Czujnik jakości powietrza

[SOYER]

Witam, z powodu nadejścia sezonu grzewczego postanowiłem wreszcie zaimplementować do swojego projektu jakiś czujnik jakości powietrza. Tu moja prośba do Was o pomoc w doborze odpowiedniego czujnika. Najchętniej ze sklepu Botland : https://botland.com.pl/pl/768-czujniki-czystosci-powietrza. Potraficie czytać noty katalogowe, wiecie na co zwrócić uwagę. Będzie podpięty do arduino MEGA 2560. Chciałbym znać stężenia PM 2,5 i  PM 10. Żebym dał radę z Waszą pomocą oprogramować. Kiedyś marek1707 wspominał, że instalował już kilka takich urządzeń. Czym np. rożni się ten: https://botland.com.pl/pl/czujniki-czystosci-powietrza/8332-laserowy-czujnik-pylu-czystosci-powietrza-pm25-sds018-5v-uartpwm.html od tego: https://botland.com.pl/pl/czujniki-czystosci-powietrza/6797-czujnik-pylu-czystosci-powietrza-pm25-pms5003-5v-uart.html???? Z góry dziękuję za wszelkie sugestie.

[marek1707]

Trochę późnawo bo sezon smogowy zaczął się miesiąc temu, ale zawsze jest coś pilniejszego, wiadomo, lepiej późno niż później...

Nie używałem tego sds-a, więc tylko z jego specyfikacji:

- zasilania są podobne, oba wymagają  5VDC

- sds pobiera mniej prądu bo 60mA w stosunku do 100mA w przypadku pms-a

- oba mają interfejsy cyfrowe 3.3V

- sds ma drugi komplet wyjść w standardzie PWM więc w zasadzie można nie marnować UARTa procesorowego na odczyt danych - może to mieć znaczenie w przypadku małych procków, choć ja używając typowego ATmega328 zrobiłem programowy UART bo prędkości 9600 są bez problemu osiągane tymi metodami

- pms ma trzy przedziały zliczania wielkości cząstek i jest to ważne, bo właśnie te w okolicach 1um i mniejsze są najbardziej rakotwórcze i najłatwiej wnikają w nas, z drugiej strony bardzo dobra korelacja wyników we wszystkich trzech przedziałach (obserwowana u mnie i wytykana w literaturze) wskazuje na  słabość metody pomiarowej i to odróżnianie wielkości jest chyba chwytem propagandowym, ciekawe jak jest w przypadku sds

- oba czujniki stosują tę samą metodę, mają podobną konstrukcję i kosztują mniej więcej tyle samo więc raczej wielkich różnic bym się nie spodziewał, kluczowy jest brak przepływomierza przez co czujnik tak naprawdę "nie wie" ile powietrza zmierzył a wyniki końcowe są normalizowane do objętości 1 litra lub 1m³ tylko na podstawie spodziewanej wydajności wiatraczka - gdy ten pada jakość powietrza rośnie bo czujnik widzi coraz mniej syfów, w obu problemem jest też wilgotność >80% bo w okolicach punktu rosy oba zaczynają zliczać mikroskopijne kropelki wody jako cząstki smogu, moim zdaniem instalowanie tego czujnika na zewnątrz bez ogrzewanego kanału dolotowego mija się z celem szczególnie teraz, na jesieni, kiedy to RH=100% jest właściwie każdego wieczora

Nie wiem czy Ci pomogłem, bo to raczej marudzenie, ale daj znać w razie jakichś pytań.

