Měření Kvality Ovzduší Pomocí Arduino Senzorů

Sotva bychom vedli spory o tom, zda jsou nebo nejsou naše veliká, průmyslová města zamořena smogem, zplodinami, pevnými částicemi, prachem, dýmem a různými chemickými sloučeninami. Říkejme tomu vědecky nebo laicky, jak uznáme za vhodné. Každá samospráva se snaží čelit zamoření; hledání slibného řešení nicméně musí vždy předcházet analýza současného stavu věcí, jinými slovy pečlivý monitoring. Běžné komerční senzory jsou však poměrně drahé a státní instituce a místní samosprávy na ně málokdy uvolňují odpovídající zdroje.

Nicméně, pomocí Arduina a několika externích shieldů, se mi povedlo vytvořit jednoduchý orientační LCD měřič kvality ovzduší v domě, s ovládáním větráku. Jedná se o zapojení desky Arduino Nano, RTC modulu, SD shieldu, LCD displeje, měřiče CO2, čidla teploty DHT11, relé a několika dalších elektronických komponentů. Můžete tak monitorovat kvalitu ovzduší, zároveň logovat data na SD a při zapojení větrání na výstup relé i spouštět větrák.

V posledních letech nicméně sílí fenomén, který v lednu tohoto roku doputoval až do nadmíru prestižního přírodovědného časopisu Nature, ačkoli se rozvíjí již delší dobu, přesněji od prvních pokusů s „monitorujícími holuby“ z roku 2009. Po vzoru odkazovaného článku je na místě zmínit tři úspěšné projekty: DustDuino, Air Quality Egg a Smart Citizen Kit. Každý má odlišné funkce a sbírá trochu jiný typ dat. Účel mají nicméně společný: hledání vlastních, na státních institucích nezávislých cest, jak mapovat stav životního prostředí, v těchto případech především kvality vzduchu, který dýcháme, v naší bezprostřední blízkosti, a sdílení naměřených údajů s dobrovolníky po celém světě.

Popis Konstrukce Měřiče Kvality Ovzduší

Jak vidíte na obrázku, naměřené hodnoty se na LCD střídají s hodinami a kalendářem. Na displeji se po spuštění jednou objeví hlášení o případné odpojené/připojené SD kartě, v dalších krocích se pak střídá v intervalu 30s (lze změnit v programu) výpis naměřených hodnot vlhkost, teplota, koncentrace plynů (ppm) a informace o stavu relé větráku s kalendářem a hodinami. Ty se obnovují v pravidelném intervalu 1s. Uložení dat proběhne vždy po výpisu naměřených údajů do souboru MERENI.txt.

Vše je uloženo v plastové krabičče typ Z-5B PS BLACK. Do přední strany je vyříznut obdélník cca 25x75mm a o stejných rozměrech, jsem ze starého obalu na CD vyříznul i plexisklo před LCD. Vše jsem zafixoval vteřinovým lepidlem a pro zakrytí míst se zaschlým lepidlem začistil okraje černou lihovkou. Z boku krabičky byla vyvrtána díra zhruba 30mm pro čidlo CO2, velká tak, aby se hrana čidla nedotýkala okrajů plastové díry, ba naopak aby byl zajištěn i odstup, to kvůli teplotě čidla. Díra je překryta tvarovanou mřížkou ze starého reproduktoru.

Čtěte také: Jak správně ohlásit emise kotle?

Jelikož pro mě bylo nepřekonalnou překážkou, porazit svojí lenost, přepájet krátké kabely od čidla teploty, musel jsem čidlo teploty přilepit na teplonevodivém povrchu (kus kartonu) a zespodu pod čidlem vyrobit, opět z plexiskla, průhledný tepelný štít o rozměrech 25x35mm. Aby byly hodnoty co nejméně ovlivňovány teplem z CO2 snímače. I přes tato opatření bylo nutné do programu umístit korekci o 5 stupňů, aby hodnoty seděly s jiným digitálním teploměrem.

Zespodu je na chladiči, jediný co mi ležel v šuplíku, připevněn stabilizátor napětí 5V/2A LM7805. Ten je doplňen o přídavný chladič. Místo toho neforemného kusu plechu, zapřemýšlím o něčem elegantnějším ve tvaru krabičky. Vedle chladiče se dále nachází i vypínač a výstup z jednokanálového relé, pro ovládání větráku a USB Arduina pro nahrávání programu. Pravá strana krabičky slouží ke vkládání micro SD karty.

