利用 Raspberry Pi 控制 PWM 風扇及轉速偵測

相信不少人都會為熱情的 Pi 4 加上風扇散熱,不過小風扇噪音就成了問題,由於 Pi 也不是隨時都滿載需要風扇全速運轉,所以我們可以利用 PWM (Pulse Width Modulation) 來控制轉速。讓風扇在提高到一定溫度時才啟動,或是降低轉速來降低噪音。

硬體接線

我使用風扇是 Noctua NF-A4 5V PWM ,一個 40mm、5V 的 PWM 控速風扇,下圖是本次所使用的腳位:

  • 黃色黑色分別為 5V 電源及接地
  • 綠色為轉速信號
  • 藍色為 PWM 控制訊號輸入

若風扇不支援 PWM 轉速控制(只有兩線或三線)可以參考 #138 Variable Speed Cooling Fan for Raspberry Pi using PWM and PID controller 此影片或 PWM Regulated Fan Based on CPU Temperature for Raspberry Pi 利用 BJT 電晶體來做 PWM 控制。

轉速訊號線(綠)的部分,由於風扇內是一個開集極電路(OC),所以需要一個上拉電阻(Pull-up resistor)至 Vcc 才能夠讀取到波形,這邊可以參考 Noctua PWM 規格白皮書(英文)(大部分的風扇轉速訊號應該都是這種設計,保險起見建議還是要查看廠商提供的資料)

注意!樹莓派的 GPIO 為 3.3V,所以上拉電阻 Vcc 一定要接到 3.3V,若接到 5V 會造成樹莓派電路損毀!

上拉電阻我這邊選擇了 1kΩ 1/4W,上面官方所提供的資料為電流不可以超過 5mA ,根據 $V=IR$ 可算出電阻應該要 660Ω 以上,如果過低會造成風扇電路過載。

PWM 訊號線因為大部分的微控制器或單晶片的 GPIO 都有做好穩定 PWM 方波的輸出電路了,所以這裡就不需要另外自製電路,直接接上 PWM 輸出腳即可(一般的 GPIO 貌似也能靠軟體設定輸出 PWM 訊號,不過硬體輸出較為穩定),腳位參考

順帶一提,由於風扇沒有附轉杜邦的線材,所以另外買了 Molex 2510 4PIN (2.54mm間距) 連接器,不過要另外將防呆卡槽消掉一部份,如果有現成的專用風扇線就不用(一般風扇為了相容 3P 連接器所以不會做滿)

以下是接上 Pi 3 做硬體測試及軟體調教的照片:

硬體安裝完成後,接著就用軟體來控制風扇吧!

軟體控制

PWM GPIO 測試

這裡可以先選擇使用 Wiring Pi 來進行測試接線是否正確及 GPIO 是否正常,如果不測試可以直接跳到 PWM 訊號控制轉速

記得之前的 Pi 版本都是有預裝的,不過目前新版 Pi 4B 還沒加入預設,我們可以透過手動的方式來升級:

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cd /tmp
wget https://project-downloads.drogon.net/wiringpi-latest.deb
sudo dpkg -i wiringpi-latest.deb

檢查版本:

gpio -v

撰文時最新版為 2.52

查看 GPIO 狀態:

gpio readall

把 PIN1 設定為 PWM 模式(注意這邊的編號為 wiring-pi 的編號,可參考Pi GPIO Pinout

gpio mode 1 pwm

設定 PWM 訊號寬度(數值可為 0~1023)

gpio pwm 1 [數值]

檢查風扇是否成功用 PWM 控制,如果有隨著設定數值改變就沒問題了!

PWM 訊號控制轉速

我把控制程式放在 Github 上了,可以點擊參考:DriftKingTW/Raspberry-Pi-PWM-Fan-Control

建立資料夾存放要用到的程式:

mkdir -p Scripts

cd Scripts/

下載程式:

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wget https://raw.githubusercontent.com/DriftKingTW/Raspberry-Pi-PWM-Fan-Contorl/master/fan_control.py

開啟試試能不能成功控制:

python fan_control.py

沒問題的話就可以把程式設定為開機自動啟動:

編輯 rc.local

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sudo vim /etc/rc.local

exit 0 之上加入以下指令:

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python /home/pi/Scripts/fan_control.py &

檔案路徑可能會不同,記得使用絕對路徑。最後的 “&” 符號代表背景執行。

如果你不想知道原理,可以直接轉跳閱讀:讀取轉速訊號

PWM 控制原理簡單來說就是:輸出方波,利用工作週期(Duty Cycle 又稱佔空比)來控制風扇的轉速,假設方波訊號處於高電位所佔一個週期的時間是 50% 代表讓風扇處於半速狀態,以此類推 75% 即是風扇 75% 速度,更詳細可以參考維基:脈衝寬度調變

接著來分析程式的部分,這邊使用 Python 來做控制:

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# 載入需要的函式庫
import RPi.GPIO as GPIO
import time
import signal
import sys
import os

