智慧家庭：PM2.5 空氣感測器（感測器篇） - vMaker 台灣自造者

採用鐳射散射原理：當鐳射照射到通過檢測位置的顆粒物時會產生微弱的光散射，在特定方向上的光散射波形與顆粒直徑有關，通過不同粒徑的波形分類統計及換算 ... 110年百萬創客擂台競賽創客精神國內消息Maker新知勞動部勞動力發展署［北基宜花金馬分署］物聯網創客基地［桃竹苗分署］衣啟飛翔創客基地［中彰投分署］TCN創客基地［雲嘉南分署］南方創客基地［高屏澎東分署］創客小棧［高屏澎東分署］澎湖創客基地教育部FABTRUKC3D列印校園巡迴推廣自造卡車巡迴地圖國際消息自造專訪專題創客時代：自造台灣的未來前進校園！研發發聲器、親手做玩具這些創客們為孩童做的事從啟蒙到行動政府整合軟硬體資源，助臺灣創客站上產業創新的浪尖洪堯泰X黃宸謙對談創客與創客推手應「魚幫水、水幫魚」，共同活絡創客生態系歐敏銓創辦「MakerPRO」媒體社群平台　推動Maker社群新經濟從美國車庫到亞洲「自造者空間」創客翻轉傳統製造業，動手改變社會課本上沒教的事，都在她的創客教室　顏椀君不教創客技能，而是讓師生一同冒險、闖出無限可能性前華碩工程師創「微光計畫」讓科技成為指引視障者的燈塔「空氣盒子」匯聚公民、企業與政府之力打造全球最密集的微型空氣品質監測網打破運動輪椅的高價門檻——TooWheels開源計畫讓身障者就地取材，DIY媲美專業性能的運動輪椅環保生活自己造【Maker動手做】懶人救星—遠端監控的自動盆栽電子元件BANG不見：可分解元件和你一起環保愛地球！跟自然學環保，把果皮變成包裝袋！3D食物環保計畫，好吃好玩又好看！Maker用咖啡渣做咖啡杯，香味加倍還能減少浪費最完整塑膠回收指南，跟環保創客一起將廢塑改頭換面！廢紙大改造，環保蔡倫就是你！外帶珍奶怎麼裝？用葫蘆當杯子吧！12歲創客打造微塑膠檢測機，用行動表達對海洋的愛2018MakerFaireTaipei2018台中創客嘉年華2018AI桃園新創嘉年華物聯網創客基地專訪南方創客基地專訪法國Fab14系列報導Maker×生醫科技X醫護－智慧醫療旋風席捲全台骨科界的福音「超彈性骨」來了！3D印「仿生眼」來了！重見天日還會遠嗎？全台首座3D示範場域，南科「印」出創新醫材導入3D列印在肋骨骨折手術，降低手術風險生醫與maker手牽手，3D技術導入提高治療成功率3D列印懶人包人工智慧專題【人臉辨識專題】人臉辨識技術發展剖析科技X醫護－智慧醫療旋風席捲全台【人工智慧】地震來了！真的假的？讓人工智慧ConvNetQuake幫忙偵測地震吧！【人工智慧】當人工智慧現世，人類會面臨到哪些問題呢？【人工智慧】結合機械手臂與AI，讓機械手臂能識別物體、自動卸貨法國土魯斯FabLabFestival2017FabLabFestival2017，歐洲產業巨頭取經maker精神歐洲最大FablabFestival2017在法國土魯斯，4大創新FAB14在法國，專訪主辦單位ArtilectFabLab創辦人NicolasLassabe美國創新中心AIC在AIC努力找創新 你的認真會被世界看到身處松菸的靈感光點——美國創新中心高師大自造者基地FabLab-NKNU–高師大自造者基地FabLab-NKNU，從培育maker師資角度，設計出一個適合培訓、延展的體系。

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如下表所示，懸浮微粒粒徑大小有別，小於或等於2.5微米（μm）的粒子，就稱為PM2.5，通稱細懸浮微粒，單位以微克／立方公尺（μg/m3）表示之，它的直徑還不到人的頭髮絲粗細的1/28，非常微細可穿透肺部氣泡，並直接進入血管中隨著血液循環全身，故對人體及生態所造成之影響是不容忽視的。

