進(jìn)口空氣凈化器拆解——不止于表象，硬件方案另有乾坤

目前，汽車(chē)已成為大眾出行的主力交通工具之一。但是城市擁堵造成的汽車(chē)尾氣排放，環(huán)境惡劣引起的霧霾等氣候污染已嚴(yán)重威脅到車(chē)內(nèi)人員的健康，如何改善汽車(chē)小空間內(nèi)空氣質(zhì)量問(wèn)題呢？答案是車(chē)載空氣凈化器！

相比普通家用空氣凈化器，車(chē)載空氣凈化器又有什么不同呢？本文通過(guò)拆解一個(gè)國(guó)外的智能車(chē)載空氣凈化器產(chǎn)品iAir-pro來(lái)一探究竟，必須要說(shuō)，這個(gè)車(chē)載空氣凈化器并不便宜，售價(jià)高達(dá)179美金，這個(gè)價(jià)格可以在國(guó)內(nèi)買(mǎi)到像小米PRO系列的家用空氣凈化器。所以是不是很好奇它到底采用的是什么硬件方案？是不是只是采用性?xún)r(jià)比比較高的國(guó)產(chǎn)芯硬件方案換個(gè)馬甲的舶來(lái)品？還是本身硬件方案另有乾坤呢？

外觀

空氣凈化器主體采用硬塑料材質(zhì)，表面很光滑，整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)頗有藝術(shù)感，靠近底部一側(cè)有柵極開(kāi)孔的進(jìn)風(fēng)口，進(jìn)風(fēng)口旁邊設(shè)計(jì)了可以更換濾網(wǎng)的抽槽，機(jī)身帶有一個(gè)供電接口，一個(gè)電源開(kāi)關(guān)。頂部是空氣凈化器的出風(fēng)口，中間有裝飾燈帶以及相應(yīng)的指示燈。

空氣凈化器有低中高三個(gè)檔位以及智能檔位這4種模式，這4種工作模式可以直接通過(guò)機(jī)械按鍵來(lái)切換。此外，這個(gè)車(chē)載空氣凈化器還有一個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的狀態(tài)指示燈，之所以能號(hào)稱(chēng)智能，大概率機(jī)身搭載了眾多可以監(jiān)測(cè)環(huán)境的傳感器，而其中最關(guān)鍵的傳感器之一莫過(guò)于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)傳感器，這個(gè)傳感器的快速、精準(zhǔn)檢測(cè)直接影響了這個(gè)空氣凈化器的功效、這個(gè)產(chǎn)品的品質(zhì)和口碑，這么核心、占據(jù)C位的傳感器到底采用的是什么方案呢？我們通過(guò)拆解來(lái)一探究竟。

拆解

具體拆解過(guò)程可以查看視頻，來(lái)看下拆解后的整個(gè)電路方案。主要分為4個(gè)部分：離心風(fēng)機(jī)，濾網(wǎng)，主控制板，傳感器部分。

離心風(fēng)機(jī)

離心風(fēng)機(jī)的型號(hào)為COOLCOX BF9733H12D，12V DC供電，0.56A的電流，功率在6.7W左右。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)外殼的柵極進(jìn)風(fēng)口將空氣吸入，然后經(jīng)過(guò)濾網(wǎng)，過(guò)濾顆粒物，灰塵，甚至氣味。

濾網(wǎng)

濾網(wǎng)是空氣凈化器的核心，但是不涉及電路。濾網(wǎng)的好壞，也就是等級(jí)，對(duì)于一般的消費(fèi)者而言是無(wú)法鑒別的，所以也只能通過(guò)廠家的說(shuō)明以及產(chǎn)品參數(shù)來(lái)判斷了，這個(gè)產(chǎn)品的濾網(wǎng)主要分為3層：

• 首先是前置濾網(wǎng)，主要是過(guò)濾大粉塵
• 中間是高效過(guò)濾層，用于過(guò)濾細(xì)粉塵，細(xì)菌
• 最后就是活性炭過(guò)濾層，過(guò)濾各種氣味

風(fēng)機(jī)和濾網(wǎng)的組合基本上已經(jīng)達(dá)成了空氣凈化器的目的，至于空氣凈化是否OK，那就需要依靠其它功能模塊來(lái)檢測(cè)。

