Monitor warunków atmosferycznych i jakości powietrza obszaru roboczego.

[crbjsfso]

1. Wprowadzenie

Podczas hobbystycznego majsterkowania może zdarzyć się, że zajdzie potrzeba zmierzenia, jakie dokładnie warunki atmosferyczne, czy jakość powietrza panuje w pomieszczeniu lub obszarze roboczym. Może być to na przykład "pojemnik" na drukarkę 3D, jak coś w stylu: Original Prusa i3 MK3 ENCLOSURE -Ikea Lack table - Prusa Research, IKEA Lack Enclosure Creality Ender 3 Compilation, IKEA LACK ENCLOSURE V1. Gdy chcemy sprawdzić jak bardzo nasza drukarka 3D nas truje, mimo, że możemy korzystać z pozornie bezpiecznego i biodegradowalnego PLA. Lub sprawdzić jaką temperaturę osiąga otoczenie podczas wielogodzinnej pracy i czy może to zagrażać elementom z tworzywa i konieczna jest dodatkowa wentylacja. Taki monitor może przydać się również do testów wydajności wyciągu lutowniczego, czyli urządzenia które powinno w sposób najlepiej całkowity odprowadzać z obszaru pracy szkodliwe opary.

Zaprezentowany układ będzie oparty na czujnikach BME280 i MQ-135, a nie jak można było się spodziewać na GP2Y1010AU0F, czy też HM3301, lub czymś z rodziny PMS, jak PMS7003, PMS5003ST czy PMS3003.

2. Projekt i schemat

Projekt będzie bazował na płytce deweloperskie ESP32, co zapewni dostęp do danych przez interfejs sieciowy, ale zostanie również wyposażony w wyświetlacz OLED. Za pomiary warunków odpowiadają wcześniej wspomniane BME280 i MQ-135. Całości dopełnia dzielnik napięcia dla wejścia analogowego MQ-135. Producent układu deklaruje, iż układ można zasilać w przedziale od 2.5V do 5V, to w dokumentacji  widnieje jedynie wartość 5V jeśli chodzi o zasilanie czujnika i tego będziemy się trzymać. Komunikacja odbywa się po magistrali I2C. Całość zasilana jest napięciem 5V przy użyciu ładowarki impulsowej jakich pełno w naszych domach. Zasilanie można doprowadzić poprzez podwójny przewód microUSB lub pojedynczy i moduł z gniazdem microUSB. W drugim przypadku należy podać zasilanie na pin VIN o wartości od 7-12V poprzez przetwornicę Step-Up.

2.1. Schemat połączeń elektrycznych projektu.

3. Części i narzędzia

Aby wykonać projekt będą nam potrzebne następujące elementy:

• ESP32 WiFi + BT 4.2- platforma z modułem ESP-WROOM-32 zgodny z ESP32-DevKit - 1 sztuka.
• BME280 - czujnik wilgotności, temperatury oraz ciśnienia 110kPa I2C/SPI - 3,3V - 1 sztuka.
• Czujnik alkoholu, benzyny, amoniaku - MQ-135 - 1 sztuka.
• Wyświetlacz OLED niebieski graficzny 1,3'' 128x64px I2C v2 - białe znaki - 1 sztuka.
• moduł z gniazdem microUSB - 1 sztuka, opcjonalnie.
• Przewód microUSB - 1 lub 2 sztuki, opcjonalnie.
• Zasilacz impulsowy 5V min. 1A - 1 sztuka.
• Lutownica, cyna, przewody i inne niezbędne narzędzia. Tu według własnego uznania i umiejętności.

4. Oprogramowanie

Do ESP32 należy załadować kod z niewielką modyfikacją. Mianowicie w linii 17 i 18 należy wpisać nazwę swojej sieci i hasło:

const char *ssid = "nazwa_sieci_wifi";
const char *password = "haslo_sieci_wifi";

Zapewni on możliwość korzystania z interfejsu sieciowego w sieci lokalnej pod adresem 192.168.0.150. Oczywiście wszelkie informacje zostaną również wyświetlone na ekranie OLED.

KOD:

#include <WiFi.h>
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
#include <Adafruit_Sensor.h>
#include <Adafruit_BME280.h>

#define SCREEN_WIDTH 128
#define SCREEN_HEIGHT 64
#define mq135analogpin (4)

Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, -1);
Adafruit_BME280 bme;

int h1, p1, jp1;
float jp1v;
const char *ssid = "nazwa_sieci_wifi";
const char *password = "haslo_sieci_wifi";
String header;

WiFiServer server(80);

void setup()
{
  Serial.begin(115200);

  if (!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C))
  {
    Serial.println(F("Nie ma OLED!"));
    for (;;);
  }

  bool status = bme.begin(0x76);
  if (!status) {
    Serial.println("Nie ma BME280!");
    while (1);
  }