（表1）懸浮微粒粒徑說明一覽表 粒徑(μm) 粒徑大小說明 <100 稱總懸浮微粒(TSP)，約為海灘沙粒，可懸浮於空氣中。

<10 稱懸浮微粒(PM10)，約為沙子直徑的1/10，容易通過鼻腔之鼻毛與彎道到達喉嚨 2.5~10 稱粗懸浮微粒(PM2.5-10)，約頭髮直徑的1/8~1/20大小，可以被吸入並附著於人體的呼吸系統 <2.5 稱細懸浮微粒(PM2.5)，約頭髮直徑的1/28，可穿透肺部氣泡，直接進入血管中隨著血液循環全身。

資料來源：http://air.epa.gov.tw/Public/suspended_particles.aspx 簡介懸浮微粒生成與來源 懸浮微粒PM2.5來源可分為原生性及衍生性，皆可能由自然界或人為產生。

如下表所示，原生性細懸浮微粒係指被排放到大氣時即為懸浮微粒PM2.5的粒狀物，該成分主要乃由物理破碎或一次污染排放所產生，原生性氣膠主要的化學組成份與來源分別為海鹽飛沫、裸露地表經由風力作用所揚起的灰塵微粒，鍋爐及機動車輛之燃燒排放，而衍生性細懸浮微粒則係指被釋出之非懸浮微粒PM2.5之化學物質(稱為前驅物，可能為固體、液體或氣體)，在大氣環境中經過一連串極其複雜的化學變化與光化反應後成為懸浮微粒PM2.5的微粒，主要為硫酸鹽、硝酸鹽及銨鹽。

（表2）懸浮微粒PM2.5生成與來源一覽表 依 來 源 區 分 自然界產出 火山爆發、地殼岩石等 人類行為產出 石化燃料及工業排放、移動源廢氣等燃燒行為。

依 性 質 區 分 原生性PM2.5 直接從自然與人為活動所排放，在大氣環境中未經化學反應的微粒－如天然的海鹽飛沫、營建工地粉塵、車行揚塵及工廠直接排放。

衍生性PM2.5 自然與人為活動排放到大氣環境中的化學物質經過太陽光照或其他化學反應後生成－如燃煤、燃油及燃氣電廠、煉鋼廠、石化相關產業工廠、機動車輛、船舶、建物塗料、農業施肥、禽畜排泄及生活污水等。

資料來源：http://air.epa.gov.tw/Public/suspended_particles.aspx 標準衡量方法 我們參考行政院環境保護署環境檢驗所，在空氣中懸浮微粒（PM2.5）檢測方法－手動採樣法所階露的資料中提到的方法：以定流量抽引空氣進入特定形狀之採樣器進氣口，經慣性微粒分徑器，將氣動粒徑小於或等於2.5微米（μm）之細懸浮微粒（PM2.5）收集於濾紙上。

而此濾紙於採樣前、後均於特定溫度與濕度環境中調理後秤重，以決定所收集之PM2.5微粒之淨重，再除以24小時之採樣總體積即得微粒24小時之質量濃度。

其方法適用溫度–30至45℃，相對溼度0至100%，大氣壓力600至800mmHg之環境空氣中氣動粒徑小於或等於2.5微米（μm）細懸浮微粒（PM2.5）24小時之質量濃度值測定。

由於其採樣器組成：包括進氣口、空氣導管、微粒分徑器、濾紙匣、空氣採樣馬達、流率控制系統、流率量測裝置、環境和濾紙溫度監測系統、大氣壓力量測系統、計時器、戶外環境用外殼、適當的機械、電氣或電子控制能力方法，上述這些都需要精密的儀器與操作程序，並且操作人員需要受過相當時數的訓練與相關領域的技術能力，所以無法適用於一般民眾。

