[2018.01.09更新]JetAIR 空氣清淨機 DIY開發全記錄(圖多多, 請小心服用)

[前言]
冬天一到..空氣品質一直降低..因此一直有想要弄個空氣清淨的念頭..於是稍微Google了一下..發現每台空氣清淨機都在比貴的..對於口袋超級淺的我來說..一直無法下手..
某一天..看到了一個在募資網站上的DIY空氣清淨機..不到2000元的價錢..於是看了一下..結果不看還好..看了又引起我DIY的念頭..因為若只看清淨部份基本上就是一個風扇(或一組風扇)加上一個濾網組合而成.. 而最近最流行的360度進氣就是用圓筒型的濾網(或稱濾芯)..讓空氣由外部進入再用風扇從中間把乾淨空氣抽出..

那既然它的原理很簡單..再加上我DIY成癮(請參考: 自製JetSOVI舒肥機開發日記 以及 JET智慧雲台參考開發全記錄), 哪有不DIY的道理..

[DIY計劃]
首先..空氣清淨機的心臟就是濾芯..因此要找個方便取得, 功能不差, 看來不醜(後面會提到)..於是找了找..找到了米家空氣淨化器的濾芯..因為目前它方便取得(網拍一堆, 官網也有)..價錢還OK(800-900元), 還有除甲醛及抗箘功能.

(圖片來源: 小米官網)

因此我的DIY濾芯就先鎖定它(如果還有更好用的濾芯再來修改設計也可以, 因為不同的只是尺寸而已.)

濾芯解決了..接下來就來規劃一下功能囉, 既然要自己DIY就不能只是全手動開關及調速而已..大概參考市面上的貴呼呼的空氣清淨機我大概的功能如下:

1. 紅外線遙控: 最簡單的遙控方式, 大人小孩都會用.
2. 全彩觸控螢幕: 最直覺的控制, 而且可以顯示很多內容(如下方的開發中畫面)



3. 支援 PM2.5偵測..使用 神榮偵測器 或 雷射PM2.5偵測器 (後述)
4. 支援 溫濕度偵測.
5. 可支援 手機藍牙操作.
6. 可支援 WIFI Web瀏覽器雲端操作.
7. 可依目前空氣品質狀態控制清淨機風量.
8. 有睡眠模式(限速靜音運轉)
9. 有定時模式
10. 支援擴充端子, 可外接紅外線遙控器, 可依空氣品質及溫濕度狀態遙控家裡電氣(如: 空調, 電暖器, 電風扇..等等)
11. 還在想....


[功能實現]
既然把想做的功能列出來了...那就得一一的實現它才行..
因為要做到手機控制, 連網控制..當然選一款心臟才行...想到在做舒肥機(JetSOVI)時..使用的是 Arduino Nano這塊小而美的主板..不過也因為它只有16KB的Flash 2KB的SRAM空間.. 程式一再簡化才把整個系統塞進去..想想我竟然在裡面寫了一個Web Service, 現在想起來實是一個很好的經驗.


到了寫智慧雲台時..因為需要儲存的東西多了..2KB的 RAM遠遠不夠用, 於是就改用又快又大的 Arduino Mega 2560來當主板.. 果然256K的Flash加上16K的SRAM..寫起程式來比較不會綁手綁腳..


因此我決定用 Arduino Mega 2560來當我JetAIR的程式主板(其實在選MEGA前還有段故事, 文章中會提到)..

主板決定了..接下來螢幕一樣選擇我JetSOVI用的觸控螢幕, 不過改用2.8吋 4:3的比較容易塞得下(JetSOVI是3.2吋), WIFI的部份一樣使用ESP8266, 藍牙一樣使用HC-05這個簡單的藍牙模組..

