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

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
");
    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，:(

：：

总之，如今俺的 Smart Air Filter 可以自己主动开关，效果可以通过数据观測验证，看起来还蛮不错，不是吗？

所有成本

刚又去淘宝上查了一下相关设备，有点小贵（主要是买 Arduino 板子和传感器的时候，以兴趣居多，没考虑价格，当然，也不是仅仅干这个用），供各位參考。

• Arduino Yun ￥480
• Shinyei PPD42NS ￥95
• Grove Base Shield ￥59
• 继电器模块 ￥20
• 插座，超市中买的 ￥20
• Smart Air Filter 1.0 ￥200

预计用更便宜的 Arduino 兼容板和较便宜的器件，可以将总成本控制在 ￥400 元以内。

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代码地址

https://github.com/iascchen/smarter_air_filter/

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玩的开心！

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转载请注明出处

Author : iascchen(at)gmail(dot)com

Date : 2014-5-12

Github : https://github.com/iascchen

新浪微博 : @问天鼓

CSDN : http://blog.csdn.net/iascchen