Airnode – Nút cảm biến giám sát chất lượng không khí

Airnode

A Professional-Grade, Edge-Intelligent Air Quality Monitoring Node

Giới thiệu nhanh

Ngay từ lúc thấy cảm biến không khí của Tom, mình đã muốn làm một cái. Trong quá trình làm, mình thấy thiết kế còn vài chỗ có thể cải thiện. Sau khi redesign lại toàn bộ PCB và firmware, thì đây là thành quả.

Phần lớn cảm biến DIY chỉ đẩy dữ liệu thô lên cloud rồi “cầu may”. Airnode được thiết kế theo kiểu sản phẩm IoT thương mại: nó gộp 9+ nhóm cảm biến thành một nền tảng “environmental intelligence” thời gian thực, có thể tính toán, hiệu chuẩn và hiển thị mọi thứ ngay trên thiết bị (on-device). Cụm cảm biến nằm trong buồng dẫn luồng khí kèm quạt, nhẹ nhàng hút không khí đi qua các sensor. Xây dựng trên PCB custom ESP32-S2 với GUI màu sẵn sàng cho sản xuất, dự án này thể hiện trọn bộ kỹ năng embedded end-to-end: analog signal conditioning, sensor fusion, statistical calibration, kiến trúc chịu lỗi (fault-tolerant), và thiết kế giao diện người–máy chỉn chu.

Điểm đặc biệt

Capability

Why It Matters

Autonomous Gas Calibration Engine

Cảm biến khí kiểu MOS sẽ bị drift theo thời gian. Airnode chạy một finite-state machine để phát hiện baseline không khí sạch bằng cách cross-reference CO₂, VOC, PM₂.₅ và HCHO, rồi kiểm tra độ ổn định bằng thống kê (CV < 5 %) trước khi tự động cập nhật các hằng số hiệu chuẩn.

Temperature & Humidity Compensation

Toàn bộ giá trị raw gas resistance được hiệu chỉnh theo tham chiếu T/RH hiện tại trước khi tính AQI, giúp tránh lệch theo mùa.

Multi-Modal AQI at the Edge

Thay vì đưa ra các điện áp thô khó hiểu, Airnode tính thang AQI kiểu EPA (0–500) cho ba nhóm khí, đồng thời hiển thị Composite AQI (lấy mức xấu nhất) để không bỏ sót nguy cơ.

Fault-Tolerant Architecture

Watchdog sức khỏe theo dõi độ hợp lệ của sensor theo chu kỳ 1 phút. Nếu các kênh quan trọng lỗi >5 phút, thiết bị sẽ tự reboot để khôi phục giao tiếp bus.

Five-Screen Color Dashboard

Màn IPS 240×320 phản hồi nhanh. UI thiên về thực dụng, có mã màu theo ngữ cảnh (xanh → đỏ), chỉnh độ sáng và điều hướng bằng nút cứng.

Production IoT Stack

Offline first. ESPHome native: captive portal, web server và tích hợp Home Assistant “cắm là chạy” nếu cần.

Cụm cảm biến (Sensor Payload)

Parameter

Sensor

Notes

PM₁ / PM₂.₅ / PM₄ / PM₁₀

Sensirion SEN55

Laser scattering + VOC & NOₓ indices

CO₂

Sensirion SCD40

Photoacoustic NDIR, self-calibrating

Formaldehyde

Sensirion SFA30

Phát hiện HCHO mức ppb

VOCs / Odor

Figaro TGS2602

MOS dải rộng cho hợp chất hữu cơ

Solvents / Ethanol

Figaro TGS2620

MOS nhạy với alcohol & hơi dung môi

Reducing Gases (CO, H₂, NH₃)

MiCS-5524

MOS detector cho nhóm khí khử

Temp / Humidity

Sensirion SH3X/SH4x

Tham chiếu cho thuật toán bù

Pressure

Bosch BMP280

Barometric

System Health

Fan tachometer

Giám sát RPM quạt PWM

Auto-Calibration Engine ( Deep Dive)

Bài toán khó nhất trong đo khí là baseline drift. Airnode giải quyết bằng một state machine viết bằng C++ lambda tùy biến:

1. Clean Air Gate — Mỗi phút, hệ thống kiểm tra rằng:

   • CO₂ < 450 ppm

   • VOC index < 120

   • PM₂.₅ < 5 µg/m³

   • HCHO < 30 ppb

2. Stability Analysis — Khi không khí sạch, các giá trị Rs được tích lũy. Sau 5+ phút, hệ số biến thiên (Coefficient of Variation — CV) được tính.

3. Guarded Update — Chỉ khi CV < 5 % thì baseline Ro mới được cập nhật bằng exponential moving average (70 % mới / 30 % cũ), đồng thời bị chặn trong giới hạn vật lý của sensor để tránh “runaway”.

4. Manual Override — Nhấn nút cứng sẽ ép chạy cùng pipeline kiểm định, hoặc reset bộ tích lũy để bắt đầu lại.

Màn hình & luồng UX

TFT ILI9341 2.4" hiển thị 5 màn hình theo ngữ cảnh:

• Screen 0: Overview — Lưới tổng quan nhanh: Temp, Humidity, Pressure, CO₂, VOC, HCHO, PM1/2.5/10 với ngưỡng màu realtime.

• Screen 1: Gas AQI Detail — Thanh Composite AQI, AQI từng sensor, PPM ước tính cho CO, VOC và Ethanol, cùng tỉ lệ Rs/Ro realtime.

• Screen 2: Calibration — Trạng thái state machine (warmup / clean-air countdown / last cal time), các hằng số Ro hiện tại và giá trị Rs realtime.

• Screen 3: Quick Guide — Hướng dẫn ngay trên thiết bị để đọc thang AQI và các khoảng “thoải mái”.

• Screen 4: System Status — WiFi SSID/IP/signal, phiên bản ESPHome, MAC, uptime, free heap và RPM quạt.

Điều khiển phần cứng

• Button 1 (Nhấn ngắn): Chuyển 6 mức PWM backlight (100 % → 12 %).

• Button 1 (Nhấn giữ): Bật/tắt backlight.

• Button 2: Chuyển qua 5 màn hình.

• Navigation Dots: Chấm chỉ thị ở đáy màn hình cho biết trang đang xem.

BOM / Hướng dẫn sẽ cập nhật sớm