而智慧型空氣清淨機除了過濾的部份外..最重要的就是它怎麼知道目前空氣的品質如何? 因此找尋一個方便準確的感測器就相對重要囉..
目前在市售空氣清淨機裡有偵測空氣品質的不少..而最常用的就是 Sharp 的 GP2Y1010AU0F感測器(如下圖)


這個感測器最大的特點就是便宜..但使用紅外線偵測及被動式空氣偵測, 偵測結果以類比電壓傳回也是它的問題所在..它只能很大略的告知目前空氣狀態如何, 但無法精確量化它..尤其是近年來大家比較注意的PM2.5顆粒..不過它對於煙塵倒是很靈敏.我一開始也拿它來做測試..但它輸出的值真的誤差範圍太大..讓我不得不找其它的PM2.5感測器.

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接下來這個感測器也是不少廠牌使用的..它是日本神榮感測器模組Shinyei PPD42NS(如下圖)


它的好處是它已經內建微處理器, 然後出廠時也都經過校正過(上面2顆電阻就是在校正讀數使用, 原廠建議正常使用下不要去動它), 再加上它內建有個簡單的發熱裝置主要是讓空氣產生對流, 才能方便偵測空氣品質, 可以參考下面的原理圖解


而且它的讀數使用PWM輸出也方便機器判讀, 遠比類比電壓方式好的太多了..因此一些中高價位的清淨機都使用這個感測器.

但是..它還只能大略確傳回PM2.5的濃度..那麼要怎樣才能取得精確的PM2.5濃度..當然不用到實驗室的等級..但也不能太大略..於是利用雷射散射原理而做出來的感測器就來了..一般來說這種感測器都帶有風扇, 可以將空氣以定量的方式吸入經由內部通道使用雷射照射會因粉塵而產生繞射現像, 再由分佈在內的感測器去接收這些散射光再經由CPU的計算來取得精確的粉塵濃度, 也因此可以很精準的測量到PM2.5濃度(一般而言可以測到PM1.0)..
於是..我找到了 攀藤Plantower PMS5003T (如下圖)


可以看出它有個風扇, 可以把空氣吸入..再由下方孔洞排出..而同時會經由UART方式將各項濃度數值直接送出. 主機接收到就是濃度數字了.而且它同時可以傳回 PM1.0 PM2.5及PM10.0的 濃度(ug/m3), 以及溫濕度的資訊. 方便使用.
如果想偵測更多..它還有個版本同時可以偵測甲醛(不過價格變2倍..就...免了.)

因此..目前來說除了一些高價機種外..幾乎很少廠商使用雷射感測器, 太小材大用了嘛..但..DIY嘛..可以精確..精確一點不好嗎? 我也很想知道我的環境中的PM2.5變化啊..

不過訂的感測器都還在路上..手上只有1年多前買旳Sharp GP2Y1010AU0F, 就先用它吧.. 於是開始插麵包板, 開始無止盡的Debug....


有沒有發現..一開始還不是用Arduino MEGA..因為之前買了一塊 Arduino Micro..因為它的RAM比較大, 所以先拿它來寫..

麵包板測試成功..就打一塊板方便Coding和Debug.於是就有了..


背面...


元件放上去...(裡面有溫濕度感測器, WIFI模組, 藍牙模組, 光線感應模組..然後有觸控面板端子, 粉塵感測器端子, 以及一顆全彩LED)


正當可以很方便的測試程式時...


怎料這顆多年沒用的 Arduino Macro竟然罷工了..而且是我身邊唯一的一顆(雖然還有不少的Nano, 但RAM不足無法使用), 打的板子腳位都以它來做的.. 氣啊!!!

好吧! 造化弄人..又在零件堆裡東翻西找..找出了一片之前想拿來當智慧雲台主機版的變形Arduino MEGA 2560, 叫做 Iteaduino MEGA的板子(後來雲台沒用它的原因是..價格有點小貴..又沒比較好用, 體積小倒是真的), 那麼就直接升級到MEGA吧!


原來打的板子不用了..只好再打一塊可以直接疊在上面的擴充板..




裝上元件, 指揮艇組合...


終於又可以順利的Coding下去了..

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[2017.12.20更新]
接下來重頭戯來了....

