Nejobvyklejší typ zařízení pro měření kvality ovzduší pro stanovení ppm koncentrace CO2 nebo těkavých organických sloučenin (VOC) v prostředí je založen na polovodičovém elektrochemickém prvku, který generuje výstupní napětí úměrné koncentraci daného plynu nebo chemikálie. Přesnost měření je ovlivněna jak teplotou, tak vlhkostí. Snímače teploty a vlhkosti, které poskytují důležitá data pro kompenzaci nejsou běžně integrovány do tohoto typu snímače.
Navíc drtivá většina snímačů kvality ovzduší postrádá bezdrátovou konektivitu pro připojení k inteligentním sítím budov. Nicméně existují vývojové sady, které obsahují senzory kvality ovzduší i snímače teploty, vlhkosti a bezdrátovou konektivitu. Tento článek popisuje použití těchto vývojových sad, které vedou ke zkrácení vývoje moderního inteligentního senzoru kvality ovzduší.
Vlastnosti senzoru MOS
Existuje několik typů snímačů pro monitorování kvality ovzduší - elektrochemické (EC), nedisperzní infračervené (NDIR), fotoionizační detektory (PID), termické a polovodičové (MOS). Polovodičový senzor na bázi kovového oxidu (MOS) nejvíce odpovídá požadavkům pro monitorování kvality vzduchu v inteligentních instalacích.
Přístroje jsou kompaktní, poměrně levné, mohou být napájeny bateriemi (s dostatečnou kapacitou k pravidelnému napájení ohřívače snímače MOS) a rozsah detekce odpovídá typickým koncentracím CO2 a VOC (těkavé organické sloučeniny) uvnitř budov (obrázek 1).
Obrázek 1: Změna koncentrace CO2 a VOC v ložnici po celý den. (Zdroj obrázku: IDT)
Během provozu se snímač ohřívá na několik set stupňů Celsia. Přesná teplota se určuje dle druhu monitorovaného plynu či chemické látky. Citlivost závisí na tloušťce materiálu.
Snímače jsou vyráběny buď s polovodičovými materiály (oxidy zinku, cínu, wolframu, india) typu n nebo typu p. Snímač buď absorbuje (p-typ) nebo uvolňuje (n-typ) cílovou chemickou látku a elektrochemická reakce s cílovou sloučeninou buď přidává nebo odstraňuje elektrony z vodivého pásma polovodičů. To znamená, že na povrchu tohoto materiálu se vytvoří ve vzduchu rovnovážný stav s molekulami kyslíku, který se za přítomnosti jiného plynu poruší a způsobí změnu vodivosti (obrázek 2).
Obr. 2: Odpor senzorového prvku MOS se mění lineárně v reakci na změnu koncentrace dané chemické látky. V tomto příkladu se jedná o koncentraci ethanolu. (Zdroj obrázku: IDT)
Jeden komerční snímač MOS pro inteligentní domácí aplikace je dodáván firmou ams. Konkrétně digitální MOS senzor CCS811B, který obsahuje mikrokontrolér, analogově-digitální převodník (ADC) a rozhraní I2C (obr. 3). Zařízení zpracovává surové naměřené hodnoty přímo z čidla a převádí je na hodnoty " equivalent total VOC " (eTVOC) a " equivalent CO2 " (eCO2). Snímač je k dispozici v pouzdře o velikosti 2,7 x 4,0 x 1,1 mm.
Obrázek 3: Digitální snímač MOS CCS811B obsahuje mikroprocesor pro zpracování dat přímo z čidla. (Zdroj obrázku: ams)
Každý MOS senzor má charakteristický základní odpor pro odpovídající konkrétnímu složení vzduchu, teplotě a vlhkosti. Tato vlastnost se použije jako základ pro výpočet koncentrace plynů nebo chemických látek. Rozdíl v odporu od základní hodnoty je úměrný dané koncentraci.
V terénu ovlivňuje okolní teplota a vlhkost základní odpor senzorového prvku, a tím mění citlivost a přesnost. Zvýšení okolní teploty zvyšuje odpor čidla (pro danou vlhkost), zatímco zvýšení vlhkosti může snížit odpor (pro danou teplotu). Výrobci snímačů doporučují doplnit snímač kvality vzduchu o senzory teploty a vlhkosti, aby mikroprocesor mohl neustále kompenzovat změny výchozího odporu.