簡易的電子式感測衡量方法 目前有許多空氣粒子感測模組，如SHARPGP2Y1010AU0FPM2.5空氣品質感測器（如下圖.(a)所示）、DSM501A灰塵感測器（如下圖.(b)所示）、PMS3003G3PM2.5粉塵感測器（如下圖.(c)所示）、PMS5005PM1.0PM2.5PM10G5濃度及顆粒數感測器（如下圖.(d)所示）、夏普原裝DN7C3CA006第3代PM2.5感測器（如下圖.(e)所示）、益杉科技的CP-15-A4灰塵感測器（如下圖.(f)所示）等等。

由於方便研究所致，本書採用PMS3003G3PM2.5粉塵感測器為空氣粒子感測裝置的核心元件。

（圖1）市面常見的粉塵感測器 PMS3003G3PM2.5粉塵感測器 本文採用PMS3003G3PM2.5粉塵感測器為空氣粒子感測裝置的核心元件；如下圖所示，PMS3003使用鐳射散射原理，能夠得到空氣中0.3～10微米懸浮顆粒物濃度，數據穩定可靠；內置風扇，數位化輸出，可以獨立模組運作，不需要依靠其他元件，只需要獨立電源即可獨立運作，收集的資料採用串列埠輸出。

（圖2）PMS3003G3PM2.5粉塵感測器工作原理圖 本文採用PMS3003G3PM2.5粉塵感測器為空氣粒子感測裝置的核心元件。

如下圖所示，PMS3003粉塵感測器使用鐳射散射原理，使用風扇將空氣吸入通道之中，在使用鐳射光射擊該通道內的空氣，透過雷射接收器感測雷射光，由於空氣中的粒子會導致鐳射光散射，而減弱訊號，所以只要透過雷射接收器感測雷射光的訊號，透過放大電路來偵測更細微的粒子，就能夠得到空氣中0.3～10微米懸浮顆粒物濃度，並內置微處理機處理該訊號，所以收集到的數據穩定可靠；並透過內置微處理機將收集到的資料使用數位化輸出，收集的資料採用串列埠輸出，不需要依靠其他元件，只需要獨立電源即可獨立運作，是一個相當穩定、方便與好用的粉塵感測器。

（圖3）PMS3003G3PM2.5粉塵感測器工作原理圖。

資料出處：https://www.dfrobot.com/wiki/index.php?title=PM2.5_laser_dust_sensor_SKU:SEN0177 如所示，PMS3003粉塵感測器特點如下： 數據準確：鐳射檢測，穩定、一致性好 回應速度快速：使用環境變更時回應時間小於10秒 獨立運作：使用標準的通訊埠輸出量測資料 不須外加元件：自備風扇，不須外加。

分析能力高：分辨顆粒最小直徑達0.3微米 適用範圍： PM1.0、PM2.5、PM10檢測儀、淨化器 工作原理： 採用鐳射散射原理：當鐳射照射到通過檢測位置的顆粒物時會產生微弱的光散射，在特定方向上的光散射波形與顆粒直徑有關，通過不同粒徑的波形分類統計及換算公式可以得到不同粒徑的實時顆粒物的數量濃度，按照標定方法得到跟公信單位統一的質量濃度。

技術參考： 測量直徑：0.3-1.0um1.0-2.5um2.5-10um 測量單位：ug/m3 測量精度：ug/m3 回應時間：小於10s 工作電流：工作狀態為5V200ma(毫安培)，待機狀態為5V2ma(毫安培) 數據介面：通訊埠(串口)（3.3VTTL電位） 體積：65x42x23mm 工作溫度範圍::-20〜50℃ 工作濕度範圍：0〜99％RH 最大尺寸：65×42×23（毫米） 供電品質需求如下： 電壓紋波：小於100mV的。

電源電壓穩定度：4.95〜5.05V。

電源：大於1W（5V200ma(毫安培)）。

上電和下電電壓浪湧是系統電源電壓的小於50％。

PMS3003粉塵感測器連接方式如所示，PMS3003粉塵感測器接腳如下： （圖4）PMS3003G3PM2.5粉塵感測器接腳圖。

資料出處：https://www.dfrobot.com/wiki/index.php?title=PM2.5_laser_dust_sensor_SKU:SEN0177 基本使用方法 如下圖所示，為連接PMS3003G3PM2.5粉塵感測器的標準接法，基本上PMS3003G3PM2.5粉塵感測器透過串列埠與任何單晶片、微處理機相互連接，基本上可以使用硬體的串列埠連接，也可以使用GPIO的軟體模擬串列埠連接，不過標準的PMS3003G3PM2.5 粉塵感測器使用9600bps的傳輸速率，請讀者注意傳輸速率的設定。

