶外環境。然而僅僅針對戶外空氣品質的監控與關注,反而降低人們對於室內居家及辦公環境空氣品質的警戒,忽略了一般長達70%至90%的時間是處於室內。舉例來說,當台北市戶外的PM2.5達到100時,鬧區的小吃店或咖啡館裏頭甚至可能達到200,人潮洶湧的百貨公司或香火鼎盛的廟宇則更為嚴重,主要原因是PM2.5特別容易鑽進建築的縫隙,一但進入室內,特別容易在無風的室內堆積無法稀釋,再加上室內活動本身所產生的粉塵,結果是讓室內空氣指數比起戶外更為糟糕。

        目前讓人擔憂的地方在於我們一般民眾對室內的空氣品質警戒心相當低,整天都待在室內的結果,就是讓自己成了人肉室內空氣清淨機,吸入了大量污染源還不自知,也因此肺癌已高居台灣男女性癌症死亡原因中的第二一位,而且,這些患者中大部份是不抽煙不喝酒也非鎮日在戶外勞動的白領階級,但是卻依然得到肺癌,最主要的原因除了體質或遺傳等因素之外,就是室內空氣品質不良所導致(註二)。因此,自救之道就是自己來DIY一個可同時感測室內及室外PM2.5空氣品質狀況的偵測器,把它放在門口,讓它在您出門時播報戶外的PM2.5指數,當室內外的PM2.5偏高時,它也會即時的通知您!

註一:該項研究搜集了2014年11月14日至2015年1月30日之間累計了11萬小時的室內數據,資料搜集範圍覆蓋北京市13個區縣的7703個地理位置。

註二:請參考https://www.google.com.tw/search?ei=9U1gWvLAHYiZ8wWZtp_QBg&q=%E8%82%BA%E7%99%8C+%E5%AE%A4%E5%85%A7PM2.5&oq=%E8%82%BA%E7%99%8C+%E5%AE%A4%E5%85%A7PM2.5&gs_l=psy-ab.3...520460.522963.0.523266.13.13.0.0.0.0.101.774.12j1.13.0....0...1c.1j4.64.psy-ab..0.5.343...0j0i30k1j0i8i30k1j33i160k1.0.1ldHwSTJYJc 
  • 準備材料

分成監控主機端及偵測端兩部份,您需要分別準備下列的材料,後方附有購買的網址參考。

        監控主機端(樹莓派)的材料

  1. 1對2無線Uart轉RF:MUART0-P-1-2(使用其中的P0編號模組)

http://www.sunplusit.com/TW/Shop/IoT/MUART0P12 

  1. 2.8吋 TFT LCD

http://goods.ruten.com.tw/item/show?21516032294331 

  1. 音源放大PAM8302A:

http://www.icshop.com.tw/product_info.php/products_id/14170

  1. 3.5”音源線

http://www.icshop.com.tw/product_info.php/products_id/13597

  1. 4歐姆 3瓦 喇叭

http://www.icshop.com.tw/product_info.php/products_id/22298

  1. PIR

http://www.icshop.com.tw/product_info.php/products_id/24917

  1. 按鈕 x2

http://www.icshop.com.tw/product_info.php/products_id/7050

        PM2.5偵測端(兩組)的材料

  1. 1對2無線Uart轉RF:MUART0-P-1-2(使用其中的P1,P2編號模組)

http://www.sunplusit.com/TW/Shop/IoT/MUART0P12 

  1. G3 PM2.5 感測器 x2

http://www.icshop.com.tw/product_info.php/products_id/20460 

  1. USB電源線 x2

http://www.icshop.com.tw/product_info.php/products_id/2826

 

  • 監控主機端(樹莓派)的安裝

TFT LCD for 顯示使用

我們使用一個便宜且相當好買的,ILI9341驅動的TFT LCD,它是透過SPI介面與樹莓派連接,電源3.3或5V皆可,露天的購買價格約$235。接到RPI上SPI相對應的腳位

與樹莓派的腳位對應:

RPI ( Model B )

TFT LCD

Pin 3.3V 

Pin VCC

Pin GND 

Pin GND

GPIO18

Pin DC/RS

GPIO23

Pin Reset

GPIO10 ( SPI0 MOSI )

Pin SDI/MOSI

GPIO11 ( SPI0 SCLK )  

Pin SCK

GPIO08 ( SPI0 CE0 )

Pin CS

        