空氣清淨機的核心部份.. 而濾心已經確定用小米的濾心..
而這濾心長得還OK..就算沒有殼也還不難看(其實是外殼不太容易DIY..), 而且是360度進氣..過濾後的空氣由中央往上抽出..

所以抽風扇就變得相當重要..因為關係過濾的效率及效果..

首先...先看了那個集資的DIY清淨機的一些開箱影片..發現它是直接使用交流風扇..使用GULF(海灣電氣) GA1123XSL

(圖片來源: ATON 3C)

到GULF網站查了一下規格..它是使用油封軸承(Sleeve), 風量大約是112CFM(Cubic Feet per Minute, 一分鐘內可以移動多少立方呎的空氣), 噪音約為40db


因此我自己也去電子材料行買了一個一模一樣的風扇... 接上110V, 發現聲音不大沒錯..但風量好像也不大..再加上這類的散熱風扇主要只是把空氣抽出而已..沒有任何導流的裝置..讓風送得遠..也因此有可能在乾淨空氣送出後立刻又被濾網吸入..那就失去清淨機的功能了..

再加上使用AC電源..萬一不小心走火或積灰塵..那後果是很難想像的..

好吧! 另外找風扇..首先要直流的..鎖定12V方便使用也可以直接拿來做主機的電源, 大小一樣使用12CM, 但要有導流裝置, 讓抽出的風可以送得遠(以防再被濾芯吸入), 風量要大(方便控速), 使用雙滾珠軸承, 這樣壽命才會長久..

看到這也許有人會問.. 油封軸承(Sleeve)和雙滾珠軸承(2BALL)差別在哪裡, 在這裡也說明一下.

油封軸承(Sleeve)的好處是靜音, 價格低, 但當油是會漏的..當油漏光之後軸承就會不穩定而卡住或產生極大噪音(80%的電腦風扇都是這種, 我想很多人都有家裡電腦突然風扇變好吵的經驗, 是的..那就是油封軸承的油漏掉了).
而雙滾珠軸承(2BALL)的好處就是壽命長, 適合長時間開啟, 但缺點就是吵了一點, 以及比較貴..

目標確定後..就開始找吧!!!

於是在網上找啊找..突然看到..台達電有款直流12V, 雙滾珠軸承, 12cm, 大風量的風扇 PFC1212DE


而且從圖上可以很清楚的發現它有導流裝置..可以把空氣抽得更遠..而且一看規格..風量特大..最重要的它直接支援PWM控速根本是為我設計的...


立馬在網路上訂了一個(不過收到貨時嚇到我了..後述)..

等著風扇和濾芯送到的同時..著手開始設計主體部份..再度拿出Autodesk佛心的 123D Design..畫啊畫的..
第一版的樣子出來了..




於是想先印個風扇底出來才發現..設計時沒注意到我的3D印表機尺寸..結果太大了..立馬重新調整了一下..

改的時候又想到伸到濾心的圓筒不能太長, 不然濾芯上方就浪費了...於是...第2版出現了..


於是..先行印出一個底座, 等印好後..風扇和濾芯都送到了..先拿來組合看看..


這時發現一個晴天霹靂的事實..我買風扇時沒注意到賣家的說明文字是出貨2線版本..
也就是說我收到的這顆風扇是沒有控速功能的..2條線接上去就全速暴力運轉...
不過路不轉人轉..雖然只有2條線一樣可以把它弄出PWM控速的..
網路找到了這麼一個用NE555產生PWM的控速電路.. 因為Arduino本身就可以輸出PWM..因此我只需要紅色圈起來這部份即可.


立馬到電子材料行買了一顆IRFZ44N的MOSFET, 依照線路圖把它改裝變成可以用PWM控速的風扇..


[2017.12.22更新]

補一個2Pin風扇改成PWM控速風扇的線路.. 黑色接頭是3線(GND/12V/PWM)..橘色快速接頭是到風扇..




