Mảng Cảm Biến Khí Thải Máy In 3D (Sensorbox v2)

Lời cảnh báo

Dự án này hiện không còn được bảo trì, vì ESPHome liên tục giới thiệu các thay đổi đột phá mới với mỗi bản cập nhật hàng tháng, đòi hỏi phải liên tục làm lại, kiểm tra và gỡ lỗi. Đây đã là một vấn đề ngay từ bản cập nhật ESPHome đầu tiên ra mắt sau khi tôi phát hành các tệp gốc. Tôi xin lỗi vì hiện tại không thể dành đủ thời gian để theo kịp các thay đổi đang diễn ra; vì vậy, hiện tại, hãy lưu ý rằng các đoạn mã cấu hình yaml được cung cấp trên trang này rất có thể sẽ không biên dịch được với phiên bản ESPHome hiện tại. Tôi có thể tiếp tục dự án này khi tìm ra cách khắc phục thái độ "làm hỏng mọi thứ và đổ lỗi cho người dùng vì không đọc nhật ký thay đổi" của ESPHome, nhưng hiện tại, hãy xem dự án này như một nguồn cảm hứng cho những gì có thể làm thay vì là thứ bạn nên sao chép 1:1.

Giới thiệu

Sensorbox gốc đã nhận được sự quan tâm đáng kể từ những người muốn tự xây dựng, nhưng nó chưa bao giờ được thiết kế cho mục đích đó - cái này thì có! Sử dụng các thành phần rẻ hơn, bộ vi điều khiển hiện đại hơn và thiết kế tối giản cho các bộ phận có thể in, tôi cảm thấy Sensorbox v2 này là thứ mà tôi thực sự có thể giới thiệu và khuyên bạn nên xây dựng.

Đây là một dự án phụ thuộc vào Home Assistant và chạy khung ESPHome của họ, giúp dễ dàng hình dung dữ liệu thu thập được và tự động hóa các hành động dựa trên những gì bạn thấy, ví dụ: bật hệ thống thông gió hoặc bộ lọc không khí. Tuy nhiên, điều này cũng có nghĩa là bạn nên có Home Assistant đang chạy trên Pi hoặc trong máy ảo để sử dụng Sensorbox một cách chính xác - nhưng thử Home Assistant là điều tôi khuyên mọi người nên làm cho dù bạn có đang xây dựng Sensorbox hay không!

Tuy nhiên, cũng có sẵn firmware sẵn sàng để nạp cho cấu hình độc lập mà không cần Home Assistant (thêm thông tin bên dưới).

Phiên bản v2 này cũng sử dụng một vài cảm biến mới dễ kiếm hơn. Bạn có thể kết hợp các cảm biến dựa trên nhu cầu của mình, và với những cảm biến được hỗ trợ, bạn sẽ có thể bao phủ hầu hết các tình huống.

Nó cũng dựa trên một bảng mạch PCB lõi, chỉ tốn khoảng 5 đô la để làm 5 chiếc và vận chuyển. Điều này cho phép tôi xây dựng nó xung quanh ESP32-S2 Mini giá 2 đô la thay vì ESP32-WROVER lỗi giá 6 đô la, bổ sung tính linh hoạt cho việc sử dụng các cấu hình cảm biến và màn hình khác nhau và có lẽ tiết kiệm cho bạn thêm 2 đô la cáp jumper. Vì vậy, về cơ bản, PCB là miễn phí ;-)

Tôi thích những thứ rẻ tiền, vì vậy tất cả các thành phần đều có sẵn và rẻ tiền từ các nguồn như Aliexpress. Nhưng vì người bán thường xuyên thay đổi giá, các liên kết liên kết bên dưới chỉ dẫn đến các tìm kiếm. Chọn cái rẻ nhất trông giống như cái tôi đã sử dụng và đi kèm với vận chuyển "Choice" miễn phí. Một số bộ phận cũng có sẵn rẻ hơn trong phần "ưu đãi combo" riêng của họ.