主控制板

主板如上圖所示，分布的資源包括了12V的電源輸入部分、板載的蜂鳴器、大電流的DCDC穩(wěn)壓器、多個(gè)提供給板載芯片供電的降壓穩(wěn)壓器、基于單芯片藍(lán)牙方案的藍(lán)牙模組，外部的存儲(chǔ)芯片等。當(dāng)然，PCB板上最重要的核心莫過(guò)于多個(gè)傳感器，歸功于這些傳感器的聯(lián)動(dòng)，生生將原本普通的車(chē)載空氣凈化器一躍成為智能設(shè)備。

傳感器

• 顆粒物檢測(cè)傳感器

上圖為粉塵傳感器，由一個(gè)紅外發(fā)光二極管和一個(gè)光電晶體管構(gòu)成，通過(guò)檢測(cè)經(jīng)過(guò)空氣中灰塵折射過(guò)后的光線來(lái)判斷灰塵的含量，利用光敏原理來(lái)工作，依靠輸出脈沖的高度來(lái)判斷顆粒濃度。

• 瑞薩的ZMOD氣體傳感器平臺(tái)ZMOD4410

板子核心的MEMS器件上的絲印為4410AI1，經(jīng)查是瑞薩的ZMOD氣體傳感器平臺(tái)，一種創(chuàng)新型高性能的傳感器平臺(tái)，適用于室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）、氮氧化物（NOx）、臭氧（O3）、氫氣（H2）等其它易燃?xì)怏w。但是，本產(chǎn)品上的4410AI1只用于檢測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量(UBA標(biāo)準(zhǔn))、TVOC和估算的CO2。

仔細(xì)看上圖這個(gè)結(jié)構(gòu)，可以理解成一個(gè)小模塊，是一款集成式數(shù)字校準(zhǔn)氣體傳感器，由氣體檢測(cè)元件和CMOS信號(hào)調(diào)理IC組成， 采用微電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，封裝是一個(gè)12針LGA的組件，尺寸為3 x 3 x 0.7毫米，同時(shí)，為適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，瑞薩也提供支持IP67防水等級(jí)的封裝，尺寸是3 x 3 x 0.9毫米，相比不防水的封裝高了0.2mm。至于具體型號(hào)，可以參考下表。

目前有上表的4個(gè)型號(hào)，其實(shí)也就是兩種，AI1和AI3，分別對(duì)應(yīng)不防水的以及IP67防水的型號(hào)，最后一個(gè)字母R和V只是針對(duì)器件包裝方式的不同。

而我們這個(gè)板子上實(shí)際搭載的就是上面所說(shuō)的不防水的這個(gè)型號(hào)（ZMOD4410AI1）。

總結(jié)來(lái)看，這個(gè)產(chǎn)品有瑞薩獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)：

金屬氧化物材料方面
1.    15 年久經(jīng)考驗(yàn)的可靠性，傳感器仍在保持運(yùn)行并記錄數(shù)據(jù)
2.    不受環(huán)境硅氧烷污染
3.    性能上具有最佳穩(wěn)定性和靈敏度

專(zhuān)用集成電路方面
1.    可通過(guò)步驟進(jìn)行配置、定義操作方法 
2.    無(wú)需更改硬件即可快速更新和升級(jí)傳感器

校準(zhǔn)
1.    具有電氣和化學(xué)雙重保險(xiǎn)的校準(zhǔn)：每個(gè)傳感器都使用特定濃度的乙醇進(jìn)行校準(zhǔn)
2.    保證了每個(gè)產(chǎn)品批次的一致性能

清潔空氣的明確定義
1.    與德國(guó)環(huán)境署清潔空氣研究合作
2.    第三方的驗(yàn)證
3.    最終消費(fèi)者可放心的清潔空氣的定義和測(cè)試
 

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于沒(méi)有特殊需求的消費(fèi)電子來(lái)說(shuō)，這種型號(hào)就比較合適，而且相比防水的型號(hào)，價(jià)格也要便宜很多，如果要用在環(huán)境比較嚴(yán)峻的工業(yè)場(chǎng)所等，那具備IP67防水的會(huì)更加可靠，工程師只需根據(jù)實(shí)際需求來(lái)選擇即可。

另外，我們也能在其規(guī)格書(shū)上查看到更多信息，I2C接口，最高支持400kHz通信速率，支持1.7V to 3.6V 。芯片雖然有12pin腳，但是，實(shí)際用到的除了電源和地，就是I2C接口的時(shí)鐘信號(hào)線（SCL）和數(shù)據(jù)信號(hào)線（SDA），以及分別用于中斷的中斷信號(hào)（INT）和復(fù)位信號(hào)（RES_N）。