不過一般支援PWM控制的風扇都是4條線, 除了電源及PWM控制線之外..另一條線是風扇轉速輸出. 而市面上3線版都只有轉速輸出..沒有PWM的哦..如果想DIY的朋友不要買錯了..

---------------我是分隔線--------------我是分隔線------------------------

好了..風扇控速的問題解決了.... 接下來就開始組合測試了...

首先把把各個模組合到主板上..然後把程式丟進去試著執行...

在這時使用之前買的溫溼度感測器 DH-11, 以及那顆便宜的Sharp粉塵感應器...


果然類比的東西誤差值真是大...溫度可以一下20度下一秒變成25度再一秒又回到22度...PM2.5的數值更是誇張..

後來只能用平均算法..把每分鐘的數值平均後儲存起來做成圖表顯示在LCD上..這時溫濕度看來比較正常了..但PM2.5也是一團亂..

爬了文章之後才發現..這顆Sharp並不是真的PM2.5的感測器.. 它是利用紅外線LED照射空氣後利用反射原理再由感測器接收..當然這時的變化是非常小..再經由放大線線放大後把電壓送出..說真的..它有一點小誤差放大後就會差非常多..以至於數字非常亂..就算把每分鐘的數值平均還是亂到不行..而且會受到外在光源的干擾..
以下圖來說..就可以看出那個藍色線條完全沒有參考價值, 所以一開始決定用雷射感測器是對的..


就在等待新的感測器送的的同時..一方面開始韌體的設計..一方面又在改外殼..

原本的設計是把風扇和控制器分開..所以一直以來都以這個模式在設計..甚至還訂了矽膠外皮的耐熱線..因為我覺得空氣清淨機這種東西常常會開一整天, 而且是自己一定會先使用, 所以我所有線材, 都使用耐熱矽膠線(雖然知道基本上不太會發熱, 但還是用了耐熱線, 如下圖, 圖片來源:網路).



因為已經開始測試了..發現如果把控制盒和清淨機主體(風扇部份)分開..那麼我還要找個桌子放控制器..太麻煩了..於是再改..

把控制盒放到本體後..也順便加高上蓋(氣流更容易控制)
結果...


哇..不行上面被切掉..重來, 控制部份重畫, 看起來應該OK了.


其實會這麼畫都還要牽就3D印表機的可列印尺寸(早知道就買XL版的)..

好把..外殼先確認..再來繼續Coding.. 也把手動風量功能加進去..


順便測試一下風量變化, 目前我是設定10段風力, 一般自動會在1-9段自動調整, 第10段是全力輸出只有手動可以控制, 另外也計劃設計睡眠自動模式的風力(以靜音為考量)
這個影片可以看出就算在最小風力狀態氣流也是呈現漩渦狀..而且是在有負載(套上濾芯)的狀態下測試的..當然在第5段開始就有點吵了(影片會比較吵, 因為在半夜做的測試, 錄影時會自動放大音量).


正看著漩渦狀氣流出現時...突然想到我的上蓋的直式氣孔設計會影響氣流旋轉...

於是..再度修改...也順便把一些開孔及方便將來列印組裝的切割弄好..

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[2018.01.02更新]

既然已經確認了要把控制器和風扇座結合為一..那就來試印看看..看組合起來會是怎麼樣..

因為我的3D印表機先天上的限制(我有2台..一台是XYZ軸架構, 最大可以列印 20x20x22cm.. 另一台是Delta架構的, 最大可以列印直徑18cm高30cm)..所以在設計時就把外殼分成4個部份..

於是開始列印地獄啦...因為每個組件基本都要印個10幾個小時.. 也就是說..印1組要花2-3天時間..

風扇底座部份


風扇上蓋部份


另外控制器部份列印時忘了拍XD...為什麼會忘了呢...其實是有原因的..

