硬體開發之旅：打造 pikoAQI 原型

緣起

我一直很想做個硬體專案，但本身卻完全沒有硬體或電子相關的技術背景。所以我決定邊做邊學，反正我知道 AI 肯定能幫上忙。

這個專案是做一款穿戴式/可攜式的空氣品質感測器。我會選這個題目是因為我自己剛好需要，而且難度也剛剛好：不用自己研發感測器，因為市面上已經有現成的了；但也不會太簡單，畢竟要把好幾個功能塞進小巧的體積裡，還要兼顧低功耗。

採購原型零件

一開始，我向 Claude（我的 AI 助手）說明了我的專案構想，它幫我一起腦力激盪，還挑選了合適的電子零件。

以下是我在電子零件行下的第一筆訂單：

為什麼選這些零件？

• ESP32：入門級但功能強大的微控制器，內建 WiFi/藍牙，體積小巧，而且處理能力足以應付正式產品的需求。
• 電子紙螢幕：功耗極低，只有在更新畫面時才需要耗電，斷電後畫面也不會消失。
• GPS 模組：提供基本的 GPS 定位功能。
• 空氣品質感測器 (SDS011)：用來偵測空氣中的懸浮微粒（PM2.5、PM10）。
• BME280/BME680 感測器：測量溫度、氣壓、濕度，以及揮發性有機化合物 (VOC)。

搞定電子紙螢幕

我第一個測試的零件就是電子紙螢幕。但我買的這塊螢幕完全沒有技術文件，只有一個 Arduino 的範例程式碼。我把範例丟給 Cursor 當作參考背景，結果它還真的讓螢幕在我的程式碼裡順利運作了。

這塊螢幕是透過 SPI 介面通訊的。ESP32 開發板照理說有內建 SPI 實作，但我就是無法讓它跟螢幕連線，所以最後我還是沿用了文件範例裡自訂的 SPI 實作方式。

電子紙最大的致命傷就是更新率：它的反應非常慢，整個畫面完全更新一次甚至要花上 2 秒鐘。

螢幕有兩種模式：「局部更新」和「全畫面更新」。局部更新因為不用重刷整個螢幕，所以速度快多了。我利用這點做了一個「快速」更新模式：

1. 用局部更新刷出一個全白畫面，清除掉目前的影像。
2. 再次用局部更新畫上新的影像。

這種做法偶爾會出現殘影，所以這個快速模式只適用於殘影不影響閱讀的情況。

實測數據：

• 全畫面更新：2 秒
• 「快速」更新：1.1 秒

學到了什麼

• 顯示影像有不同的模式（局部更新 / 全畫面更新）。
• 電子紙螢幕渲染畫面的速度真的很慢。
• 這塊螢幕雖然堪用，但我應該找得到更便宜、反應更快的替代品。
• 我還是得搞清楚為什麼原生的 SPI 跟它不相容。

搞定 GPS

處理 GPS 就輕鬆多了。Claude 知道該怎麼接線，而且文件也直接指向 TinyGPS++ 這個函式庫。

GPS 晶片上的實體 LED 指示燈（POWER 和 PPS）在除錯時也幫了大忙。我第一次測試時 GPS 供電異常（接線出了點問題）。

一開始我一直納悶為什麼抓不到定位資料，後來才知道原來 GPS 需要先同步，而且第一次啟動（冷開機）要花很長的時間（超過 5 分鐘）。我等的時間甚至更久，可能是因為我房間訊號太弱了。

只要 GPS 成功定位，PPS 指示燈就會精準地每秒閃爍一次。這真是個簡單又直覺的設計，讓我馬上明白抓不到定位不是程式碼寫錯，而是 GPS 還在努力同步中。

我買的這塊 GPS 支援 10Hz（一般的 GPS 模組通常是 1Hz），本來是設計給空拍機用的。我根本用不到那麼高的效能。我真正需要的是精準度（即使在室內也能用），還有更親民的價格。下一個原型我會改買更適合的款式。

學到了什麼

• GPS 同步很花時間：冷開機要幾分鐘，暖開機也要 30 秒以上。
• 我不需要 1 到 10Hz 的 GPS，畢竟我又不是在造飛機或高速移動的設備。
• 我需要一個在室內收訊更好的 GPS。
• 我得找找有沒有更便宜但訊號更強的替代方案。

搞定 BME680（空氣感測器）

這顆感測器真的快把我搞瘋了，連線一直出問題。就算是拿範例給 Cursor 看，它也寫不出能用的程式碼。幸好 Adafruit 針對這顆感測器寫了專用的函式庫，我就直接拿來用了。他們家真的出了超多不同感測器的函式庫，非常實用。

這個 VOC 感測器 需要經過校正，而且剛開始數值會一直飄，大概要連續用個 48 小時之後數值才會穩定下來。這在實務上很難做進產品裡，因為一般消費者根本無法輕鬆完成校正。看來我得搭配其他感測器來交叉比對數據才行了。

學到了什麼

• VOC 感測器需要校正。我還沒想到要怎麼幫終端使用者解決這個問題；也許我只會拿它來監控數值的變化趨勢就好。

電池

我研究了一下鋰聚合物 (LiPo) 和鋰離子 (Li-Ion) 電池。LiPo 的外型好用多了，像是筆電、手機這些對體積和重量斤斤計較的穿戴式設備都是用這種。

但問題來了，大多數的 LiPo 電池輸出電壓是 3.7V，但我用的 ESP32 開發板需要 5V。我當然可以升壓，但這會讓電路變複雜，而且也會耗損電力。

電池其實也有潛在危險：它們對外力破壞非常敏感，如果 LiPo 電池被刺破、過熱或過度放電，甚至可能會起火。

所以現階段，我決定先乖乖用一般的行動電源接 USB-C 線就好。

學到了什麼

• 大多數小型的 LiPo 電池輸出都是 3.7V。
• 處理電池時，安全規範和守則絕對不能馬虎。

軟體實作

我最近都在處理軟體端和資料同步的問題。

我的目標是讓 ESP32 扮演低功耗藍牙 (BLE) 伺服器的角色，然後用我的電腦當客戶端來接收資料。

剛開始我連程式碼都燒不進微控制器，因為檔案太大了。爬文之後才發現，預設的 BLE 函式庫根本就是個龐然大物，居然吃掉了 75% 的可用快閃記憶體。後來我改用 NimBLE，檔案大小瞬間少了一半左右，代價是它只支援 BLE，不支援傳統藍牙。這對我來說根本沒差，反正我也沒打算用傳統藍牙。

接下來我還會繼續改良 pikoAQI 穿戴式感測器，敬請期待更多更新！