如果您買到的TFT LCD具有觸控功能,其接法也是與無觸控功能的LCD相同,觸控有關pin腳略過不接即可。

安裝TFT LCD驅動程式

        接起來後必須透過程式才能驅動使用,請參考https://github.com/adafruit/Adafruit_Python_ILI9341的說明安裝。 

PIR、按鈕及音源放大模組

  • PIR:偵測到有人接近時,讓系統自動說出目前室外PM2.5的狀況,提供是否外出的參考。
  • 按鈕:可切換室內外及各項空氣指數狀態的顯示。
  • 音源放大模組:可讓我們使用揚聲器而不需要體積較大的外接喇叭。

  •  PM2.5偵測端(兩組)的安裝

偵測端的安裝比較簡單,只需要將MUART0-P-1-2的P1或P2模組編號的RX/TX接到相對應的攀藤G3 PM2.5模組(請參考下圖的接法),再接上來自USB的5V電源 即可。

airbox

  • 下載及執行程式

硬體部份都安裝好之後,請依下方指令下載程式並執行,若有缺的模組請使用pip自行安裝。您可以注意到程式中的下面兩行,目的是針對CTS pin腳(接到樹莓派的GPIO2)輸入高低電位來選擇與Device #1或#2溝通。

GPIO.output(pinDevice, GPIO.LOW)

GPIO.output(pinDevice, GPIO.HIGH)

下載程式及執行:

$ git clone https://github.com/ch-tseng/pm25_MUART0-P-1-2.git

$ cd pm25_MUART0-P-1-2

$ python3 main.py

按下按鈕#1可依次顯示下列三種室外空氣的曲線圖:PM1、PM2.5、PM10

按下按鈕#2可依次顯示下列三種室內空氣的曲線圖:PM1、PM2.5、PM10

同時按下兩個按鈕則回到主畫面,同時顯示所有的即時數值,由上而下依序是PM1、PM2.5、PM10。

語音訊息:PIR偵測到有人接近時會發出語音下列語音。

  • 當戶外的pm2.5指數小於50(pm25_1.wav):

目前室外pm2.5的指數小於50,空氣品質良好,可放心外出活動。

  • 當戶外的pm2.5指數介於50到100(pm25_2.wav):

目前室外pm2.5的指數介於50到100之間,空氣品質普通,可外出活動。

  • 當戶外的pm2.5指數介於100到150(pm25_3.wav):

目前室外pm2.5的指數介於100到150之間,空氣品質不是很好,對於敏感族群不健康。

  • 當戶外的pm2.5指數介於150到200(pm25_4.wav):

目前室外pm2.5的指數介於150到200之間,空氣品質不好,對於所有族群不健康。

  • 當戶外的pm2.5指數介於200到300(pm25_5.wav):

目前室外pm2.5的指數介於200到300之間,空氣品質相當不好,對於所有人的身體都不健康。

  • 當戶外的pm2.5指數大於300(pm25_6.wav):

目前室外pm2.5的指數高於300ppm,空氣品質不好,對於人的身體健康有危害。

  • 列印及安裝外殼

請到https://github.com/ch-tseng/pm25_MUART0-P-1-2/tree/master/3d-case下載模型再用3D printer列印出來。此外殼模型我是參考https://www.thingiverse.com/thing:2323354https://www.thingiverse.com/thing:922478 稍作修改而成。

        檔案說明:

  • back.stl  接收主機端的後蓋
  • front.stl  接收主機端的面板
  • pm25-roof.stl  PM2.5偵測端的蓋子(屋頂)
  • pm25-wall.stl  PM2.5偵測端的盒子(外殼)

接收主機端:依序將LCDPIR揚聲器及按鈕等固定於面板上,再將後機殼蓋起來,您可能需要熱熔膠的輔助以便固定於背板上。

PM2.5感測端:屋頂和下殼黏貼固定後,把攀藤G3感測器放入,注意G3的吸風孔要對準半開的門不要被擋住了。USB電源線則從後方的孔洞穿出。

組裝完成:

按下紅色及黃色按鈕可分別顯示戶外及室內的PM1PM2.5PM10曲線圖。

兩個同時按則回到主畫面。

  • 實際使用

        我們分別將PM2.5感測器放置於廚房及戶外窗台,您也可以擺在頂樓陽台或其它樓層房間在相當距離的情況下,SunplusIT的RF Uart也能保有相當不錯且穩定的無線傳輸品質。

        接收主機則擺放於門口鞋櫃,進出時會自動播放目前的空氣品質狀況。點選此網址可觀看實際使用狀況:

廣告