剛好在印完上蓋後..換了一捲線材, 而新的線材和我之前用的不太一樣(好像賣家換了一個供應商)..首先印出來發生斷層狀態, 也就是進料不順..找了很久發現原來新的線材用的線盤和舊的不一樣..新的線盤在列印時偶爾會卡住我的原料架以至於進料就發生中斷..等我下班回來一看....E04..不能用啊..浪費了時間和原料@@

還好..很快就找到原因(不過已經印壞了2組, 一直以為是溫度和速度這些列印參數的問題)..找了一個原料架後..就繼續列印吧!!

結果....令人崩潰的事又發生啦...因為一直測試參數..沒注意到線材用量..結果在列印控制器外殼快要完成時發生原料用盡大問題(一整個怒啊..看來要來找個PLA線材接續工具了, 不然10幾個小時等於白做工)...

不過也好..先拿印壞的殼來試組一下..如果發現不足的地方還可以修正..

試組了一下..
正面


側面(好像有點太突出)


下方(PM2.5感測器的進出氣孔還蠻準的)


感覺上有點突兀因此第2版的控制器又在設計中了..XD

不過外殼歸外殼...內容還是最重要的..所以電路版當然不能拿萬用版OK線焊接了事..因此再度請出佛心的Autodesk EAGLE來設計JetAIR的主板..

因為想可以一板多同途..因此在設計上可以用擴充版的方式跨接在Arduino MEGA上, 也要可以直接插上Arduino Pro Macro來控制.
當然在各外接端子除了觸控螢幕外..也設計了
1. 光線感測器端子(為了可以依環境光線來自動調整LCD和LED的亮度)
2. 全彩LED端子: 可依空氣品質狀態顯示不同的顏色(綠--黃--紅--紫)
3. PM2.5感測器端子: 可以接雷射版或一般版(當然程式不一樣)
4. 紅外線遙控器端子: 可以用遙控器來遙控..但我還沒找到看起來好用的紅外線遙控器XD.
5. 溫溼度感應器端子: 如果在非雷射版的PM2.5感測器下就需要另外使用溫溼度應測器了.
6. 風扇控制端子: 這是最重要的..可以直插4線式12V PWM風扇.
7. 外接控制端子: 如果主板使用Arduino MEGA時..不要浪費了它的數位控制端子..因此我設計了8個可外接有的沒有的控制模組的端子, 而且每個端子都以之前玩四軸時的飛控端子方式設計, 每個端子都含有+5V和GND.

於是..主板完成囉.. 也送廠商先打樣個幾片來測試


說真的現在送廠商打樣比自己洗還便宜, 而且還幫你列印上油墨, 像下圖就是我之前設計的智慧雲台的主板, 質感真是好.

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[2018.1.4更新]

前幾天寫文章時..新的外殼也剛好印好..雖然已經決定再換掉它..不過還是組了一下反正自己用沒差..


實際運作畫面..


而且前天的文有說到要把主板送洗打樣, 而在Eagle中覺得還不錯..正想輸出給廠商打樣時…突然想說找一下LED吧….因為我插萬用版的LED是共陰極(接點是 GND, R, G, B)5mm全彩LED(如下圖)


想說找個大一點的, 或者找模組..於是..找到這個., 10mm 霧面LED..咦..這個是共陽極(就是接點是 5V, R, G, B), 所以在設計第2版時就把LED端子改成 V R G B 的4Pin端子..


但正想說要如何把這個模組安裝在外殼中..又隨手翻了翻網頁..看到了這個..


只需要使用VCC, GND和Data 3條線..就可以用程式控制發出的顏色..而且除了可用RGB控制..還可以用 YUV來調色, 它還能串接由程式控制不同單一燈珠的色彩..而最重要是直接有Arduino的Library可以使用..真是太方便了(腦中又想到很多好玩的Idea..)..於是..又再修改了主板的設計, 也加了一些濾波電容讓電路更穩定.,.

所以主板再度更新為:


而在修改主板的同時..也在進行著新外殼的設計….縮小了控制箱的大小..在123D Design下做試組..發現我的主板的外接端子會卡到2.5感應器..於是再把Layout做了大搬家.. 把外接端子移到比較高的位置..

