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詳細內容
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作者 shk
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分類: am7020
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冬天一到，天空又是灰濛濛的，一直以來不良的冬季空氣品質練就了高雄人的鐵肺（一股淡淡的哀傷），再加上前陣子歸仁大火延燒，高雄空品甚至達紫爆等級；面對這些肉眼難以辨識的懸浮粒子，我們來實作小型空氣品質監測裝置，追蹤空氣品質的變化，就能知道空氣清淨機有沒有好好工作了（是這樣嗎）。
本次要監測的空氣品質包含PM2.5（懸浮微粒）以及二氧化碳濃度，並透過AM7020將資料上傳至AdafruitIO平台（沒有使用過Adafruit IO的朋友可以參考這篇文章，5步驟輕鬆上手Adafruit IO平台！），照著步驟實作，粗估只需花上3小時就能完成囉！
空品偵測器在後面文章Google試算表也能當資料庫？Arduino × App Script實作：空品偵測器！也有使用同樣材料再次實作，惟透過AM7020將資料上傳至App Script平台。功能上各有優缺點，文末有較詳細的解析說明；不過大致可依照使用者需求，自行評估選用的平台及方式：Adafruit IO有較好的直覺式體驗，而App Script則在後續資料應用上有較高的彈性。
所需材料
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ESP32
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AM7020（含SIM Card、天線）
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ZH03B（細懸浮微粒感測器）
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MH-Z19B（二氧化碳濃度感測器）
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杜邦線數條
ESP32
ESP32是一塊同時具有WiFi及Bluetooth功能的開發板，具有兩組HW UART。
這次範例會使用第二組HW UART與AM7020溝通，另外使用兩組SW UART與PM2.5及CO2感測器溝通，並將MQTT Protocol Stack 建置在ESP32上。
AM7020
AM7020是一款NBIoT模組，模組本身支援HTTP(S)、MQTT(S)、TLS等多項Protocol，加上專屬AM7020的Arduino Library，讓使用門檻大大降低，對初學者相當親切的一款模組。
ZH03B（細懸浮微粒感測器）
PM2.5感測器使用輝盛（Winsen）的ZH03B，ZH03B跟常見的攀藤PMS3003 在使用方法及原理上是一樣的，有興趣的夥伴可以自行研究相似處。ZH03B內部使用風扇進氣與雷射感測懸浮微粒，比紅外線式更加精準，甚至可量測PM10、PM2.5與PM1.0等多種懸浮粒子。
ZH03B提供的介面有PWM（Pulse Width Modulation，脈衝寬度調變）與UART兩種形式，PWM輸出會依照目前感測的PM2.5數值改變Duty Cycle，藉由轉換公式得到正確的感測值；而UART則是直接將PM2.5數值藉由UART傳遞。為了避免轉換誤差，我們會直接使用UART介面作資料傳輸。
當然除了ZH03B之外也有不同類型的感測器可選擇，如SHARP 的GP2Y1051AU0F或是Shinyei的PPD42NS等；但此類的感測使用的是引流加熱電阻與紅外線感測，相比之下雖然價格略為便宜但精準度卻不及ZH03B，大家可以自行衡量選用的材料，本次將以ZH03B為範例實作。
MH-Z19B（二氧化碳濃度感測器）
在室內環境中還有一個重要的氣體指標，就是二氧化碳CO2了。當室內二氧化碳濃度較高時，不但容易感到昏昏欲睡，久了也會對人體造成傷害。
然而相較於PM2.5感測器， CO2感測器因不易取得、價格較高，使得鮮少人使用與感測。
我們本次選用輝盛（Winsen）的MH-Z19B二氧化碳感測模組，其特性是高靈敏度、響應時間快、輸出線性、響應氣體單一，感測範圍為0~5000ppm，適合在室內外空間量測。
傳統的電化學氣體感測器（如MQx系列）通常都會對兩種氣體以上響應，且反應時間久需要一定時間加熱後才會準確；而MH-Z19B採用NDIR（Non Dispersive Infrared，非散色紅外線）感測，最大的優點是可以設計成僅針對單一氣體作響應，不會受到其他氣體濃度影響讀值，且受溫濕度影響較小，使用壽命也較長，同時內建溫度感測，主要用意是可以依據不同的環境溫度作溫度補償的參考。
MH-Z19B提供的介面就如同稍早提過的ZH03B一樣，有PWM（Pulse Width Modulation，脈衝寬度調變）與UART兩種形式；再為各位複習一次，PWM輸出會依照感測的二氧化碳濃度改變Duty Cycle，藉由轉換公式得到正確的感測值；而UART則是直接將二氧化碳濃度藉由UART傳遞。同樣的為了避免轉換誤差，與ZH03B一樣，我們直接使用UART介面作資料傳輸。
架構
ESP32作為主控版並使用Software Uart與MH-Z19B、ZH03B溝通，使用Hardware Uart與AM7020溝通，AM7020使用MQTT Protocol將pm2.5及co2感測資料上傳至Adafruit IO平台。
步驟
1. 設定Adafruit IO平台
2. 硬體配置
3. 程式設計
1. 設定Adafruit IO平台
透過Adafruit IO平台建立一個Group及四個Feed（如上圖），用來存放CO2濃度、CO2濃度燈號、PM2.5及PM2.5燈號；Group名稱為IAQ，Feed名稱依序為co2、co2_color、pm25及pm25_color（若對Adafruit IO設定還不熟悉或是從未用過該平台的朋友，可參考5步驟輕鬆上手Adafruit IO平台！）。
接下來需要為Adafruit IO平台建立一個Dashboard，目的是將CO2濃度、CO2濃度燈號、PM2.5及PM2.5燈號以圖形化方式呈現，Dashboard名稱為IAQ。
CO2及PM2.5數值顯示的圖形種類請選擇Line Chart（折線圖），並同時選擇co2及pm25的Feed（如上圖）。CO2濃度燈號及PM2.5燈號顯示的圖形種類請選擇Color Picker（顏色選擇器），並「個別」選擇co2_color及pm25_color的Feed（請分兩次個別設定，一次同時選擇會導致燈號顯示不正確唷）。
硬體配置
ESP32
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AM7020
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ZH03B
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MH-Z19B
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5v
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V
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VDD
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VDD
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GND
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G
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GND
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GND