Oblíbeným zařízením pro tuto problematiku je BME280 od společnosti Bosch Sensortec. BME280 má integrován senzor vlhkosti, tlaku a teploty a je nabízen v pouzdře LGA o velikosti 2,5 x 2,5 x 0,93 mm. Snímač má rozhraní I2C pro komunikaci s externím mikroprocesorem a vyžaduje napájení od 1,71 do 3,6 V. Když je snímač v režimu spánku, spotřeba klesne na 0,1 μA.
Komerční snímače MOS postrádají možnost bezdrátové komunikaci. Existuje však mnoho bezdrátových čipů s malou spotřebou, které jsou navrženy přímo pro spolupráci se snímači.
Mnohé z těchto zařízení mají integrovány dostatečně výkonné mikroprocesory, které jsou schopny provádět zpracování surových dat ze snímačů a jejich kompenzaci dle vlhkosti a teploty. Více informací o vhodných bezdrátových technologiích pro tuto aplikaci naleznete v článku "Porovnání bezdrátových technologií s nízkou spotřebou".
Vývoj základního snímače kvality vzduchu
Pro sestavení bezdrátového senzoru kvality vzduchu je potřeba spojit diskrétní snímač MOS, snímač vlhkosti a teploty, bezdrátový transceiver a mikroprocesor do jednoho systému. Což znamená časově náročný úkol. Máme však na výběr z hotových vývojových sestav, které výrazně usnadňuje celý proces vývoje. Například SEN-14348 Combo Breakout od SparkFun Electronics je osazen snímačem kvality vzduchu CCS811B a snímačem BME280 pro měření teploty a vlhkosti pro následnou kompenzaci. Obsahuje dvě fyzická I2C rozhraní, která jsou vyvedeny na 4 pinové konektory Qwiic (Obrázek 4).
Obrázek 4: SEN-14348 od společnosti SparkFun kombinuje snímač CCS811B se zařízením BME280 pro kompenzaci teploty a vlhkosti. (Zdroj obrázku: SparkFun)
Přestože SEN-14348 může být použit jako základ pro návrh snímače kvality vzduchu kompenzované teplotou a vlhkostí, není to komplexní řešení. CCS811B sice obsahuje mikroprocesor, ale jeho výkon je dostatečný jen pro zpracování dat z pravidelného měření a k provádění kompenzaci. Složitější aplikace, například sledování mezních hodnot kvality vzduchu nebo výpočet dlouhodobých plynových nebo chemických koncentrací, jsou mimo schopnost tohoto mikroprocesoru. Pro podporu pokročilejších aplikací je nutné SEN-14348 připojit k výkonnějšímu mikroprocesoru.
Pro prvotní vývoj SparkFun doporučuje propojení SEN-14348 se systémem Arduino, jako je například RedBoard. RedBoard se připojuje k počítači pomocí USB kabelu pro nahrávání kódu z IDE Arduino. USB kabel slouží také k napájení desky RedBoard. Chcete-li používat zařízení RedBoard s konektory Qwiic, je nutné použít modul DEV-14352 Qwiic. Modul obsahuje konektory I2C a také převádí napětí z 5 V na hodnotu 3,3 V, která je potřebná pro snímače na desce SEN-14348.
K dispozici jsou knihovny pro SparkFun CCS811 a BME280 od společnosti Github. Senzory je nutné nakonfigurovat přes Arduino IDE. Konfigurační parametry jsou vzorkovací frekvence, koeficienty filtru konečné impulzní odezvy (FIR) a režimy převzorkování.
Část kódu níže zobrazuje rutinu pro inicializaci snímače BME280 před vyčtením naměřených hodnot (inicializační rutina pro CCS811 je podobná).
#include <SparkFunBME280.h>
#include <SparkFunCCS811.h>
#define CCS811_ADDR 0x5B //Default I2C Address
//#define CCS811_ADDR 0x5A //Alternate I2C Address
//Global sensor objects
CCS811 myCCS811(CCS811_ADDR);
BME280 myBME280;
void setup()
{
Serial.begin(9600);
Serial.println();
Serial.println("Apply BME280 data to CCS811 for compensation.");
//This begins the CCS811 sensor and prints error status of .
