Устройство для мониторинга CO2 в помещении

Устройство для мониторинга CO2 в помещении

Устройство для мониторинга CO2 в помещении

Устройство для мониторинга CO2 в помещении

В этой статье мастер-самодельщик предлагает рассмотреть портативное, автономное и простое в использовании устройство с открытым исходным кодом для мониторинга и записи концентрации CO2 в воздухе в режиме реального времени.
В этой статье мастер попытается решить проблему, которая одновременно простая и сложна: эффективная сигнализация о необходимости вентиляции закрытых пространств, заполненных людьми. SARS-CoV2, вирус, ответственный за Covid19, считается вирусом, передающимся по воздуху, распространяющимся (среди прочего) через респираторные аэрозоли (микроскопические капли, которые выделяются как нормальный побочный продукт дыхания). На открытом воздухе или в основном на открытых пространствах лучшая стратегия борьбы с воздушным заражением – дистанция. В закрытых помещениях респираторные аэрозоли могут перемещаться на большие расстояния и равномерно рассеиваться по всему помещению, если им дать достаточно для этого времени. В таких условиях дистанцирование теряет часть своей эффективности, а пригодный для дыхания воздух во всем помещении рискует стать переносчиком заражения. В принципе, решить эту проблему легко: хорошая вентиляция закрытых помещений решает проблему. Однако проблема усложняется отсутствием очевидных показателей, на которые можно положиться, чтобы выбрать лучшую стратегию вентиляции: для данного количества людей в данном закрытом помещении, как часто следует открывать окна или двери, и на какой срок.
Мастер предлагает использовать мониторинг CO2 в качестве маркера для количественного измерения того, сколько пригодного для дыхания воздуха в помещении потенциально заражено респираторными аэрозолями.
Инструменты и материалы:
-Детектор датчика CO2;
-Adafruit Feather 328P или любой аналогичный Arduino-совместимый микроконтроллер (Feather M0, M4, 32u4);
-Adafruit Featherwing Adalogger или любая отдельная SD-карта SPI и плата I2C RTC;
-OLED-экран I2C 128×32;
-Штыревые разъемы;
-Карта Micro-SD;
-Светодиод RGB 5 мм (с общим катодом);
-Резистор 120 Ом;
-Power Bank (емкостью от 1500 мАч);
– USB A – Micro-USB;
-Батарея CR1220;
-Провода;
-Термоусадочные трубки;
-Подходящая пластиковая коробка;
Шаг первый: теория и немного о комплектующих
Попытка непосредственно обнаружить микроскопические капли, ответственные за загрязнение воздуха, хотя технически осуществима, оказалась бы очень сложной и дорогой в обычных повседневных условиях. Однако, учитывая, что указанные аэрозоли являются прямым побочным продуктом дыхания людей, находящихся в комнате, их можно косвенно контролировать с помощью другого естественного продукта дыхания: диоксида углерода. Путем дозирования углекислого газа в комнате, где живут люди, и сравнения этого измерения с фоновой концентрацией СО2 в атмосфере (обычно около 400 частей на миллион в среднем) можно получить прямую оценку того, сколько воздуха «выдохнули» обитатели. На основе этого измерения можно затем контролировать вентиляцию, обеспечивая более безопасное нахождения людей в закрытых помещениях.
Указанный в материалах микроконтроллер Feather 328P является эквивалентом платы Arduino, адаптированной к форм-фактору Feather и работающей от логического напряжения 3,3 В. Если размер не является проблемой (например, для фиксированных устройств), его можно заменить любой базовой платой Arduino. Требование к любой заменяющей плате для этого проекта состоит в том, чтобы выбранный микроконтроллер мог обмениваться данными с периферийными устройствами как через SPI, так и через I2C, а также иметь, по крайней мере, один аналоговый входной вывод, связанный с АЦП (в идеале с диапазоном более 2 В).
Вместо указанной здесь модели 328P можно использовать любое Arduino-совместимое устройство Feather, например, плату Feather M0, плату M4 или 32u4 или любую другую модель. .
Featherwings – это эквивалент платы расширения Arduino.
Featherwing OLED – это OLED-экран, который взаимодействует через I2C. Интересной особенностью рекомендованной здесь конкретной модели является наличие трех кнопок (A, B и C), которые здесь используются для взаимодействия с интерфейсом устройства. При необходимости их можно легко заменить независимыми кнопками.
Featherwing Adalogger представляет собой комбинацию I2C RTC и устройства чтения SD-карт SPI. Он используется здесь для записи измерений и соответствующих им времени и даты.
Блок питания можно заменить зарядным устройством для телефона с разъемом Micro-USB любого типа, если устройство используется в качестве стационарного устройства, подключенного к розетке. Обратите внимание, что блоки питания USB обычно поставляются с собственным кабелем USB A – Micro-USB. В большинстве случаев такие кабели аккумулятора имеют только провода питания и не могут использоваться для программирования или передачи данных.
Шаг второй: подготовка микроконтроллера
Самая первая задача – установить разъемы на микроконтроллер и две платы расширения. Затем, печатные платы можно расположить друг над другом или разместить на макетной плате.
Разъемы устанавливаются путем пайки их в соответствующие монтажные отверстия на каждой плате.