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TX2
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R
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-
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-
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RX2
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T
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D4
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EN
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D5(sw uart rx)
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TX
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D18(sw uart rx)
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TX
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D19(sw uart tx)
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RX
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D23(sw uart tx)
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RX
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2. 程式架構說明
程式會使用到以下三個Library，請先去Github下載後，放到Arduino Library資料夾底下。
在讀取ZH03B及MH-Z19B上都使用SW UART；而ESP32只有兩組HW UART，第一組用來Debug，第二組用來與AM7020溝通，故剩餘的感測器要使用UART就必須採用SW UART的方式與其通信。在ESP32上使用SW UART需安裝EspSoftwareSerial Lib。
整體通訊上我們使用MQTT與Adafruit IO溝通，而實際實作通訊架構上我們分為兩層，由上到下分別為MQTT、TCP，每層架構獨自完成各自工作後再將結過傳送至下層，最終由AM7020發送到Adafruit IO。
重點程式碼說明
檔名：ESP32_IAQ.ino
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Line 23~28: 建立MQTT通訊架構（分層架構）
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Line 48~50: 建立兩組Software UART
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Line 64~65: 讀取Co2、PM2.5
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Line 88、112: 上傳CO2、PM2.5資料到Adafruit IO
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Line 90~99: 依照CO2濃度設定燈號（設定標準見下圖CO2指標）
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Line 114~123: 依照PM2.5設定燈號（設定標準見下圖PM2.5指標）
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Line 103、127: 上傳CO2濃度燈號、PM2.5燈號
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Line 140: AM7020 NBIOT 連線至基地台
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Line 159: MQTT Client 連線至Adafruit IO
檔名：config.h
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Line 36: 設定資料上傳頻率為4分半鐘（可依需求自行更改）
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Line 38~39: 設定Debug Serial、Baudrate
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Line 42~44: 設定AM7020 Serial、Baudrate、EN PIN
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Line 50~51: 設定NBIOT Apn、Band
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Line 54~55: 設定MQTT Broker、MQTT Port
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Line 57~58: 設定MQTT Username、Password（請務必修改為自己的Adafruit IO帳號及AIO Key）
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Line 60~63: 設定CO2、PM2.5、PM2.5燈號、CO2燈號的MQTT Topic（請確定與Adafruit IO上設定相同）
成品
完成以上步驟後，就可從Adafruit IO名稱為IAQ的Dashboard上查看CO2濃度及PM2.5數值折線圖，並且可透過右邊燈號顯示，直覺地了解當下空氣品質狀況，裝置每四分半鐘上傳一次數據。
一到下班時間、車流量增多，緊鄰交通要道的辦公室就能明顯偵測出PM2.5的增加，燈號也由中午的綠燈轉為黃色警示燈（連9樓的樓層高度都難以倖免地被影響，何況是走在人行道上的我們！）。雖然疫情使我們養成隨時配戴口罩的良好習慣，但在趨緩後也別忘了透過監測警示燈，提醒自己戴上口罩護肺吧！
小結
3小時即可輕鬆完成空品偵測器，隨時隨地透過雲端平台搭配指示燈號查看空氣品質，大家也可以自行參考政府提供的空氣品質濃度設定，在參數設定上調整成較嚴苛或較寬鬆的燈號判斷依據。
除了主動查看數據外，甚至可以連動進階事件：例如透過Line主動對使用者發送通知、連動門窗或空氣清淨機等達成自動開關效果，未來有機會再為大家介紹設定方法。
空品偵測器除了本篇文中將資料上傳至Adafruit IO平台外，大家也可以參考另篇Google試算表也能當資料庫？Arduino × App Script實作：空品偵測器！，透過Google App Script將資料儲存至Google試算表。在功能上雖大同小異，不過各有優缺點：Adafruit IO平台最大優勢便是良好的使用者體驗，我們能直覺式的依靠美觀燈號判斷當前空氣品質，惟資料保存上有一個月的時間限制，對於部分需長期保存資料的人相對來說較為不便；而Google試算表存成excel格式，除了應用上較為廣泛（如可使用加總、平均、算標準差等功能）外，更能存放大量資料，二維的資料欄位有助於存放複雜資料，一行就可存放多種感測器數值，在後續抓取資料分析時會更加容易且不易混淆。大家可依照需求參考對應的文章教學，實作自己的空品感測器。