Uvnitř jsou uloženy hodiny reálného času DS1307, Arduino Nano, I2C LCD 16x2, snímač plynů MQ135, jednokanálové relé, plošné spoje pro I2C sběrnici, + - 5V sběrnice, destička stabilizátoru napětí se dvema kondenzáty 10uF pro frekvenční stabilitu LM7805 a dioda proti přepólováni s vypínačem. Jednotlivé moduly drží přilepeny na malých plastových válečcích s předvrtaným závitem pro šroubky. Já zrecykloval staré plastové kryty z elektronického odpadu např. kryty z ovladačů tv, videa apod.

Pro napájení využívám starou nabíječku 12V 2A z nějaké ruční mikrovrtačky. Lze použít však i jiný DC zdroj. Stabilizátor má rozsah od 8V někam ke 40V. Ovšem počítejte i s nárustem odpadního tepla na chladiči a je nutno ho správně dimenzovat. A pro napájení hodin po odpojení použijte NOVOU! Před zavřením krytu nastavte i citlivost čidla plynů, při kterém má zareagovat. Já ten trimr na čidle nastavil docela na nízkou hranici, tak že stačí dýchnout v okolí čidla a ono zareaguje. Operační zesilovač v čidle se tak překlopí, pošle impuls do Arduina, to zareaguje sepnutím relé větráku. A je vypsána hláška na LCD - VĚTRÁNÍ START.

Software a Funkce

Případnou korekci času provedete nahráním programu po USB do Arduina. dvojité lomítko // a znovu nahrajte program do Arduina. K samotnému programu. Na začátku jsou deklarovány proměnné, naimplementovány knihovny. Program dále sleduje změnu napětí na vstupu ze snímače CO2 při překročení hladiny CO2 a na to zareaguje sepnutim relé větrání a vypsáním hlášek na LCD o stavu relé. O této změně stavu se i uloží hlášení do textového dokumentu na SD kartu - Prekrocena hranice ppm. (viz. Nezapomeňte stáhnout i knihovny pro MQ135, DS1307, DHT11 a LCD knihovnu pro I2C rozhraní.

Čtěte také: Postupy měření emisí 2T

Zpracování Dat v Excelu

Jelikož se data ukládají do řádku vždy ve stejném formátu, využil jsem v Excelu pro jejich zpracování do tabulky a grafu funkci text do sloupce. Nezapomeňte si ohlídat formátování sloupců, kde text formátujte jako text a čísla jako čísla. Menší zádrhel nastal, když se mi některé naměřené údaje zpracovaly jako datum v nesmyslném formátu. Prý za to může rozdíl v používání čárky a tečky v desetinném místě, kde některé země používají pro oddělení desetinného místa tečku a jiné čárku.

Popíšu, možná pro někoho nudnou část a kdo chce, přeskočte ji, jak dostat naměřené údaje z textového souboru do tabulky pro další zpracování. Při exportu textu do sloupce jsem postupoval takto: nejprve si označil všechny buňky v tabulkovém editoru, zformátoval jako text. Následně vložil zkopírovaný text ze souboru MERENI.txt a použil záložku TEXT DO SLOUPCE, dále zatrhl pro oddělení jednotlivých sloupečků ODDĚLOVAČ a na DALŠÍ kartě, pak použil možnost MEZERA, na DALŠÍ kartě zvolil možnosti naformátování nově vznikajících sloupečků. Text formátujte jako text a čísla jako OBECNÉ a UPŘESNIT, kde zatrhnete možnost, jak se budou oddělovat desetinná místa ve sloupečku. Tedy zvolte pro ODDĚLOVAČ DESETINNÍCH MÍST namísto čárky TEČKU.

Pokud jste postupovali správně, objeví se vám v editoru několik sloupečků s textem a naměřenými údaji. Podotýkám, editor stále pracuje s údaji jako s obecným textem. Pro jednotlivé sloupečky s čísly tedy změňte formát z OBECNÉHO TEXTU na ČÍSLA, čas jako ČAS a datum jako DATUM.

