Arduino + SmartAirFilter 制作智能感应的 PM 空气净化器

时间：2014-05-31 19:15:00 阅读：510 评论：0 收藏：0 [点我收藏+]

先说 SmartAirFilters

知道 SmartAirFilters 源自微博上转发的非常火的那个帖子，和动辄七八千元的商用产品比，几百元的 SmartAirFilters(下面简称电扇) 确实不贵。一次和朋友在清华科技园里附近的咖啡馆聊天，正好遇见他们在那里做 DIY 体验工坊，作为 DIYer 爱好者，理所应当给个赞，就败了个 1.0 试一试。

空气 PM 的监控

空气过滤效果究竟怎样？作为数据控，理所应当必须看数据说话。正好在玩 Arduino Yun，就起意搞个灰尘传感器监控一下。

设备清单

要搞定空气中的 PM 值检測，网上已经有文章珠玉在前, 英文原文和中文翻译在此。我使用的设备也类似：

Arduino Yun
Shinyei 粉尘检測传感器 PPD42NS
Grove Base Shield（可选）
Micro USB 电源（输出为 5V 0.5A 左右就可以）

这里须要说明的是，眼下类似 PPD42NS 的这类微型的空气 PM 检測传感器都是利用光学特性，计算一段时间内观測到的粉尘数量，从而推算出每立方米此类粉尘的数量。而严格意义上的 PM 1.0/2.5 是以每立方米此类粉尘的重量计量的。这两个数据具有较大的相关性，对在日常生活中了解 PM 值的须要来说，PPD42NS 已经可以满足要求。

由于有 Grove Base Shield，连接电路非常easy，将 Grove Base Shield 插到 Arduino 上，然后将 PPD42NS 的接口插到 D8 槽就可以。PPD42NS 需竖直放置。

假设您没有 Grove Base Shield，请按下面连接：

PPD42NS	Arduino
Pin 1 (黑线)	GND
Pin 3 (红线)	5VDC
Pin 4 (黄线)	D8

Arduino 代码

完整代码请參考 Git 上的 dust_check_simple 部分。

/*
# Smart Air Control #

Program by Iasc CHEN，April 2014

## Grove Dust Sensor ##

Use Shinyei Model PPD42NS Particle Sensor
http://www.sca-shinyei.com/pdf/PPD42NS.pdf

JST Pin 1 (Black Wire)  => Arduino GND
JST Pin 3 (Red wire)    => Arduino 5VDC
JST Pin 4 (Yellow wire) => Arduino Digital Pin 8
*/

#include <Bridge.h>

// dust check
int DUST_PIN = 8;

unsigned long DUST_SAMPLE_MS = 15000;//sampe 15s ;

unsigned long duration, starttime, now, lowpulseoccupancy = 0;
float ratio = 0, concentration = 0;

void setup() {
    Bridge.begin();
    Console.begin();
    // Serial.begin(9600);

    pinMode(DUST_PIN, INPUT);
    starttime = millis(); //get the current time;

    // while(!Console);
    Console.println(" Time , PM ");
}

void loop() {
    duration = pulseIn(DUST_PIN, LOW);
    lowpulseoccupancy = lowpulseoccupancy + duration;
    now = millis();

    if ((now - starttime) > DUST_SAMPLE_MS) {
        ratio = lowpulseoccupancy / (DUST_SAMPLE_MS * 10.0);  // Integer percentage 0=>100
        concentration = 1.1 * pow(ratio, 3) - 3.8 * pow(ratio, 2) + 520 * ratio + 0.62; // using spec sheet curve

        Console.print(now/1000);
        Console.print(",");
        Console.println(int(concentration/100));

        lowpulseoccupancy = 0;
        starttime = millis();
    }
}

从 Console 中得到未开电扇的一小时输出数据例如以下，数据文件在此 pm_no_filter.csv。

其数据图形例如以下，经过一小时，PM 值缓慢的从平均约 80，降到约 40：

能更 Smarter 一些吗？

在封闭的室内，当空气过滤达到一定水平之后，PM 值基本稳定。此时假设仍然开着净化器，也仅仅是白白耗电。我们能够设定一下阈值，比如，PM 指数高于 50，自己主动打开净化器；低于 20，自己主动关闭净化器，就比 Smart 更 Smarter 了。

