打造專屬「空氣盒子」與多重感測器整合應用

專案實務報告：
打造專屬「空氣盒子」與多重感測器整合應用

從 PM2.5 到 CO2，全方位守護室內空氣品質

一、 專案背景：為什麼我們需要「空氣盒子」？

空氣污染是動態且肉眼看不見的，我們在室內常面臨「開窗怕戶外風沙與廢氣，關窗又怕室內污染物累積」的矛盾。透過自製的「空氣盒子」來即時監測環境數據，能幫助我們採取正確的對策（如開窗通風或開啟空氣清淨機），以保障呼吸道與心血管健康。

一個完整的空氣盒子通常會關注以下四大核心指標：

  • PM2.5 (細懸浮微粒)：粒徑小於或等於 2.5 微米，來源包括汽機車廢氣、工廠排放與自然風沙。它能穿透肺部進入血液，對兒童、老人及過敏族群危害極大。
  • 甲醛與 VOCs (揮發性有機物)：來源廣泛，如清潔劑、香水、印表機運作或油漆。短期會造成眼睛不適與過敏，長期累積對人體有嚴重傷害。
  • CO2 (二氧化碳)：在通風不良的空間（如教室、會議室或臥室）會快速累積。當濃度大於 1000 ppm 時，容易讓人感到昏昏欲睡。
  • 溫濕度：雖非直接污染物，但高溫會加速 VOCs 揮發；高濕度易孳生黴菌與塵蟎；而低濕度則會讓懸浮微粒更容易在空氣中飄散。
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▲ 圖 1：空氣盒子系統架構，將多重感測數據彙整並上傳雲端進行可視化監控。

二、 核心空氣品質感測器介紹與使用方式

在實務開發中，我們可以結合多種專業感測器來打造空氣盒子。以下為常用的四款感測器及其使用重點：

1. PMS5003 (顆粒物 / PM2.5 感測器)

  • 測量原理：採用激光散射原理，能連續採集並計算空氣中不同粒徑（0.3 ~ 10 微米）的懸浮顆粒物濃度。
  • 硬體使用細節：感測器內部的風機需要 5V 供電，但資料通訊（RXD/TXD）的邏輯電平為 3.3V。使用 Datalogger IoT 主板時，因板載已內建專用連接器，可完美匹配電壓，無需額外轉接板即可隨插即用（對應腳位為 RX=2, TX=3）。
  • 機構安裝 3 大地雷：
    1. 風道實體隔離：進風口與出風口之間必須有結構隔開，絕對不能讓排出的氣流在盒子內部直接「迴流」到進風口，否則數據會嚴重失真。
    2. 防短路：金屬外殼與內部電源地 (GND) 導通，安裝時嚴禁與其他電路板或導電物體短接。
    3. 安裝高度：建議離地 20 公分以上，避免吸入近地面的大灰塵或毛絮導致風扇卡死。

2. SHT40 (溫濕度感測器)

  • 特點：這是一塊採用 I2C 通訊的低功耗感測器。
  • 規格：溫度測量範圍為 -40℃ 至 +125℃（精度 ±0.2℃）；濕度測量範圍為 0% 至 100%（精度 ±1.8%）。

3. SGP41 (室內空氣品質 / VOC & NOx 感測器)

  • 測量目標：主要探測揮發性有機物 (VOC) 以及氮氧化物 (NOx，主要對應汽機車廢氣)。
  • 數據輸出：它會產生一個 0 到 500 的量化指數。0-100 代表空氣品質良好，而 401-500 則屬於嚴重污染狀態。
  • 程式設計關鍵：
    • 軟啟動：此感測器在程式中需要約 10 秒鐘的「軟啟動」時間來進行預熱，之後才能正確提取數值。
    • 數值補償：SGP41 本身具備溫濕度補償功能以提高準確性。在程式開發時，可以先讀取 SHT40 的溫濕度數據，再將其代入 SGP41 的演算法中進行補償運算。

4. SCD41 (高精度二氧化碳感測器)

  • 測量原理：透過紅外線脈衝照射 CO2 分子的非分散紅外線/聲波技術進行感知。
  • 規格與特點：CO2 測量範圍為 400 至 5000 ppm。特別的是，該模組內部已包含溫濕度感測功能，用以做訊號補償，因此它能同時輸出 CO2、溫度與濕度三種數值。

三、 系統整合：硬體組裝與雲端可視化

1. 無痛串接 (Qwiic 生態系)

為了將上述多個感測器整合在一起，我們可以利用 Datalogger IoT 主板上的 Qwiic (I2C) 快速連接介面。

許多 I2C 感測器（如 SHT40、SGP41、SCD41）模組上帶有兩個連接埠（一前一後）。我們可以直接用線材將它們一個接一個「串接 (Daisy chain)」起來，這不僅省去了複雜的麵包板飛線，且不會額外佔用主板上的其他 GPIO 腳位。

Datalogger IoT 專用 UART 接口 Qwiic PMS5003 SHT40 SGP41 SCD41 一條線串列到底 (Daisy Chain)，免飛線！

▲ 圖 2：硬體串接架構，PMS5003 使用專用連接埠，其餘感測器透過 Qwiic 介面串接。

2. 雲端監控與資料儲存

  • 本地端儲存 (SD 卡)：為了防止網路斷線，可利用主板或基本擴展板上的 SD 卡插槽，將感測器讀取到的溫濕度、PM2.5 等數值，加上網路校時 (NTP) 的時間戳記，定時（例如每兩分鐘）寫入 CSV 檔案中進行離線備份。
  • 遠端監控 (Wi-Fi + MQTT)：藉由 Datalogger 內建的 Wi-Fi 功能與 MQTT 通訊協定，可以將收集到的所有空氣品質數據推送到手機 APP (如 MQTT Dashboard) 上。管理者不僅能在手機上即時看見 PM2.5、CO2、VOC 的數據變化與更新時間，甚至還能在 APP 上設計按鈕，遠端控制環境改善設備（例如開啟通風風扇）。

3. 機構外殼

實務上，可以準備一個尺寸約 175 x 125 x 75 mm 的防水盒作為空氣盒子的外殼，並妥善為感測器的進出風口開孔與設置隔離牆，以確保偵測數據的準確性。

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