（圖5）PMS3003G3PM2.5粉塵感測器電路連接示意圖。

資料出處：https://www.dfrobot.com/wiki/index.php?title=PM2.5_laser_dust_sensor_SKU:SEN0177 如下表所示，為基本上使用Arduino開發版，透過SketchIDE開發程式將下列程式鍵入，編譯完成後，上傳到Arduino開發版，我們就可以開始測試PMS3003G3PM2.5粉塵感測器。

  （表3）PMS3003G3PM2.5粉塵感測器測試程式   表3PMS3003G3PM2.5粉塵感測器測試程式 /******************************   *Copyright(c)2015,DFRobot *Allrightsreserved * *FileName:PM2_5SensorDemo.ino *Fileid: *Abstract :ReadvalueofPM1,PM2.5andPM10ofairquality * *Version：V1.0 *Author：Joyce *Time：2015.2.22 ******************************/   #include“Arduino.h” #include“serialReadPMValue.h”   uint16_tPM01Value=0;         //definePM1.0valueoftheairdetectormodule uint16_tPM2_5Value=0;        //definePM2.5valueoftheairdetectormodule uint16_tPM10Value=0;        //definePM10valueoftheairdetectormodule   #definereceiveDatIndex32 uint8_treceiveDat[receiveDatIndex];//receivedatafromtheairdetectormodule     voidsetup(){ Serial.begin(9600);  //settheserial1’sBaudrateoftheairdetectormodule }   voidloop(){ intlength=serialRead(Serial,receiveDat,receiveDatIndex,5); intcheckSum=checkValue(receiveDat,receiveDatIndex);   if(length&&checkSum) { PM01Value=transmitPM01(receiveDat);//countPM1.0valueoftheairdetectormodule PM2_5Value=transmitPM2_5(receiveDat);//countPM2.5valueoftheairdetectormodule PM10Value=transmitPM10(receiveDat);//countPM10valueoftheairdetectormodule } staticunsignedlongOledTimer=millis();      //every0.5supdatethetemperatureandhumidityfromDHT11sensor if(millis()–OledTimer>=1000)    { OledTimer=millis();   Serial.print(“PM1.0:“); //sendPM1.0datatobluetooth Serial.print(PM01Value); Serial.println(” ug/m3″);   Serial.print(“PM2.5:“); //sendPM1.0datatobluetooth Serial.print(PM2_5Value); Serial.println(” ug/m3″);   Serial.print(“PM10: “); //sendPM1.0datatobluetooth Serial.print(PM10Value); Serial.println(” ug/m3″); } } 資料出處：https://www.dfrobot.com/wiki/index.php?title=PM2.5_laser_dust_sensor_SKU:SEN0177 資料下載：https://github.com/brucetsao/makerdiwo/tree/master/201602 如下圖所示，為連接PMS3003G3PM2.5粉塵感測器，讀取到的畫面。

（圖6）PMS3003G3PM2.5粉塵感測器測試結果圖。

資料出處：https://www.dfrobot.com/wiki/index.php?title=PM2.5_laser_dust_sensor_SKU:SEN0177 通訊資料格式 如下表所示，為PMS3003G3PM2.5粉塵感測器透過串列埠，定時會回傳給單晶片或其他處理器的資料之通訊格式。