而從上面的硬件框圖也可以看到，ZMOD4410AI1由氣體檢測(cè)元件和CMOS信號(hào)調(diào)理IC組成， 其中模塊的氣體檢測(cè)傳感元件由（基于Si的微電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的）加熱元件和金屬氧化物（MOx）化學(xué)電阻組成。信號(hào)調(diào)節(jié)器控制傳感器溫度并測(cè)量MOx電導(dǎo)率，也就是氣體濃度的函數(shù)。當(dāng)空氣流經(jīng)傳感器后，將空氣的質(zhì)量反饋成電阻，再通過(guò)相應(yīng)的算法計(jì)算出當(dāng)前環(huán)境下的空氣質(zhì)量。

總的來(lái)說(shuō)，這個(gè)器件的接口真的是非常的簡(jiǎn)單，尺寸也迷你，從硬件設(shè)計(jì)上來(lái)說(shuō)，大大降低了對(duì)空氣質(zhì)量測(cè)量方案的復(fù)雜度，即便是一名新手工程師也能十分容易的基于ZMOD4410完成一個(gè)空氣質(zhì)量檢測(cè)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)。

• 溫濕度傳感器

在另一個(gè)PCB的小板上同樣有一顆MEMS結(jié)構(gòu)的器件，上面的絲印為IDT H36S，經(jīng)查為瑞薩的HS300X系列溫濕度傳感器，板子上的這顆具體型號(hào)為HS3001，規(guī)格參數(shù)如下：

• 測(cè)量的濕度范圍是10 to 90%，精度為: ±1.5%；
• 溫度的范圍是-10 to +80°C，精度為±0.2°C；
• 供電范圍：2.3V~5.5V；

器件同樣采用I2C接口，因此電路設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，但是在PCB設(shè)計(jì)的時(shí)候需要注意一點(diǎn)，是什么呢？

可能細(xì)心的小伙伴也發(fā)現(xiàn)了，在這顆器件周?chē)腜CB都做了鏤空處理，這樣做的目的是什么？從本身功能出發(fā)來(lái)看，因?yàn)檫@是一顆板載的帶有溫濕度測(cè)量的傳感器，而PCB周?chē)渌M件產(chǎn)生的過(guò)多熱量會(huì)導(dǎo)致溫度和相對(duì)濕度測(cè)量的不準(zhǔn)確，而之所以做這一圈的鏤空處理，是將通往這顆溫濕度傳感器的不良傳熱路徑減至最少。

其實(shí)如果你仔細(xì)研究過(guò)瑞薩提供的規(guī)格書(shū)的話(huà)，也能找到相關(guān)PCB設(shè)計(jì)的參考，在里面有一段非常明顯的加粗的英文提示，翻譯過(guò)來(lái)就是應(yīng)該避免在傳感器附近使用用于電源的固態(tài)金屬層，因?yàn)樗鼤?huì)充當(dāng)熱導(dǎo)體，影響測(cè)溫準(zhǔn)確性。

小結(jié)

從車(chē)載空氣凈化器拆解的硬件方案來(lái)看，它不是一個(gè)簡(jiǎn)單的只有開(kāi)和關(guān)的“弱智”產(chǎn)品，它融合了智能的概念，而智能的來(lái)源是基于與傳感器的聯(lián)動(dòng)，瑞薩空氣質(zhì)量傳感器ZMOD4410，溫濕度傳感器HS3001以及顆粒物檢測(cè)傳感器，這三者的結(jié)合可以全方位有效監(jiān)測(cè)車(chē)內(nèi)空氣質(zhì)量環(huán)境，并且可以幫助用戶(hù)針對(duì)性的使用這個(gè)產(chǎn)品，節(jié)省濾網(wǎng)的消耗。這種智能化的場(chǎng)景只需通過(guò)一個(gè)個(gè)小小的傳感器就能達(dá)到目的，是不是很神奇？

當(dāng)然，這產(chǎn)品本身并不是我看好這個(gè)方案的根本，因?yàn)槟壳暗念~外的車(chē)載空氣凈化器或多或少會(huì)占用車(chē)內(nèi)空間，且擺放不易，所以我認(rèn)為它并不該是最終的形態(tài)。在全球汽車(chē)市場(chǎng)隨著電動(dòng)汽車(chē)的殺入攪局，汽車(chē)功能有望迎來(lái)新一輪的集成，而空氣凈化這個(gè)功能，有什么理由不在汽車(chē)上集成呢？而現(xiàn)成的參考方案，瑞薩已推到你面前。