Abstrahując do narzekań, czujnik taki świetnie sprawdza się także w domu, w warunkach pokojowych. Od razu widać jak rosną wartości po większych operacjach w szafach ubraniowych czy po smażeniu placków itp. Palenie papierosów to już masakra - mój zewnętrzny wyraźnie pokazuje kiedy sąsiad z dołu wychodził na balkon na dymka... Natomiast, o dziwo mój nowy odkurzacz potrafi nawet delikatnie zmniejszyć(!) zapylenie mieszkania podczas swojej pracy. Warto rysować wykresy z pomiarów, bo wtedy widać dłuższe trendy. No i przy okazji polecam wszystkim mieszczuchom oczyszczasz powietrza. Też myślałem, że w centrum dużego miasta nie ma już gdzie uciekać gdy na zewnątrz robi się >100 a tu (pierwszy sezon) niepozorna i cicha maszynka zjada w ciągu godziny od "wywietrzenia" zapylenie do wartości jednocyfrowych. Oczywiście okna muszą być wtedy zamknięte, ale chyba do tego powinniśmy się powoli przyzwyczajać..

[SOYER]

Ciekawa kwestia z tymi odczytami przy wilgotności pow. 80%. Jak proponujesz to rozwiązać?  Mam kilka grzałek z obudów kamer cctv ,  może je jakoś wykorzystać...  Bo inaczej instalowanie tych czujników na zewnątrz mija się z celem. Pisałeś coś o ogrzewanym kanale dolotowym, jak byś to widział praktycznie? 

Który zamówić? 

[marek1707]

To jest problem prostego i taniego czujnika, który próbujesz poprawić domowymi metodami. Popatrz: pomiar wygląda w ten sposób, że powietrze zassane dzięki wiatraczkowi przepływa przez komorę pomiarową  a promień z diody laserowej rozprasza się na aerozolu (zawiesinie pyłów w powietrzu) dając impulsy z fotodiody odbiorczej. Większy impuls to domniemanie większej cząstki, słabszy to mniejsza. Impulsy segregowane wg amplitudy są wrzucane do trzech przedziałów i inkrementują trzy osobne liczniki, których wartości po przejściu przez jakąś matematykę dostajesz co ok. sekundę przez UART. Obliczenia w czujniku mają na celu standaryzację objętości, bo miarodajne wyniki muszą odnosić się do pewnej przyjętej za wielkość porównawczą ilości powietrza. Jeżeli profesjonalne stacje podają wyniki w ug/dm³ to ten też powinien, chociaż zasysa co sekundę tylko np. 0.238dm³ - która to objętość wynika z użytego wiatraczka i szerokości kanałów. No i teraz, skoro czujnik nie ma przepływomierza to zakłada, że wszystko z ciągiem jest OK tak jak było w komorze laboratoryjnej w fabryce. To Ty musisz zapewnić przez sposób montażu, by warunki w Twojej instalacji były takie same jak na stanowisku u producenta . Każdy dodatkowy opór, zwężenie kanału, ostre załamania rurek czy choćby wiatr zaburzający ilość przepłyniętego w czasie sekundy powietrza wpływa na wyniki, bo czujnik zawsze przelicza liczbę impulsów wg objętości przepływu, którą założono na etapie produkcji. Zauważ, że tak samo rodzaj zanieczyszczeń nie ma znaczenia. To tego nie widzi i nie analizuje i dlatego to nie jest metoda uznawana za godną uwagi w profesjonalnych stacjach klimatycznych. Zwykła mgła może być wg tej metody równie groźna co smog w centrum Pekinu. Z kolei jedyny sposób pomiaru rzeczywistej masy pyłów zawieszonych jest tak prymitywny i niepraktyczny, że nie sposób tego zrobić amatorsko w urządzeniu mniejszym niż.. szafa.