Alternativní Řešení pro Měření Kvality Ovzduší

DustDuino je relativně laciný a snadno sestavitelný přístroj, s nímž můžete měřit hladiny prachu a obecněji pevných částic ve venkovním prostoru nebo třeba v bytě. Zrodil se v mongolském Ulánbátaru, jednom z nejvíce zamořených měst na světě, z inciativy vývojářů okolo Press Institute of Mongolia. Zakládá se na optickém senzoru Shinyei PPD42NS a LED; do malé nádoby nasává vzduch, uvnitř měří množství prachu a pevných částic ve vzduchu a údaje se přes Arduino zasílají do služby Xively, což je, dalo by se říci „cloud internetu věcí“.

Zatímco DustDuino sleduje hodnoty prachu v ovzduší, Air Quality Egg měří hladiny oxidu uhelnatého (CO), oxidu dusičitého (NO2), a také vlhkost a teplotu vzduchu. Rovněž síť Air Quality Egg vychází z podobného předpokladu jako DustDuino: státně řízený monitoring znečištění ovzduší je veden nárazově a výsledky jsou abstrahovány z nemnoha měření. Sotva se vám tedy poštěstí, aby stát nebo obec monitorovaly hladinu znečištění přímo na vaší zahradě nebo na vašem balkóně. Odpovědí je právě vejcovitý senzor, který vám umožní měřit příslušné hodnoty a streamovat je například na externí uložiště, kde můžete výsledky zapojit do rozsáhlého souboru měření, prováděných po celém světě environmentálními dobrovolníky, jako jste vy.

Čtěte také: LPG emise Zlín a Fryšták

Třetím projektem tohoto typu je Smart Citizen Kit. Vynález jeho týmu měří hladiny oxidu dusičitého, oxidu uhelnatého, vlhkost, teplotu a světelné znečištění a lze jej rozdělit na několik vrstev. Na úrovni hardwaru jej tvoří dvě desky, z nichž jedna je kompatibilní s Arduinem a ta zpracovává sbírané údaje. Druhá deska naopak disponuje senzory a data po zpracování streamuje přes Wi-Fi do cloudu.

Nicla Sense Env je senzorová deska, která sdružuje senzory pro sledování kvality vzduchu. Na desku s form facotrem Nicla, tedy 22,86 x 22,86 mm se vešly senzory monitorování teploty a vlhkosti HS400, ZMOD4410AI1V a ZMOD4510AI1V pro detekci plynů s umělou inteligencí pomocí senzorů. Ty poskytují údaje o kvalitě ovzduší v reálném čase, včetně detekce TVOC, NO2,O3 a dalších plynů, a to jak uvnitř, tak venku.

Sada pro kontrolu kvality ovzduší v1.1 je pokročilé, energeticky úsporné zařízení určené pro monitorování kvality ovzduší v různých prostředích. Integrované senzory SEN55 a SCD40 umožňují monitorování parametrů, jako jsou pevné částice (PM1.0, PM2.5, PM4, PM10), teplota, vlhkost, VOC a koncentrace CO2, což umožňuje přesné posouzení kvality ovzduší v jakékoli místnosti. Vestavěná baterie s kapacitou 600 mAh a obvod RTC s funkcemi spánku a probuzení zajišťují dlouhodobé používání s minimální spotřebou energie.

Sada pro kontrolu kvality ovzduší v1.1 dokáže sledovat hladiny pevných částic (PM1.0, PM2.5, PM4, PM10) a monitorovat proměnné, jako je vlhkost, teplota a přítomnost těkavých organických sloučenin (VOC). Senzor SCD40 je zodpovědný za přesné měření koncentrace oxidu uhličitého (CO2) ve vzduchu. To umožňuje zařízení Air Quality Kit v1.1 nejen monitorovat částice a plynné znečišťující látky, ale také nepřetržitě monitorovat hladiny CO2, což je obzvláště důležité v uzavřených prostorách.

Sada pro kontrolu kvality ovzduší v1.1 je plně kompatibilní s oblíbenými programovacími prostředími, jako jsou Arduino IDE , UiFlow2 , ESP-IDF a PlatformIO , což umožňuje flexibilní konfiguraci a přizpůsobení zařízení individuálním potřebám. Zařízení navíc podporuje vývoj aplikací pomocí knihoven M5Unified a M5GFX.

tags: #arduino #měření #ovzduší #senzory

Oblíbené příspěvky:

• Koše na odpadky do auta: Recenze
• Ekologické pěstování máku
• Obnovitelná energie v ČR
• Co je Kontrola Směsného Odpadu?
• Podmínky vjezdu do měst