二酸化炭素濃度監視
2023.12.25
YouTube でも紹介しています。画像をクリックすると再生できます。
大寒波が襲来している中、石油ストーブの使用も長時間になりがちです。
そこで気になるのが酸欠です。室内の二酸化炭素濃度を監視して適度に換気するようにしましょう。
今回は室内の二酸化炭素濃度を測定・表示するとともに、基準値を超えた際にはメロディーを鳴らして通知することにしました。
厚生労働省・建築物環境衛生管理基準によると、二酸化炭素の含有率は1000ppm以下、室内温度18℃以上28℃以下、相対湿度40％以上70％以下とされています。
厚生労働省 - 空気環境の調整
●CCS811搭載 空気品質センサモジュール
二酸化炭素相当物（eCO2） および金属酸化物（MOX）レベルを含む、総揮発性有機化合物（TVOC）を感知するデジタルガスセンサモジュールです。TVOCは、一般に汚染物質や刺激物として分類され、建設資材（ペンキ塗料、カーペット等）などや、コピー機や加工機械、またはヒト（呼気やタバコ等）からも発生します。
CCS811搭載 空気品質センサモジュール
データシート（CCS811）
Arduinoライブラリ
CCS811センサ補足
※センサは初期値ではモード1に設定してあり、1秒毎に空気品質を測定しています。
SparkFunCCS811.cpp
314:returnError = setDriveMode(1); //Read every second
※データシートによると、モードを設定、変更してから測定値が安定するまで20分かかります。
※さらに、最初に48時間のエージングが推奨されており、設置してから測定値が安定するまでに48時間かかるとのことです。
●WeMos D1 Mini V3.0
MCUに80MHzのESP-8266EX、4MBのSPI FLASH、80KBのRAM、オンボードWiFiと非常にコスパに優れていて、日本ではあまり知られていませんが海外では人気のボードです。
空気品質センサモジュールから二酸化炭素濃度を取得して規定値を超えた際に警告音を鳴らすだけなら、ATTiny85のようなAVRマイコンでも構わないのですが、
今回は二酸化炭素濃度をOLEDに表示し、使用するフォント情報はFLASHに配置しているため、このボードを利用しました。
LOLIN D1 mini v3.1.0
●Melody Card
警告音にはメロディーカードに内蔵されているメロディICを使用しました。
ボタン電池駆動で独立した回路として実装できます。
DAISO メロディーカード 110円
メロディーカードの袋を破って中身を取り出しました。
圧電素子はアルミ製ではんだが載りづらいので、別途圧電サウンダを使いました。
プッシュボタンの代わりにフォトカプラを使用して、センサー回路と連携させます。
メロディーICが載った基板にヘッダーピンを半田付けして使います。
●圧電スピーカー（圧電サウンダ）PKHPS0013E4000-A2
メロディーカードの圧電素子はアルミ製ではんだ付けが難しいので、秋月電子で販売されている圧電スピーカーを用いました。
村田製作所独自の周波数コントロール技術により、小型サイズにも関わらず、従来の中～大型サイズのサウンダと同等の音圧レベルが達成できるため、音圧レベルを下げずに部品の小型化が可能になります。小型、高音圧により基板スペースの削減、聴き取りやすい音を実現しています。
・駆動方式：圧電型
・励磁：他励磁
・音圧レベル：83dBAmin(±1.5Vo-p、4.0kHz、矩形波、10cm)
・静電容量：6500pF
・最大入力：±15.0Vo-p
・寸法：Φ12.6mm×9.4mm
・高さ：9.4mm
●半固定ボリューム GF063P 10KΩ
メロディーカードの基板類は袋にはいっていて露出されていません。
そのため、スピーカーの音量も大きめになっています。
半固定抵抗で音量を調整します。
東京コスモス電機株式会社(Tocos)
マルチ接点ワイパーを採用し高性能、高信頼性を実現しています。シャフト径が大きく市販の調整ドライバが使用可能です。
・抵抗素子数：1
・取付方向：上面調整
・抵抗値：10kΩ
・許容誤差：±10%
・定格電力：0.5W(70℃)/0W(125℃)
・最高使用電圧：DC250Vまたは定格電力のいずれか小さい方
・回転角：250°(機械的回転角度)/220°(電気的回転角度)
●ER-OLEDM0.49-1W-I2C
0.49インチの小さなOLEDです。
ER-OLEDM0.49-1W-I2C is the graphic OLED display module,attached with breakout board,made of 64x32 individual white OLED pixels,diagonal is only 0.49 inch.The controller ic SSD1306, communicates via I2C serial interface,3.3V power supply,extremely wide viewing angle and extremely operating temperature.