No i teraz jeśli to rozumiesz a chcesz wprowadzać poprawki do procesu, to musisz zadbać o jak najmniejsze zmiany w przepływie aerodynamicznym toru pomiarowego. To oznacza, że kanał dolotowy gdzie trzeba wprowadzić ogrzewanie musi być krótki i szeroki, ale jednocześnie zapewniający podniesienie temperatury do progu sporo powyżej punktu rosy. Możesz zrobić pomiar wilgotności na wejściu lub wyjściu czujnika by tak sterować opornikami/grzałkami aby nigdy nie spadała ona poniżej tych 80%. To oczywiście granica umowna, ale na jednym z wykładów o smogu (warszawski Festiwal Nauki) widziałem wykres z badań dokładnie tych czujników, gdzie błąd pomiarowy leciał w kosmos właśnie w okolicach 70-80% RH. Przy 90%+ miałeś już np. 10-krotność rzeczywistego smogu co w zasadzie wyklucza to urządzenie z pracy (bez wsparcia grzałek) na zewnątrz. Kanał nie może być jednak zbyt krótki, bo ogrzane powietrze musi mieć czas na wymieszanie się i odparowanie tych mikrych kropelek wiszącej wody zanim trafi do komory pomiarowej. W eksperymentach można wesprzeć się dodatkowym wiatraczkiem takim, by skompensował dodatkowe opory nowej rury z grzałkami. Testy można prowadzić objawowo: ten sam (bo jednak mają rozrzuty, choć niewielkie) czujnik przekładasz raz do nowej instalacji a raz mierzysz go jako samodzielny klocek w tych samych warunkach zanieczyszczeń w wilgotności rzędu 30-40% RH. Jeżeli wyniki są zbieżne (ani mniejsze - za słaby ciąg, ani większe - za mocne wsparcie drugiego wiatraka) to jest szansa, że utrzymałeś przepływ na niezmienionym poziomie i kalibracja fabryczna wciąż obowiązuje.

W pokoju działa to oczywiście dobrze bez żadnej dodatkowej magii, choć z powodu wilgotności nie powinieneś instalować tych czujników  np. w kuchni czy łazience. Najlepsze miejsce to na wysokości 1-1.5m gdzieś w sporym pokoju.

[SOYER]

Piękny wykład. Dzięki. Muszę pomyśleć jak to ugryźć... Gdzie zamontować i jak. Może najlepiej byłoby zrobić taki bufor, pojemnik z czujnikiem,  umieszczony w ogrzewanym pomieszczeniu, do którego co jakiś czas np 15 min wdmuchujemy powietrze, a po następnych 15 jak się nagrzeje, ew. wspomożone grzałką włączmy pomiar, a po pomiarze znowu wymiana powietrza i czekamy...

[marek1707]

Zasysanie powietrza z zewnątrz do komory umieszczonej w pokoju to moim zdaniem dobry pomysł. O ile pamiętam, drobinki w klasie PM1.0 i PM2.5 praktycznie nie opadają w powietrzu w ogóle a te PM10 to jakieś godziny na metr, powinno więc się udać. Rurka wystawiona na zewnątrz, potem jakieś pudełko z czujnikiem w środku i wylot już wszystko jedno gdzie, chyba lepiej z powrotem na zewnątrz żeby nie zrobić stałego przeciągu w którąś stronę. Uruchamiasz wiatrak, nabierasz nową porcję powietrza, wyłączasz by w komorze pomiarowej nie było przepływu i po kilku minutach odpalasz pomiar. Jeżeli czujnik będzie włączony ciągle, to on co ok. sekundę oddaje nową ramkę z danymi. Ja tak nie robię, bo moje urządzenia są bateryjne a 100mA ciągłego poboru wymagałoby akumulatora wielkości cegły by nie latać co chwila do ładowarki. W małej obudowie mam dwa ogniwa 18650 równolegle co daje łącznie 5Ah a czujnik włączam co 2 minuty na ok. 10 sekund. Takie coś działa bezobsługowo przez miesiąc na balkonie i przez radio przysyła mi dane o PM, RH i temperaturze. Mając w pomieszczeniu zasilanie sieciowe odpada problem wyłączania - wtedy wystarczy poczekać aż powietrze w komorze ogrzeje się trochę i wtedy zacząć zapamiętywać dane. Ja uśredniam z 4 albo 8 kolejnych ramek. Dla ciekawości można do komory wstawić pomiar temperatury i zobaczyć jaka jest stała czasowa grzania a potem to już tylko opóźnienie stałe zrobić. Wiatraczek to chyba lepiej dać na wylocie, by nie pracował bezpośrednio w zimnym i wilgotnym powietrzu z zewnątrz. Zawsze to trochę mu lepiej będzie. Daj znać jak zaczniesz coś konstruować.