# 設定可照自身情況調整
FAN_PIN = 18 # PWM 控制腳位,設定成你想接的位置即可,注意是 BCM 編號
WAIT_TIME = 1 # 每次控制的更新頻率,單位為秒
PWM_FREQ = 25000 # PWM 頻率,這邊根據 Noctua 規格使用 25kHz,其他風扇弄個 50 之類即可,若動作怪怪的可以在自行測試

MIN_TEMP = 40 # 最小啟動溫度
MAX_TEMP = 70 # 最高溫度
FAN_LOW = 40 # 風扇低轉速
FAN_HIGH = 100 # 風扇高轉速
FAN_OFF = 0 # 風扇關閉
FAN_MAX = 100 # 風扇全開

# 利用 vcgencmd 取得CPU溫度
def getCpuTemperature():
res = os.popen('vcgencmd measure_temp').readline()
temp =(res.replace("temp=","").replace("'C\n",""))
#print("temp is {0}".format(temp)) # 把註解取消可觀察溫度
return temp

# 設定風扇溫度
def setFanSpeed(speed):
fan.start(speed)
return()

# 控制風扇動作
def handleFanSpeed():
temp = float(getCpuTemperature())
# 如果溫度小於設定的最小啟動溫度即把風扇關閉
if temp < MIN_TEMP:
setFanSpeed(FAN_OFF)
#print("Fan OFF") # 把註解取消可查看風扇訊息
# 如果溫度超過最高溫度將風扇 100% 開啟
elif temp > MAX_TEMP:
setFanSpeed(FAN_MAX)
#print("Fan MAX") # 把註解取消可查看風扇訊息
# 如果溫度介於最小及最大值之間,計算動態風扇速度
# 每一階(step)為:(高轉速-低轉速)/(最高溫度-最小溫度)
# 利用算出來的 step 算出線性的簡易 轉速/溫度 反應曲線
else:
step = (FAN_HIGH - FAN_LOW)/(MAX_TEMP - MIN_TEMP)
temp -= MIN_TEMP
setFanSpeed(FAN_LOW + ( round(temp) * step ))
#print(FAN_LOW + ( round(temp) * step )) # 把註解取消可查看風扇訊息
return ()

# 主程式
try:
# 設定 GPIO
GPIO.setwarnings(False)
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(FAN_PIN, GPIO.OUT, initial=GPIO.LOW)
fan = GPIO.PWM(FAN_PIN,PWM_FREQ)
setFanSpeed(FAN_OFF)
# 無限迴圈,按照設定的時間間隔不斷偵測溫度來設定轉速
while True:
handleFanSpeed()
time.sleep(WAIT_TIME)

except KeyboardInterrupt: # 如果使用者按下 ctrl+c 的例外處理
setFanSpeed(FAN_HIGH)
#GPIO.cleanup() # 此註解可以清除本程式用的 GPIO 設定,如果要用上一行的指令本行保留註解狀態

讀取轉速訊號

程式同樣放在 Github 上:DriftKingTW/Raspberry-Pi-PWM-Fan-Control

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wget https://raw.githubusercontent.com/DriftKingTW/Raspberry-Pi-PWM-Fan-Control/master/read_fan_speed.py

開啟即可開始輸出風扇的轉速(RPM),預設每秒偵測一次

python read_fan_speed.py

分析程式:

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# 載入需要的函式庫
import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 腳位設定
TACH = 24 # 風扇轉速輸出腳位
PULSE = 2 # Noctua 規格為風扇轉一圈有兩次脈衝,大部分風扇也是兩次,少數四次
WAIT_TIME = 1 # 單位為秒,每次更新時間

# GPIO 設定
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setwarnings(False)
GPIO.setup(TACH, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP) # Pull up to 3.3V

# 要用到的全域變數
t = time.time()
rpm = 0

# 計算 RPM 的函數
def fell(n):
global t
global rpm

dt = time.time() - t # 取得時間計算出週期
if dt < 0.005: return # 無視過短的脈衝(雜訊)

freq = 1 / dt # 取得頻率(週期倒數)
rpm = (freq / PULSE) * 60 # 計算RPM:將頻率除以風扇轉一圈的脈衝數,在乘以60(每分鐘)
t = time.time() # 更新時間

# 新增監聽器,偵測到波形降下來的時候呼叫 fell() 計算一次 RPM
GPIO.add_event_detect(TACH, GPIO.FALLING, fell)

# 主程式
try:
# 無限迴圈不斷偵測
while True:
print "%.f RPM" % rpm # 輸出轉速到螢幕上
rpm = 0 # 歸零
time.sleep(WAIT_TIME) # 每秒偵測一次

except KeyboardInterrupt: # 同上處理 ctrl+c 例外
GPIO.cleanup() # 清除本程式用的 GPIO 狀態

溫度表現

目前還在等 Pi4 的 3D 列印風扇支架來,等安裝好再補上。

參考

Noctua PWM specifications white paper

NF A4x10 5V PWM

Wiring Pi

wiringPi updated to 2.52 for the Raspberry Pi 4B

#138 Variable Speed Cooling Fan for Raspberry Pi using PWM and PID controller

rxseger/tachfan.py

raspberry-gpio-python

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