这个功能能够通过 Arduino 控制继电器来实现。

设备清单

Arduino Yun
Shinyei 粉尘检測传感器 PPD42NS
Grove Base Shield（可选）
Micro USB 电源（输出为 5V 0.5A 左右就可以）
继电器模块，可以控制 200V，10A 电路
插座

继电器的引脚连接说明例如以下：

Relay	Arduino
Pin 1 (GND)	GND
Pin 2 (VSS)	5VDC
Pin 3 (SIG)	D4

插座的改造工作是用继电器替换原有的控制开关。详细操作步骤是：

1 将原有的开关盖子取出2 从开关的两极焊接引出两根线（感谢 @我是国宝帮助焊接）3 将这两根线接到继电器上的控制引脚上

在上图中中间那个插座用于给 Arduino Yun 供电。左側的插座，在其开关位置连出的两根线接到了继电器上，以下的插头是电扇用的。

Arduino 代码

我在 Arduino 代码中添加?了对继电器的控制，代码改动例如以下，完整代码请參考 Git 上的 dust_check 部分。：

/*
# Smart Air Control #

Program by Iasc CHEN，April 2014

## Grove Dust Sensor ##

Use Shinyei Model PPD42NS Particle Sensor
http://www.sca-shinyei.com/pdf/PPD42NS.pdf

JST Pin 1 (Black Wire)  => Arduino GND
JST Pin 3 (Red wire)    => Arduino 5VDC
JST Pin 4 (Yellow wire) => Arduino Digital Pin 8

## Relay ##

Relay Pin 1 (Black Wire)=> Arduino GND
Relay Pin 2 (Red wire)  => Arduino 5VDC
Relay Pin 3 (Green wire)=> Arduino Digital Pin 4
*/

#include <Bridge.h>

float RELAY_ON_VALUE  = 5000;
float RELAY_OFF_VALUE = 2000;

// dust check
int DUST_PIN = 8;

unsigned long DUST_SAMPLE_MS = 15000;//sampe 15s ;

unsigned long duration, starttime, lowpulseoccupancy = 0;
float ratio = 0, concentration = 0;

//relay control
int RELAY_PIN = 4;
unsigned long MAX_RELAY_RUNNING_MS = 1200000;// If after 1200s the air filter are still running, send a warning;

bool relay_on = false;
unsigned long now, relay_start_time, relay_running_time = 0;

void setup() {
    Bridge.begin();
    Console.begin();
    //Serial.begin(9600);

    pinMode(DUST_PIN,INPUT);
    starttime = millis(); //get the current time;

    pinMode(RELAY_PIN, OUTPUT);
    relay_start_time = millis();

    // while(!Console);
    Console.println("Time , PM , Status , Running");
}

void loop() {
    duration = pulseIn(DUST_PIN, LOW);
    lowpulseoccupancy = lowpulseoccupancy + duration;
    now = millis();

    if ((now - starttime) > DUST_SAMPLE_MS)//if the sampel time == 30s{

        ratio = lowpulseoccupancy / (DUST_SAMPLE_MS * 10.0);  // Integer percentage 0=>100
        concentration = 1.1 * pow(ratio,3) - 3.8 * pow(ratio,2) + 520 * ratio + 0.62; // using spec sheet curve

        Console.print(now/1000);
        Console.print(" , ");
        Console.print(int(concentration/100));
        Console.print(" , ");

        if (concentration < RELAY_OFF_VALUE){
            if(relay_on){
                digitalWrite(RELAY_PIN, LOW);
                relay_on = false;
            }
        } else if (concentration > RELAY_ON_VALUE){
            if(! relay_on){
                digitalWrite(RELAY_PIN, HIGH);
                relay_on = true;

                relay_start_time = millis();
            }
        }

        if(relay_on){
            relay_running_time = now - relay_start_time ;

            Console.print(" ON , ");
            Console.println( relay_running_time / 1000 );