begin()
CCS811Core::status returnCode = myCCS811.begin();
if (returnCode != CCS811Core::SENSOR_SUCCESS)
{
Serial.println("Problem with CCS811");
printDriverError(returnCode);
}
else {
Serial.println("CCS811 online");
}
//Initialize BME280
//For I2C, enable the following and disable the SPI section
myBME280.settings.commInterface = I2C_MODE;
myBME280.settings.I2CAddress = 0x77;
myBME280.settings.runMode = 3; //Normal mode
myBME280.settings.tStandby = 0;
myBME280.settings.filter = 4;
myBME280.settings.tempOverSample = 5;
myBME280.settings.pressOverSample = 5;
myBME280.settings.humidOverSample = 5;
//Calling .begin() causes the settings to be loaded
delay(10); //Make sure sensor had enough time to turn on. BME280 requires 2ms to start up.
byte id = myBME280.begin(); //Returns ID of 0x60 if successful
if (id != 0x60)
{
Serial.println("Problem with BME280");
}
else {
Serial.println("BME280 online");
}
}
Část kódu 1: Inicializační rutina pro snímač BME280 před odečtením hodnot. (Zdroj kódu: SparkFun)
Chcete-li vyčíst hodnoty ze snímačů, musí být k části kódu 1 přidána následující smyčka (the Arduino „sketch“) (Část kódu 2).
void loop() {
if (myCCS811.dataAvailable()) //Check to see if CCS811 has n ew data (it's the slowest sensor)
{
myCCS811.readAlgorithmResults(); //Read latest from CCS811 and update tVOC and CO2 variables
//getWeather(); //Get latest humidity/pressure/temp data from BME280
printData(); //Pretty print all the data
}
else if (myCCS811.checkForStatusError()) //Check to see if CCS811 has thrown an error
{
Serial.println(myCCS811.getErrorRegister()); //Prints what ever CSS811 error flags are detected
}
delay(2000); //Wait for next reading
}
Část kódu 2: Rutina pro snímání a čtení z čidla CCS811. (Zdroj kódu: SparkFun)
Enviromentální údaje ("ENV_DATA") z BME280 jsou zapsány do CCS811 tak, aby mohla být provedena kompenzace vůči vlivu teploty a vlhkosti. Vlhkost a teplota jsou reprezentovány jako unsigned 16bitový integer s rozlišením 1/512% RH a 1/512 stupňů. Výchozí hodnota pro vlhkost je 50% (= 0x64, 0x00). Například vlhkost 48,5% = 0x61, 0x00. Výchozí teplota je 25 ° C (= 0x64, 0x00). Například 23,5 ° C = 0x61, 0x00. Naměřené hodnoty teploty a vlhkosti z BME280 umožňují mikroprocesoru použít speciální kompenzační algoritmy (Část kódu 3).
void loop() {
//Check to see if data is available
if (myCCS811.dataAvailable())
{
//Calling this function updates the global tVOC and eCO2 variables
myCCS811.readAlgorithmResults();
//printData fetches the values of tVOC and eCO2
printData();
float BMEtempC = myBME280.readTempC();
float BMEhumid = myBME280.readFloatHumidity();
Serial.print("Applying new values (deg C, %): ");
Serial.print(BMEtempC);
Serial.print(",");
Serial.println(BMEhumid);
Serial.println();
//This sends the temperature data to the CCS811
myCCS811.setEnvironmentalData(BMEhumid, BMEtempC);
}
else if (myCCS811.checkForStatusError())
{
Serial.println(myCCS811.getErrorRegister()); //Prints what ever CSS811 error flags are detected
}
delay(2000); //Wait for next reading
}
Část kódu 3: Údaje o teplotě a vlhkosti, které umožňují snímači CCS811 provést kompenzační algoritmus. (Zdroj kódu: SparkFun)
Přidání snímače kvality vzduchu do systému
Zatímco SparkFun SEN-14348 breakout, počítač Arduino a modul DEV-14352 Qwiic umožňuje zpracování údajů o kvalitě ovzduší, systém nenabízí žádné bezdrátové připojení. Pioneer CY8CKIT-042-BLE-A PSoC 4 BLE Pioneer Kit od Cypress Semiconductor obsahuje bezdrátovou konektivitu a je navržený tak, aby pomáhal při vývoji bezdrátových senzorových aplikací.
Sada umožňuje kódovat a kompilovat aplikace a pak přenést firmware na Cypress 'PSoC 4 Bluetooth low energy SoC. SoC obsahuje 32bitový procesor Arm Cortex-M0 s frekvencí 48 MHz a Bluetooth transceiver. V tomto případě jsou kompenzované údaje o kvalitě ovzduší předávány prostřednictvím I2C komunikace. Kromě přijímání dat z rozhraní I2C je procesor schopen resetu, vzbuzení a uvedení čidel do režimu spánku.