Lựa chọn cảm biến

Có năm cảm biến lõi được đề xuất bao phủ hầu hết các khía cạnh, cộng với một lựa chọn các cảm biến được hỗ trợ làm lựa chọn thay thế - tất cả đều được bật trong các tệp cấu hình mẫu và chỉ cần cắm vào để bắt đầu cung cấp dữ liệu. Nhưng vì ESPHome hỗ trợ một lượng lớn các cảm biến tương thích khác có thể hữu ích, bảng mạch PCB chính có tất cả các chân vi điều khiển dự phòng được đưa ra, và bạn có thể kết nối bất cứ thứ gì bạn muốn miễn là bạn thêm các tùy chọn cấu hình phù hợp.

Nhiệt độ / Độ ẩm

Đề xuất

• AHT20 + BMP280 (rẻ, phổ biến, độ nhất quán tốt)

Hỗ trợ

• SHT41

Tương thích

• Bất kỳ cảm biến nhiệt độ / độ ẩm nào dựa trên I2C khác
• Cảm biến dựa trên DS18B20

CO2

Đề xuất

• SCD40 (nhỏ gọn, hiện đại, chính xác)

Tương thích

• MH-Z19 (miễn là bạn không sử dụng cả hai cổng nối tiếp bằng cách cắm ZE08 và PMS5003 cùng lúc)

Hạt

Đề xuất

• PMS5003 (khá phổ biến, đủ chính xác)

Tương thích

• PMS5003S (khó tìm, cảm biến formaldehyde tích hợp)
• PMS7003 (nhỏ gọn, nhưng yêu cầu bảng mạch PCB adapter bổ sung)
• SDS011 (chiếm toàn bộ bộ carrier nối tiếp, nhưng có thể cung cấp hiệu chuẩn tốt hơn)

VOC / Khí

Đề xuất

• SGP30 (báo cáo ppm, cũng như giá trị CO2 ước tính. Quan trọng - SGP30 là một bộ phận 1.8V trong khi PCB cung cấp 3.3V, vì vậy hãy đảm bảo bạn có phiên bản đi kèm với bộ điều chỉnh tích hợp, như được thấy trong video khoảng 5:39. Chúng thường đi kèm với các chân góc có thể uốn thẳng và cắt ngắn. Các mô-đun GY-SGP nhỏ hơn có bộ điều chỉnh cần thiết ở mặt sau và có thể cắm vào đầu nối SGP4x.
• ZE08-CH2O (cảm biến chuyên dụng formaldehyde) Quan trọng Bảng mạch PCB Sensorboard r1 trước đó đã cấp sai điện áp 3.3V cho chân cấp nguồn của ZE08 được dán nhãn "5V". ZE08 không được đánh giá để chạy ở 3.3V (nó vẫn có thể hoạt động tốt), nhưng bạn có thể khắc phục điều này bằng cách cấp nguồn cho nó từ một trong các chân 5V trên khối GPIO dự phòng (cột được dán nhãn "5"). Điều này đã được sửa trong PCB r1.1 hiện tại.

Hỗ trợ

• ENS160 + AHT20 (rẻ, nhưng báo cáo ppb VOC tuyệt đối khá không đáng tin cậy do tự động hiệu chỉnh, cũng báo cáo eCO2)
• SGP41 (cảm biến hiện đại, nhưng ESPHome không hỗ trợ thuật toán độc quyền để chuyển đổi chỉ số VOC thành ppm thực tế, vì vậy nó sẽ chỉ báo cáo một chỉ số tương đối từ 1 đến 500.)

Tương thích

• CCS811 (cảm biến cổ điển, tương thích chân với các bảng ENS160 + AHT20)
• BME688 của Adafruit (khá đắt, yêu cầu thuật toán BSEC2 độc quyền để hữu ích, được ESPHome hỗ trợ)
• MQ-7 CO (nhạy với carbon monoxide, yêu cầu sửa đổi, thường không cần thiết cho in 3D, có thể được cấu hình để sử dụng ví dụ: trên các chân trong đầu nối ZE-08 hoặc PMS)

Không tương thích / Không khuyến khích

• AGS10 (rẻ, đọc tốt, nhưng yêu cầu tần số I2C 15kHz mà ESP32-S2 không hỗ trợ với ESPHome)
• BME680 (đắt so với giá trị mang lại, cảm biến đã ngừng sản xuất với các bài đọc thường xuyên thất thường)

Các kết hợp được đề xuất

Đây là cách tôi sẽ trang bị cho Sensorbox để giám sát các tình huống khác nhau:

In sợi nhựa (Filament printing)

AHT20 + BMP280, PMS5003, SGP30

In nhựa Resin

AHT20 + BMP280, SGP30, ZE08-CH2O

Giám sát chất lượng không khí trong nhà

AHT20 + BMP280, SCD40, SGP30, PMS5003 (tùy chọn), MQ-7 nếu bạn có lò sưởi hoặc lò sưởi phụ thuộc vào không khí phòng

Những điều này sẽ cho bạn ý tưởng tốt về mức độ ô nhiễm không khí bạn đang đối mặt - trong trường hợp này, ít ô nhiễm hơn luôn tốt hơn.

Các bộ phận cần thiết khác

Bộ phận in (Printed parts)

Các bộ phận có thể in bằng bất kỳ vật liệu nào, bất kỳ màu nào, không cần vật liệu hỗ trợ.

Đối với bảng mạch PCB Sensorboard r1.1 mới nhất, hãy in:

• Vỏ (Shell) r3
• Bộ giữ nối tiếp (Serial Carrier) r3
• Bộ đệm LCD Trái & Phải (LCD Spacer Left & Right) r2

Đối với bảng mạch PCB Sensorboard r1 trước đó, hãy in:

• Vỏ (Shell) r3
• Bộ giữ nối tiếp (Serial Carrier) r2.1
• Bộ đệm LCD Trái & Phải (LCD Spacer Left & Right) r2

Bảng mạch PCB chính (Main PCB)

Sử dụng tệp .zip để đặt hàng. Tôi đã thêm phiên bản r1.1 để giải quyết một số vấn đề trở nên rõ ràng khi phiên bản r1 được lắp ráp ngoài thực tế. Các phiên bản tương thích chân, vì vậy chúng chạy cùng một firmware. Chúng sẽ vừa với vỏ in cùng một vỏ, nhưng phiên bản r1.1 sử dụng Bộ giữ nối tiếp in khác.

Điện tử / Cơ khí

• ESP32-S2 Mini: Kiểm tra xem nó có PSRAM ("phiên bản N4R2") không, bắt buộc để chạy màn hình. Tôi khuyên bạn nên cắt ngắn một trong các chân header và để chân "3V3" của ESP không được gắn.
• MP1584 bộ điều chỉnh 3.3V (cố gắng lấy phiên bản "3.3V cố định", nếu bạn lấy phiên bản "có thể điều chỉnh" có biến trở, bạn sẽ cần điều chỉnh nó trước khi lắp ráp)
• Màn hình 2.8" SPI TN, không có lớp cảm ứng, ILI9341 (mặc dù các loại tương thích chân khác có thể hoạt động với các thay đổi cấu hình tối thiểu)
• Nút bấm 4.3mm x 6mm x 6mm (4 chân, tùy chọn, nhưng sau đó bảng nút bấm đẹp ở trên sẽ không làm gì cả)
• Chân header đực / cái tiêu chuẩn
• Đầu nối uốn cong loại "Dupont" cho PMS5003 và ZE08 (hoặc hàn dây trực tiếp vào bảng mạch PCB)
• 4 chiếc vít đầu chụp M3x25 (hoặc tương tự)
• 4 chiếc vít đầu chìm M3x10 (hoặc tương tự, vít đầu chìm chỉ dành cho thẩm mỹ)
• Cáp USB để cấp nguồn
• 1 dây rút nhỏ

Bảng mạch PCB cũng cho phép cắm màn hình IPS 1.3" sắc nét, bảng điều khiển e-ink 2.13" hoặc chạy mà không cần màn hình. Các màn hình thay thế yêu cầu thay đổi cấu hình, nhưng việc bỏ qua màn hình sẽ hoạt động mà không cần thay đổi. Nếu có hứng thú, tôi có thể thiết kế lại vỏ để hỗ trợ các tùy chọn thay thế này!

Lắp ráp / Cài đặt

Đó là lý do tại sao video này tồn tại, vì vậy... hãy xem nó làm ơn? Phần cơ khí khá đơn giản, nhưng cấu hình ESP là một quá trình đòi hỏi một số bước nhảy nếu bạn chưa từng làm trước đây, vì vậy tôi đã cố gắng đề cập đến tất cả các chi tiết ở đó.