[SOYER]

Ok, dzięki za zatwierdzenia mojej myśli konstruktorskiej:-) Tak zrobię. Przy okazji zamówię chyba nodeMCU, zobaczę co to i spróbuję połączyć z czujnikiem i arduino poprzez w-fi. Chyba da radę. Warto dopłacać do tej podstawki pod nodeMCU dostępnej na botlandzie? Jaki zasilacz do node? Może nie nodeMCU, tylko coś innego polecasz? Od bidy dałoby radę do podpiąć przewodami, zawsze pewniejsze, tylko, że na pewno miałyby nie mniej niż 15-20mb. Do tego jeszcze jeden dht22 do kontroli parametrów powietrza przed pomiarem, może nawet uzależnić zalączenie pomiaru pyłów od pomiarów dht22, tzn poniżej 70%RH... 

Poproszę też o pomoc w napisaniu kodu, żeby działało tak jak piszesz kilka pierwszych wyników out i dopiero następne miarodajne ok.

36 minut temu, marek1707 napisał:

O ile pamiętam, drobinki w klasie PM1.0 i PM2.5 praktycznie nie opadają w powietrzu w ogóle a te PM10 to jakieś godziny na metr,

Cenna informcja, trochę się właśnie obawiałem czy taki zastój nie zakłóci wyników...

Który wziąć ten czujnik?

Edytowano Listopad 21, 2018 przez SOYER

[marek1707]

Z tym zatwierdzaniem to nie przesadzaj, chętnie czytam o ciekawych pomysłach a ten z komorą ogrzewaną w pokoju "za darmo" (znaczy bez prądu) jest naprawdę niezły. Ja właśnie nawijam drut oporowy na kształtkę z laminatu i robię grzałkę do rurki PCV, którą może jeszcze dzisiaj podmontuję do mojego czujnika na balkonie. Oporniki jakoś mi nie pasowały, bo tam grzeje się cała objętość elementu a w czasie krótkiego włączenia zależy mi by całe ciepło szło w przepływające powietrze. Wczoraj wieczorem zrobiłem kilka prostych obliczeń:

Ciepło właściwe powietrza: 2020 J/kg*K

Gęstość powietrza w typowych warunkach: 1.225kg/m³

Moja nowa rurka dolotowa  ma fi 20mm x 20cm, czyli zawiera prawie 63cm³ powietrza -> 77mg gazu.

Jeśli założymy szybki proces adiabatyczny (bez wymiany ciepła z otoczeniem) to grzałka 1W działająca przez 1 sekundę (czyli dostarczony 1J energii) ogrzeje moje powietrze o ok. 6.5 stopnia. To oczywiście w warunkach nieruchomego powietrza w rurce, Teraz muszę sprawdzić jaki ciąg ma czujnik tj. ile takich "rurek" wciąga podczas 10 sekundowej pracy. W każdym razie jest to jakiś punkt startowy do oszacowania mocy przy jakiejś żądanej różnicy temperatur i objętości przepływu.

BTW: Ma ktoś pomysł jak to sprawdzić? Nie mogę czujnikiem nadmuchiwać żadnych baloników itp bo nie  mogę zmienić warunków przepływu, każda przeszkoda to dodatkowa różnica ciśnienia i zmiana ilości powietrza. Wiatraczek w czujniku ma ok. 25mm średnicy, jest cichy jak mysz - słyszę go tylko gdy przytykam do niego ucho a ruch powietrza jest ledwo wyczuwalny nawet na twarzy. Już zaczynam myśleć o jakimś dymie, który zassany z pudełka stopniowo wypełni jakieś szklane, otwarte naczynie? Liczę na was 

EDIT: Który czujnik? Ja mogę pisać tylko o tym niebieskim bo je mam i używam. O różnicach i podobieństwach napisałem. Jeśli nie możesz się zdecydować, rzuć monetą.

