設計無線供電接收模組代替電池，免去了電池的回收和爆炸風險，同時，環保且輕巧方便是本文的設計重點。
空氣罐設計即時偵測空氣有害微粒
近年來，台灣空氣污染日益嚴重，除了響應政府環保機關提倡的空氣汙染減量措施外，改善室內空氣品質更是當務之急，因為PM2.5的粒徑非常微小，透過呼吸可進入微血管隨血液循環全身，並在不同器官產生發炎反應，對人體產生系統性的影響。因此，本文計畫設計一款可攜式的空氣罐Air Tank，能夠淨化貼身空氣的品質。此應用案例可偵測空氣中PM2.5的濃度，提出警示並自動以三段式過濾空氣，達到淨化空氣的效果。
可攜式空氣罐運作原理
本文示例AIR TANK的功能主要分為五大區塊：無線供電模組、無線通訊系統、PM2.5演算、聲光警示及空氣清淨等(圖1)。 同時以盛群(Holtek)微控制器(MCU)HT32F52352 IC為主要核心運作。該MCU主要功能有：
1.系統啟動：程式初始化(Clock、藍牙、GPIO、TIMER、ADC、Int、UART)。
2.藍牙模組：UART下AT命令給藍牙模組進行配對、通訊及數據傳送。
3.PM2.5模組：TIMER驅動模組、ADC取樣、濃度取樣演算。
4.聲光警示：判別PM2.5濃度等級，由GPIO控制LED與BUZZER提醒使用者空氣品質狀態。
5.空氣清淨：判別PM2.5濃度等級改變風扇的PWM Duty Cycle，進而實現風速等級控制以達到省電效果。至於功能流程與演算將於下文介紹。
示例結構
本文示例以微控制器為核心，其周邊有無線供電盤供電、風扇PWM控制、蜂鳴器驅動、燈號顯示狀態、並控制外部模組：PM2.5模組(GPIO+ADC)、藍牙模組(UART)，如圖2所示，圖3則為PM2.5軟體控制流程。
PM2.5微粒濃度演算流程
演算流程以圖4呈現。在計算週期方面，設定MCU內BFTM每280μs計數一次，每336次一循環，每次約0.094秒。
在驅動模組部分，使用到紅外線粉塵感測器，而PM2.5模組驅動方式為：BFTM計數第301次到第303次模組內LED設為HIGH，其餘時間設為LOW。
至於ADC讀值，則設定GPTM1為PWM Output Mode(頻率為4M)，用來觸發ADC One Shot Mode。在BFTM計數第303次後，把GPIO(PA0)讀模組傳回來的VO值儲存在容量為20個整數的Buffer內，再把LED設為LOW。
PM2.5濃度演算公式
PM2.5濃度演算：α×β×(Vo[mV]–Vs[mV])。其中α=0.6、β=濕度係數(約等於1)、Vs=為初始狀態下PM2.5模組的VO值(200mV)，將演算完的20筆PM2.5濃度值取平均後的資料，作為AIR TANK偵測一次的數值(約1.88秒)。
而在PM2.5濃度的區分標準，可參考我國環保署規定空氣品質指標。
A.濃→濃度(μg/m3)>250。
B.中→250≧濃度(μg/m3)≧55。
C.淡→55>濃度(μg/m3)。
來到PM2.5濃度LED的顯示控制部分，LED提示功能輔助當在吵雜環境，聲音警示功能無法被察覺到。設定GPIO Output模式後，配合強、中、弱模式點亮LED顏色，作為判別PM2.5微粒濃度。
空氣清淨啟動模式控制
利用微控制器的GPIO(PB4)產生高低電位輸出PWM控制MOS開關達到風扇轉速控制並分成三個階段控制風扇。
A.強→95%工作週期。
B.中→75%工作週期。
C.弱→55%工作週期。
PM2.5濃度蜂鳴器警示控制
此部分主要協助使用者除了燈光顯示外，也能透過聲音來了解目前空氣清淨機的運作強弱。
藍牙模組數據傳輸
微控制器透過UART與HC-05藍牙模組將PM2.5濃度值傳送至手機並於安卓(Android)App顯示，AIR TANK數據設定傳輸的Baud Rate為每秒9,600位元，每筆資料大小為1×6的陣列，STX以及ETX作為手機接收。
Byte 1(高位元)、Byte 2(低位元)為濃度資料；Byte 3(高位元)、Byte 4(低位元)為電壓資料。手機僅顯示濃度資料以達觀察之目的，電壓則作為起初程式除錯(Debug)之用途。
在本文示例中，使用的無線供電接收模組，輸入規格為：5V/1A。可從表1參考GPIO的配置設定，以及圖5可獲知AIR TANK運作流程圖。在機構中，各元件相對位置如圖6所示。空氣由波浪型淺灰色箭頭方向進入PM2.5模組內進行偵測、深灰色箭頭方向吸入濾網進行淨化。
訊號測量方法
圖7是驗證量測流程。有關PM2.5 ADC的輸出量測，可參考圖8，其為驅動PM2.5模組的量測示波圖。
A線：BFTM→半個週期280μs。
B線：PM2.5內LED訊號。
C線：PM2.5 VO值。
D線：SAMPLE(Catch ADC Value)。
在風扇轉速控制訊號的測量上，若風扇轉速弱時，處於55%工作週期；風扇轉速中時，處於75%工作週期；風扇轉速強時，處於95%工作週期。
至於PM2.5濃度的數值比對，將手機顯示的PM2.5濃度值與盛群PM2.5雷射粉塵感測器數值進行比對(於密閉空間內進行測量)，多次測試後誤差範圍約為1%。
此外，在功能運作消耗電流的測量上，則分別量測本示例的LED、風扇、蜂鳴器、PM2.5模組及主板。表2為電流消耗的詳細數據，表3則呈現應用案例的測試項目及結果。
(本文作者古聖如為大同大學教授，王子元/杜昱賢/賴彥廷/李政鴻為大同大學學生)