Cypress nabízí nástroj CySmart Host Emulation pro emulaci hostitelského systému v prostředí Windows (běžící na počítači) a Bluetooth dongle pro lepší debugging a testování. Jak dongle, tak souprava Pioneer mohou být současně připojeny k běžnému hostitelskému počítači během celého vývojového procesu (obrázek 5).
Obrázek 5: Společnost Cypress dodává vývojové nástroje pro technologii Bluetooth včetně donglu, které napomáhají vývoji firmwaru v sestavě s PSoC 4 BLE Pioneer Kit. (Zdroj obrázku: Cypress Semiconductor)
Vývoj s CY8CKIT-042-BLE-A PSoC 4 BLE Pioneer Kit se skládá ze čtyř etap:
- Vytvoření návrhu v PSoC Creator
- Napsáním firmware pro inicializaci a zpracování událostí Bluetooth Low Energy
- Naprogramování Bluetooth SoC pomocí sady Pioneer
- Test systému pomocí nástroje Emulation Host CySmart (nebo mobilní aplikace)
Další informace o vývoji aplikací s Bluetooth Low Energy naleznete v článku "Bluetooth 4.1, 4.2 a 5 Kompatibilní technologie Bluetooth Low Energy a nástroje splňující nároky IoT".
Aplikační firmware používá technologii Bluetooth ke shromažďování a zpracování dat ze snímačů a přenáší je například do pc nebo inteligentního telefonu pro další analýzu či přehledné zobrazení.
Údaje ze senzoru mohou být přesměrovány ze smartphonu na cloudový server, aby se uložili a mohla se spustit notifikační rutina "If That Then That" (IFTTT). Například trvale vysoké hodnoty CO2 v ložnici dítěte by mohly vyvolat upozornění na smartphonu rodičů, aby zajistily ventilaci nebo se ventilace automaticky provedla.
Připojení ke cloudu přímo ze snímače je trochu složitější. V sítích Bluetooth Low Energy od Cypress obecně chybí síťová vrstva IPv6. Řešením je odeslat data Bluetooth do "brány", která využívá alternativní protokol pro připojení k cloudu (například Wi-Fi).
Cypress a SparkFun společně nabízí řešení. Použitím Pioneer Kit CY8CKIT-062-BLE PSoC 6 BLE od společnosti Cypress a doplňkovým modulem Pioneer IoT DEV-14531 PSoC od společnosti SparkFun (vybavený modulem XB2B-WFWT-001 XBee Wi-Fi) můžete vyvinout síť, která čte kompenzovaná data o kvalitě ovzduší ze snímače, přenáší je přes Bluetooth z Pioneer Kit CY8CKIT-042-BLE-PSoC 4 BLE do sady CY8CKIT-062-BLE PSoC 6 BLE Pioneer a odtud (přes Wi-Fi) do cloudu (obrázek 6). Více informací o používání modulů Wi-Fi pro připojení ke cloudu naleznete v technickém článku "Moduly 802.11x a vývojové sady mohou pomoci zjednodušit vývoj bezdrátové sítě IoT".
Obrázek 6: Bezdrátový systém postavený na vývojových sadách Cypress a SparkFun využívá technologie Bluetooth Low Energy a Wi-Fi pro odesílání dat senzoru kvality vzduchu do cloudu. (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics)
Závěr
Vzhledem k rostoucímu povědomí o škodlivých účincích těkavých organických sloučenin (VOC) a vysoké koncentraci plynů, jako je CO2 je žádoucí mít senzory kvality ovzduší integrované v systému správy budov. Komerční snímače kvality vzduchu v současné době postrádají výkonný mikroprocesor a bezdrátovou konektivitu. Nicméně pomocí vývojových sad a dostupných nástrojů můžeme rychle sestavit systém, který nám poskytuje údaje o kvalitě vzduchu, a to včetně kompenzace vůči teplotě a vlhkosti. Navíc tyto data bezdrátově přenáší pomocí Bluetooth do mobilních telefonů nebo prostřednictvím wifi modulu přímo do cloudu, kde dochází k dalšímu zpracování.
Článek vyšel v originále " Add Compensated Air Quality Sensors to the Internet of Things)" na webu DigiKey.com