Устройство для мониторинга CO2 в помещении

Устройство для мониторинга CO2 в помещении

Устройство для мониторинга CO2 в помещении

Шаг третий: загрузка кода и тестирование плат
Теперь, когда платы смонтированы, нужно подключить разъем Micro-USB микроконтроллера к компьютеру с помощью кабеля USB A-Micro-USB.
Adalogger Featherwing выполняет две функции: он управляет картой micro-SD и отслеживает время с помощью часов реального времени (RTC). Перед загрузкой кода на плату Feather нужно установить текущее время. Это нужно сделать только один раз в течение срока службы батареи. Для этой операции нужно установить новую батарею в Adalogger Featherwing, а затем загрузить и запустить определенный код на плате Feather. Рассматриваемый код можно найти в примерах в Arduino IDE в меню RTClib. Он носит имя используемого RTC, в данном случае – pcf8523. Время будет синхронизировано со временем компьютера.
После инициализации RTC можно загрузить рабочий код на плату Feather.
Предлагаемый здесь код написан для IDE Arduino. Язык IDE Arduino является производным от C / C ++. Код хорошо прокомментирован. Он основан на следующих библиотеках, которые нужно сначала импортировать в IDE Arduino с помощью Менеджера библиотек:
SPI
SD
Wire
RTClib
Adafruit_GFX
Adafruit_SSD1306
Код можно скачать репозитория GitHub.
Структура кода проста:
При включении устройства начинается двухминутная фаза предварительного нагрева, во время которой светодиод светится, синим цветом.
Файл, в котором записаны уровни CO2, создается на карте micro-SD. Имя файла автоматически создается при загрузке как LOG *****. TXT, где ***** – уникальный 5-значный индексный номер, увеличивающийся со временем. Такая индексация номеров упрощает упорядочивание файлов по времени и защищает систему от непреднамеренной перезаписи старых файлов при перезагрузке устройства.
Затем начинается нормальный рабочий цикл, в котором измерение концентрации CO2 производится каждые две секунды. После серии из пяти таких измерений расчетное значение концентрации CO2 вычисляется как среднее из предыдущих пяти значений. Затем он записывается на карту micro-SD вместе с датой и временем и аналогичным образом отображается на OLED-экране.
Отображаемая концентрация CO2 сравнивается с пороговым значением, заданным пользователем. Если он превышает пороговое значение, светодиод становится красным, в противном случае он становится зеленым.
Затем снова начинается новый цикл измерения.
Между двумя измерениями код проверяет, нажата ли кнопка A. Если нажата, на дисплее появляется меню, с помощью которого пользователь может увеличивать или уменьшать выбранный порог с шагом ± 250 ppm, используя кнопки B и C. Пороговое значение по умолчанию установлено на уровне 1000 ppm, в соответствии с рекомендациями нескольких международных организаций здравоохранения.

Устройство для мониторинга CO2 в помещении

Шаг четвертый: схема сборки
Схема достаточно проста. Платы, как говорилось ранее, устанавливаются друг над другом, светодиод и датчик CO2 подключаются проводами.
Светодиод подключается к контактам цифрового ввода / вывода 13 (R), 12 (B) и 11 (G), а его общий катод к земле. Можно выбрать и другие выводы, но этот конкретный выбор был мотивирован необходимостью избегать использования вывода 10, который уже влияет на аппаратную связь SPI между микроконтроллером и платой Adalogger. Кроме того, на платах Feather (и на большинстве плат Adafruit) контакт № 13 подключен к отладочному красному светодиоду SMD, установленном на самой плате. При данном выборе подключения красный канал внешнего светодиода RGB всегда имитирует красный светодиод платы, что удобно для целей отладки.
Датчик CO2 представляет собой инфракрасный датчик NDIR CO2 производства Gravity. На рынке существует несколько других моделей, хотя большинство из них дороже. Эта конкретная модель обеспечивает аналоговый выход с напряжением от 0 до 2В. Выход подключается к контакту A2 на плате. Данный вывод используется еще как аналоговый вход, и инструкция в коде активирует его 12-битное разрешение АЦП (по сравнению с 10-битным АЦП классической Arduino). Провода питания датчика подключаются к контактам USB и заземления платы Feather соответственно.
Для питания устройства можно использовать адаптер питания 5В или повербанк. После тестов мастер установил, что аккумулятор на 2000 мАч позволяет устройству работать непрерывно чуть более 24 часов.
Поскольку основная плата и платы расширения уложены друг на друга, к контактам на плате нет прямого доступа для пайки проводов. Есть несколько способов обойти это.
Если на плату Feather (как на фотографии) были установлены длинные гнездовые разъемы, то соединения можно легко припаять к той части контактов, которая выступает из нижней части платы.
Второй вариант, плату Feather можно припаять к небольшой перфорированной плате, на которую затем можно легко припаять другие провода.

Устройство для мониторинга CO2 в помещении

Устройство для мониторинга CO2 в помещении

Устройство для мониторинга CO2 в помещении

Шаг пятый: корпус
После того, как все подключено, остается только найти коробку подходящего размера, проделать в ней отверстия, где это необходимо, и, наконец, закрепить все электронные компоненты и блок питания.
Устройства монитора CO2 готово.

Устройство для мониторинга CO2 в помещении

Устройство для мониторинга CO2 в помещении

Устройство для мониторинга CO2 в помещении

Устройство, изготовленное в этом проекте небольшое и компактное. Одной из причин этого является то, что устройство CO2 предназначено для портативного применения. Устройство легко переместить из одного помещения в другое. Закрепление магнитов на тыльной стороне корпуса, позволит закрепить его на любой металлической поверхности. Обычно рекомендуется размещать комнатные датчики CO2 на высоте от 1 до 1,5 метров, вдали от дверей и окон.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *


вернуться наверх
Adblock
detector