（表4）PMS3003G3PM2.5粉塵感測器通訊資料格式 Serialportbaudrate:9600;Parity:None;StopBits:1;packetlengthisfixedat32bytes. StartCharacter1 0x42(fixedbit) StartCharacter2 0x4d(fixedbit) FrameLength16-byte FrameLength=2*9+2(data+checkbit) Data1,16-byte concentrationofPM1.0,ug/m3 Data2,16-byte concentrationofPM2.5,ug/m3 Data3,16-byte concentrationofPM10.0,ug/m3 Data4,16-byte Internaltestdata Data5,16-byte Internaltestdata Data6,16-byte Internaltestdata Data7,16-byte thenumberofparticulateofdiameterabove0.3umin0.1litersofair Data8,16-byte thenumberofparticulateofdiameterabove0.5umin0.1litersofair Data9,16-byte thenumberofparticulateofdiameterabove1.0umin0.1litersofair Data10,16-byte thenumberofparticulateofdiameterabove2.5umin0.1litersofair Data11,16-byte thenumberofparticulateofdiameterabove5.0umin0.1litersofair Data12,16-byte thenumberofparticulateofdiameterabove10.0umin0.1litersofair Data13,16-byte Internaltestdata CheckBitforDataSum,16-byte CheckBit=StartCharacter1+StartCharacter2+…alldata 資料來源：https://www.dfrobot.com/wiki/index.php?title=PM2.5_laser_dust_sensor_SKU:SEN017 本文為『PM2.5空氣感測器』系列第一篇：感測器篇，主要介紹之Arduino開發板如何透過粉塵感測器來偵測搜尋空氣中懸浮微粒的濃度，了解如何連接，讀取粉塵感測器的資料，本系列主要是以哈爸開啟的【開源公益專案】LASS環境感測網路系統（一般稱LocationAwareSensorSystem：LASS），為『PM2.5空氣感測器』系列的核心思想，將目前物聯網（InternetofThing：IOT）最熱門的主題，PM2.5空氣粒子感測技術，透過粒子感測器的讀取、LCD顯示幕顯示機器狀態等，進行產品開發，進而透過網際網路來監控『PM2.5空氣粒子的濃度』的行為，達到物聯網的概念的系列專欄。

參考文獻： 曹永忠,許智誠,&蔡英德.(2015a).Ameba空气粒子感测装置设计与开发(MQTT篇):UsingAmebatoDevelopaPM2.5MonitoringDevicetoMQTT(初版ed.).台湾、彰化:渥瑪數位有限公司. 曹永忠,許智誠,&蔡英德.(2015b).Ameba空氣粒子感測裝置設計與開發(MQTT篇)):UsingAmebatoDevelopaPM2.5MonitoringDevicetoMQTT(初版ed.).台湾、彰化:渥瑪數位有限公司. 分享到社群 曹永忠曹永忠(Yung-ChungTsao)，目前為自由作家暨專業Maker，專研於軟體工程、軟體開發與設計、物件導向程式設計，商品攝影及人像攝影。

長期投入創客運動、資訊系統設計與開發、企業應用系統開發、軟體工程、新產品開發管理、商品及人像攝影等領域，並持續發表作品及相關專業著作。

Email:[email protected] LineID：dr.brucetsao 作者網站：https://www.cs.pu.edu.tw/~yctsao/ 臉書社群(Arduino.Taiwan)：https://www.facebook.com/groups/Arduino.Taiwan/ Github網站：https://github.com/brucetsao/ Youtube：https://www.youtube.com/channel/UCcYG2yY_u0m1aotcA4hrRgQ PreviousPost 【活動花絮】創客列車巡迴服務-嶺東科技大學 NextPost 廁紙總是成為成功如廁的絆腳石？自動給紙機讓你紙來伸手 RelatedPosts Maker資源 11/6–11/13活動預報 vMaker編輯部 2075 0 TCN創客基地 QuickBLE智慧居家控制 TCNMakerBase 1323 0 國內消息 密不可分的電與磁＋簡單自製喇叭——... vMaker編輯部 17761 0 FACEBOOK粉絲頁 熱門文章 【科技向善專題】以實際社會價值為目... vMaker編輯部 505 澎創播下愛的手作種子，在西嶼曬書學... 澎湖創客基地 357 【自造筆記材料篇】聖誕節必備:各式... 林允涵 305 讓原力保護您的鑰匙——自造星際大戰... 江宗諭 301 閱讀更多 最新活動 【vMaker】創客創業加速器媒合... vMaker編輯部 153 【物聯網創客基地】線上主題講座工... 北分署物聯網創客基地 45 【臺中創客基地】創客技能工作坊-輔... TCNmakerspace 36 【臺中創客基地】創客技能工作坊-輔... TCNmakerspace 26 閱讀更多