Hướng dẫn chính thức để cài đặt Home Assistant OS và ESPHome (như một tiện ích bổ sung bên trong Home Assistant)

Nếu bạn có bất kỳ vấn đề hoặc đề xuất nào, vui lòng để lại bình luận ở đây hoặc bên dưới video!

Phiên bản Firmware

Nếu bạn đang sử dụng Sensorbox với Home Assistant, tệp cấu hình STANDARD có thể được sử dụng trong trình biên dịch ESPHome.

Phiên bản STANDALONE đã tắt WiFi theo mặc định và sẽ không kết nối với Home Assistant. Để hoạt động, nó có cơ chế an toàn của ESPHome bị vô hiệu hóa, cơ chế này sẽ khởi động lại ESP sau một thời gian nếu nó không được kết nối với thiết lập Home Assistant. Nó vẫn có thể được nạp lại với một phiên bản mới (STANDALONE hoặc STANDARD) bất kỳ lúc nào bằng cách cắm sensorbox vào máy tính và sử dụng trình nạp web ESPHome. Hoặc, firmware mới cũng có thể được nạp không dây thông qua chế độ AP, có thể được bật hoặc tắt bằng cách giữ nút trên cùng trong ba giây.

Cập nhật

2024-11-20

• Đã thêm cấu hình ESPHome (bao gồm bố cục màn hình thích ứng mới)

2024-11-30

• Đã cập nhật mô tả với ghi chú sửa lỗi cho sơ đồ chân ZE08
• Đã tải lên các phiên bản r3 và r1 của vỏ .stl, cung cấp nhiều tùy chọn hơn cho khu vực viền màn hình
• Đã cập nhật cấu hình ESPHome, vì trình biên dịch ESPHome hiện tại đã thêm các kiểm tra nghiêm ngặt hơn và gặp lỗi với cấu hình ban đầu

2024-12-01

• Đã tạo và thêm các phiên bản firmware độc lập để sử dụng mà không cần Home Assistant

2024-12-10

• Đã thêm bảng mạch PCB Sensorboard r1.1 sửa lỗi mới:
  • Cấu hình ESPHome vẫn giống hệt như bảng mạch PCB r1
  • Cải thiện cách ly nhiệt cho cảm biến AHT20 và SHT40 - vị trí mới, tấm chắn nhiệt hai lớp, loại bỏ mặt phẳng đất xung quanh cảm biến, thêm khe hở bảng mạch PCB
  • Đã sửa chân 5V cho ZE08
  • Đã xóa đầu nối MQ7 do lựa chọn chân không phù hợp. Việc thay đổi chân sẽ làm hỏng khả năng tương thích phần mềm với r1. MQ7 sẽ xuất hiện trở lại với các bảng mạch PCB r2 sắp tới.
  • Tách nguồn cấp 3V3 giữa ESP32-S2 và phần còn lại của bảng mạch, thêm footprint tụ điện bổ sung cho ESP32 3V3
• Bảng mạch PCB r1.1 hiện chưa được kiểm tra (tôi đã đặt hàng bảng mạch PCB mới), nhưng vì nó chỉ chứa các bản sửa lỗi nhỏ và về mặt điện thì giống hệt, tôi không mong đợi bất kỳ sự suy giảm nào xuất hiện.
• Đã thêm Bộ giữ nối tiếp r3 để phù hợp với vị trí mới của ESP32-S2 và các vị trí cảm biến nhiệt độ đã thay đổi
• Cảm ơn mọi người đã tìm ra các vấn đề và đưa ra các đề xuất tuyệt vời!

2024-12-11

• Đã thêm bộ giữ nối tiếp r2.1 (cho Sensorboard r1) với lớp cách nhiệt mỏng hơn và vết cắt để tránh nhấn nút boot của ESP khi lắp ráp

Các cải tiến tiềm năng trong tương lai:

• Phiên bản PCB mới:
  • Tùy chọn cắm cho ESP32-C3 và ESP32-S3, vì các bảng S2-Mini có vẻ dao động lớn về độ tin cậy
  • Đầu nối JST 1.25 tùy chọn cắm và chạy cho ZE08 và PMS5003
  • Đầu nối Qwiic tùy chọn để mở rộng cảm biến dễ dàng hơn