Edytowano Listopad 22, 2018 przez marek1707

[SOYER]

Zrób jakiś wiatraczek na enkoderze i zmierz prędkość tego zasysanego powietrza....

[marek1707]

Rozumiem, że chodzi o umieszczenie wentylatora osiowego z bardzo małymi oporami łożysk w rurce przyłożonej do wiatraczka w czujniku? A jaka jest zależność prędkości przepływu gazu od obrotów dla danego typu śmigiełka? Hm, może to niezłe?. Mógłbym to wyskalować np. na rowerze, choć mówimy tu o prędkościach pewnie w granicach pojedynczych cm/s - może być trudno. To już lepiej w pokoju na biurku przy długiej linijce. Spróbuję wieczorem zmajstrować takie leciutkie śmigiełko i posadzić je na osi z igły łożyskowanej w dwóch zagłębionych blaszkach.

[SOYER]

Albo, jeśli masz jakiś dym, dłuższą rurkę przeźroczystą o średnicy wentlatora w czujniku, to wpuść dym, nagraj filmik z przrsuwającym się dymem i poznasz prędkość. Niektóre telefony już potrafią robić filmy 60-120fps. Jak prędkość jest mała to zwykły filmik wystarczy. 

[SOYER]

Jakby ktoś potrzebował czujnik jakaści powietrza to jest "czarny piątek" na BOTLANDZIE, czujnik przeceniony z 149 na 89. Zamówienie poszło. Dziękuję ci Botland :-))

Chciałem jeszcze wziąć kurs budowy robotów, ale słabo się postarali, może na święta będzie lepiej;-)

Edytowano Listopad 23, 2018 przez SOYER

[marek1707]

No to chyba sprawa wyboru czujnika jest wyjaśniona. Pamiętaj, że tam jest kabelek mający z dwóch stron identyczne wtyczki z rastrem metrycznym 1.25mm. Jedna oczywiście pasuje do czujnika, ale gniazdko na PCB musisz zrobić sam. Na moich płytkach mam takie:

https://www.tme.eu/pl/details/mx-53047-0810/zlacza-sygnalowe-raster-125mm/molex/53047-0810/

Innym wyjściem jest ucięcie tej drugiej wtyczki i zarobienie tam normalnego złącza szpilkowego w rastrze 100mils lub wręcz dolutowanie osobnych pinów (wystarczą 4 kable: zasilanie + UART) albo nawet wlutowanie przewodów prosto w płytkę. Układ pozostanie rozłączalny, bo można wypiąć przewód przy czujniku.

[SOYER]

Z kabelkami sobie chyba poradzę, gorzej z kodem. Są jakieś sprawdzone biblioteki do tego czujnika?

Co do nodeMCU, jak tam podepnę usb z komputera do programowania, to jest też z tego zasilany, tak jak arduino, czy od razu muszę podpiąć osobne zasilanie??

[marek1707]

Napisałem własny kod obsługujący ten czujnik w jeden wieczór. Ramka odbieranych danych jest prosta, to samo z wysyłaniem komend. Mi zależało na poborze mocy (bateria) więc całość musiała pracować na przerwaniach a w międzyczasie procesor spał w IDLE. Automat interpretujący protokół także wykonuje się w ten sposób a ponieważ bajty przychodzą z UARTa dość rzadko (jak na prędkość CPU) to w czasie odbioru i analizy ramki mam wypełnienie pewnie z 1%. W sumie to i tak trochę sztuka dla sztuki, bo czujnik pobiera 100mA a ja oszczędzam może z 8 na procesorze, ale zawsze to coś.

Na pewno są jakieś normalne biblioteki, wpisz po prostu "PMS5003 Arduino" a na pewno coś się znajdzie - przynajmniej jako punkt startowy do rozwoju własnych funkcji.