            // if (relay_running_time > MAX_RELAY_RUNNING_MS){
            //      Console.println(" => Make sure your doors and windows are closed, or Change Filter!");
            // }
        }
        else{
            Console.print(" OFF , ");
            Console.println( 0 );
        }

        lowpulseoccupancy = 0;
        starttime = millis();
    }
}

将 PM 数值记录爱 Log 文件里

前面的 PM 记录都是输出在 Console 中的，让我们添加?上 log 记录，这样就能够长时间记录家里的空气 PM 值了。

以下的代码实验的性质较大，不不过为了写 log 文件，还验证了 Arduino 调用 Shell 命令的过程。这个方案便于将 Arduino Sketch 变成一个能 “推Push“ 的数据源使用，能够将很多其它地工作放到 Python 或 Shell 中去，提升开发效率。

设备清单

设备同上。

Arduino 代码

下面内容是部分相关的代码，完整代码请參考 Git 上的 dust_check_log 部分。

首先，添加?了用于创建所需的 Shell 脚本的部分，在使用时，请依据您的环境改动文件文件夹和名字：

#include <FileIO.h>

void uploadScript() {
    File script = FileSystem.open("/mnt/sda1/workspaces/dust_check/dust_log.sh", FILE_WRITE);
    script.print("#!/bin/sh\n");
    script.print("echo $(date +‘%Y-%m-%d %H:%M:%S‘) , $1 >> /mnt/sda1/workspaces/dust_check/logs/dust.log");
    script.close();

    Process chmod;
    chmod.begin("chmod");      // chmod: change mode
    chmod.addParameter("+x");  // x stays for executable
    chmod.addParameter("/mnt/sda1/workspaces/dust_check/dust_log.sh");
    chmod.run();
}

其次编写了用于运行这个脚本的部分：

void runLogScript(String msg){
    Process logscript;
    logscript.begin("/mnt/sda1/workspaces/dust_check/dust_log.sh");
    logscript.addParameter(msg);
    logscript.run();
}

这些代码在 Sketch 中的调用情况例如以下示意：

void setup() {
    ...

    FileSystem.begin();
    uploadScript() ;
    // runLogScript("Time , PM , Status , Running");

    Console.begin();
}

void loop() {
    duration = pulseIn(DUST_PIN, LOW);
    lowpulseoccupancy = lowpulseoccupancy + duration;
    now = millis();

    if ((now - starttime) > DUST_SAMPLE_MS){    //if the sampel time == 30s

        ...

        String output = String(int(concentration/100), DEC)
            + " , " + String(relay_on)
            + " , " + String(relay_running_time / 1000, DEC);
        Console.println(output);
        runLogScript(output);

        ...
    }
}

查看输出 Log

SSH 登陆上 Linino，进入相关路径，可以查看 Log 文件的输出。

$ cd /mnt/sda1/workspaces/dust_check
$ ls
dust_log.sh  logs
$ tail -f logs/dust.log
2014-05-12 19:50:06 , 27 , 1 , 421
2014-05-12 19:50:21 , 40 , 1 , 437
2014-05-12 19:50:37 , 31 , 1 , 452
2014-05-12 19:50:52 , 43 , 1 , 468
2014-05-12 19:51:08 , 41 , 1 , 484
2014-05-12 19:51:24 , 46 , 1 , 500
2014-05-12 19:51:40 , 46 , 1 , 516
2014-05-12 19:51:55 , 43 , 1 , 531
2014-05-12 19:52:11 , 43 , 1 , 547
2014-05-12 19:52:26 , 51 , 1 , 562
2014-05-12 19:52:42 , 43 , 1 , 578

获得的日志数据例如以下，dust_log.csv：此数据由于有调试对 Arduino 和数据收集时间等原因，有部分数据缺失，开关阈值为 50 开， 20 关。其数据图形例如以下（绘图代码參见 draw_log.R ）。通过数据图形展示了这个智能感应的 PM 空气净化器的执行情况和效果。粉尘吸附情况和房间大小、以及是否关窗有关。红色区间主要是家里做饭的时候，还有就是俺家厨房烟道有露烟，:(

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