終於再歷經多次修改後..第一版的主板應該是OK了..


於是馬上輸出給廠商打樣…..
可能有人會問..如果自己想Layout電路版, 電路板廠商需要什麼檔案呢? 如果你用免費的Eagle畫的話..請參考我這篇文章: [開發筆記] Autodesk Eagle 輸出 Gerber文件

於是主板去打樣了..但說好的外殼2.0呢?

想法是.. 把控制台移到前面, 但不能像1.0那樣高出一個頭..所以做法就把風扇箱拉高(應該可以讓氣流更穩定, 也更安靜) 於是..2.0版就出現了..


而且在做這個新的控制盒時..我做了2個版本..除了上圖控制箱和風扇合一之外.. 另一個版本就是控制箱獨立的版本..獨立的好處是PM2.5的感測會更符合環境的狀況.


然後當然又要開始列印地獄了.. 等主板打樣回來就可以開始組裝2.0版囉..

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[2018.01.09更新] 分離版硬體完成..軟體開始優化補強

在20多個小時的列印地獄之後..分離試作版終於來到世上..
上蓋列印中...


後蓋完成, 試組合..


加入開關, 電源及使用航空接頭連接風扇及主機


開關和12V電源接頭都使用高規格..都使用可以耐10A電流的零件




電源供應器也使用台達電的產品, 以維持供電穩定..


後面的感測器開孔其實錯置180度...結果讓感測器無法用螺絲固定..只好使用束線帶解決..


也馬上修正3D模型設計..


不過試組的成果還不錯.. 加了LED燈方便一眼就看出目前空氣的品質(LED和螢幕一樣, 也會依現場光線自動調整亮度, 以維持睡眠品質)..


在這之前也用風速計分別測量了一下各段的風速(共10段)..


再依風扇大小計算出大約的CADR值 (風扇直徑12公分, 半徑就是6cm=0.06m, 面積就是 3.14159*0.06^2=0.011310平方公尺)


到目前為止..寫在裡面的程式都是很簡單的, 其實全自動就是依目前的空氣品質來設定風扇的風量..
除了1-9的9段外..另外會在各段之間再設定1個中間段讓風速更微調, 因此自動共有17段不同的風速調整, 手動的話則是10段控制..

風速的設定完成後..接下來就是開始加入新功能了..首先就是加入WIFI的支援..

記得之前寫JetSOVI舒肥機時..因為使用Nano這個容量超級小的控制板, 因此程式編寫時就要在很小的空間裡擠進一大堆的功能


其中還包含一個Web Service讓手機可以直接連上它做控制. 所以畫面就只能弄得非常陽春..


不過這次直接使用Arduino MEGA主板, 不論程式空間或記憶空間都是Nano的好幾倍..在寫WebService這一塊當然就把CSS, JavaScript, AJAX也都放進去了..

不過說真的..在C裡面塞進HTML就算了..還要在HTML裡再塞進去CSS, JavaScript, 還要用AJAX做出動態更新的網頁.. 還真是有點挑戰, 其中JavaScript和AJAX不難..只是Debug有點麻煩..因為改一個就要燒進去測試一次..


還好..終於順利完成了...畫面還可以..因為以手機連線為主..所以直接設定成手機顯示(META裡還要加入ViewPort設定..)..
手機上的效果還不錯.. 中間的空氣資訊每10秒會更新一次..


設定無線基地台時也會把JetAIR抓到的基地台列出, 並加上訊號強弱db值..方便使用




Wifi成功連上基地台後..就會顯示基地台名稱和取得的IP位址了..


這時候JetAIR已經連上Internet囉, 接下來就要來處理當JetAIR連上雲端後要上傳的資料和雲端網頁了..
我希望是完全不使用APP來達到雲端操控的功能(也就是只要找台可以上網的手機, 平板或電腦, 就可以控制自己的JetAIR以及瀏覽所有JetAIR上傳到雲端的空氣品質資訊)

<<待續>>