ER-OLEDM0.49-1W-I2C
●フォトカプラ TLP785
・回路数：1回路
・入力方式：片方向
・出力方式：フォトトランジスタ
・2次耐圧：～80V
・出力電流：～50mA
・伝搬遅延H/L：3μs
・伝搬遅延L/H：3μs
・立ち上がり時間：2μs
・立ち下がり時間：3μs
・1次順電圧：1.15V
・1次順電流：～60mA
メロディーカード側との回路を電気的に絶縁したかったので、プッシュボタンの代わりにフォトカプラを使用しました。
●配線
配線はこんな感じになります。
| OLED | - |
CCS811 | - |
ESP8266 | - |
TLP785 | - |
Melody IC | - |
圧電素子 |
| | | | | D0 | - | 1::4 | - | 2 | | |
| GND | - | GND | - | GND | - | 2::3 | - | 1 | | |
| VCC | - | 3.3V | - | 3.3V | | | | 4 | - | (10K)-SPEAKER |
| SDA | - | SDA | - | SDA | | | | 3 | - | SPEAKER |
| SCL | - | SCL | - | SCL | | | | | | |
ソースコードのビルドには、PlatformIOを使用しています。
Arduino開発環境構築 PlatformIO
ボード情報をみてみます。
$ pio boards 'WeMos D1'
Platform: espressif8266
===============================================================
ID MCU Frequency Flash RAM Name
------------ ------- --------- ----- ---- ---------------------
d1 ESP8266 80MHz 4MB 80KB WEMOS D1 R1
d1_wroom_02 ESP8266 80MHz 2MB 80KB WeMos D1 ESP-WROOM-02
d1_mini ESP8266 80MHz 4MB 80KB WeMos D1 R2 and mini
d1_mini_lite ESP8266 80MHz 1MB 80KB WeMos D1 mini Lite
d1_mini_pro ESP8266 80MHz 16MB 80KB WeMos D1 mini Pro
プロジェクトの作成
$ mkdir -p ~/WeMosD1Mini/CCS811
$ cd ~/WeMosD1Mini/CCS811
$ pio init -b d1_mini
●プログラム概要
・プログラムでは10秒に1度,CCS811センサから値を読み取っています。
・二酸化炭素濃度の測定値が2000ppmを超えた状態が1分以上続いた場合、メロディーを奏で警告します。
・警告5分後にも2000ppmを超えている場合は再度メロディーを流します。
・1時間ごとにCCS811センサモジュールをリフレッシュする。(※1)
※1：長時間動作させていると、二酸化炭素濃度の測定値が異常に高くなる現象が観測されました。
そこで一定時間間隔で初期処理を呼び出すようにしました。
●ソースコード (2023.12.27更新)
二酸化炭素濃度監視ソースコード
●Adafruit SGP30 Air Quality Sensor Breakout - VOC and eCO2 - STEMMA QT / Qwiic
CCS811は測定値が安定しないだけでなく、無人の部屋に置いておいても、突然数千の値がでる症状が発生しました。
そこで、Adafruit SGP30 に切り替えて運用しています。
SGP30は、CO2そのものを測定するセンサではなく、室内のAir Quality(空気の質)を測定するために開発されたデバイスです。測定対象は、空気中のエタノールとH2(水素)ですが、そこからTVOC (Total Volatile Organic Compounds：総揮発性有機化合物量)とCO2eq(CO2 equivalent：等価二酸化炭素量)を算出し出力します(CO2eqは、eCO2とも表現されます)。
CO2濃度そのものを測定したい場合は、SCD30、SCD41といったCO2測定専用のセンサを用います。
CO2eqセンサ SGP30で作る環境チェッカ
Adafruit SGP30 Air Quality Sensor Breakout - VOC and eCO2 - STEMMA QT / Qwiic
adafruit/Adafruit_SGP30
●参考文献
・自宅作業環境の二酸化炭素濃度をM5Stack＋CCS811で計測してみた
・AmbientでIoTをはじめよう
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