  Serial.print("Laczenie z siecia: ");
  Serial.println(ssid);

  IPAddress ip(192, 168, 0, 150);
  IPAddress gateway(192, 168, 0, 1);
  IPAddress subnet(255, 255, 255, 0);

  WiFi.config(ip, gateway, subnet);
  WiFi.begin(ssid, password);

  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED)
  {
    delay(100);
    Serial.print(".");
  }

  // Wyświetlanie przydzielonego adresu IP w sieci lokalnej i uruchomienie serwera WWW
  Serial.println("");
  Serial.println("WiFi podlaczone.");
  Serial.println("Adres IP: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());
  server.begin();

  delay(2000);
  display.clearDisplay();
  display.setTextColor(WHITE);
}

void loop()
{
  WiFiClient client = server.available();

  if (client)
  {
    Serial.println("Nowy klient.");
    String currentLine = "";
    while (client.connected())
    {
      if (client.available())
      {
        char c = client.read();
        Serial.write(c);
        header += c;
        if (c == '\n')
        {
          if (currentLine.length() == 0)
          {
            client.println("HTTP/1.1 200 OK");
            client.println("Content-type:text/html");
            client.println("Connection: close");
            client.println();
            client.println("<!DOCTYPE HTML>");
            client.println("<html lang=\"pl\">");
            client.println("<head>");
            client.println("<title>Monitor warunków pomieszczeniowych</title>");
            client.println("<meta charset=\"utf-8\">");
            client.println("<meta name=\"apple-mobile-web-app-capable\" content=\"yes\">");
            client.println("<meta name=\"apple-mobile-web-app-status-bar-style\" content=\"black\">");
            client.println("<meta name=\"robots\" content=\"none\">");
            client.println("<meta name=\"viewport\" content=\"width=device-width, initial-scale=1\">");
            client.println("<style>");
            client.println("body {background: #313236; font: bold 42px Verdana, sans-serif; color: #fff; text-align: center; padding: 0; margin: 60px 0;}");
            client.println("div {margin: 40px 0;}");
            client.println("span {font-size: 24px; color: #999;}");
            client.println("</style>");
            client.println("</head>");
            client.println("<body>");
            
            client.println("<div>");
            client.println("<span>TEMPERATURA</span><br>");
            client.println(bme.readTemperature(), 1);
            client.println(" °C<br><span>± 1 °C</span>");
            client.println("</div>");

            client.println("<div>");
            client.println("<span>WILGOTNOŚĆ</span><br>");
            h1 = round(bme.readHumidity());
            client.println(h1);
            client.println(" %<br><span>± 3 %</span>");
            client.println("</div>");

            client.println("<div>");
            client.println("<span>CIŚNIENIE</span><br>");
            p1 = round(bme.readPressure() / 100.0F);
            client.println(p1);
            client.println(" hPa<br><span>± 1 hPa</span>");
            client.println("</div>");

            client.println("<div>");
            client.println("<span>JAKOŚĆ POWIETRZA</span><br>");
            jp1 = analogRead(mq135analogpin);
            jp1v = (jp1/4095)*3;
            if (jp1v < 0.5)
            {
              client.println("DOBRA");
            } else {
              client.println("ZLA!");
            }
            client.println("</div>");

            client.println("</body>");
            client.println("</html>");
            client.println();
            break;
          }
          else
          {
            currentLine = "";
          }
        }
        else if (c != '\r')
        {
          currentLine += c;
        }
      }
    }
    header = "";
    client.stop();
    Serial.println("Klient rozlaczony.");
    Serial.println("");
  }

  display.clearDisplay();
  display.cp437(true);

  // temperatura
  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(0, 0);
  display.print("TEMPERATURA");

  display.setTextSize(3);
  display.setCursor(0, 24);
  display.print(String(bme.readTemperature(), 1));
  display.print(" ");
  display.setTextSize(2);
  display.write(248);
  display.setTextSize(3);
  display.print("C");

  display.setCursor(0, 50);
  display.setTextSize(1);
  display.write(241);
  display.print("1 ");
  display.write(248);
  display.print("C");

  display.display();
  delay(2000);
  display.clearDisplay();

  // wilgotnosc
  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(0, 0);
  display.print("WILGOTNOSC");

  display.setTextSize(3);
  display.setCursor(0, 24);
  h1 = round(bme.readHumidity());
  display.print(String(h1));
  display.print(" ");
  display.write(37);

  display.setCursor(0, 50);
  display.setTextSize(1);
  display.write(241);
  display.print("3 ");
  display.write(37);

  display.display();
  delay(2000);
  display.clearDisplay();

  // cisnienie
  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(0, 0);
  display.print("CISNIENIE");

  display.setTextSize(3);
  display.setCursor(0, 24);
  p1 = round(bme.readPressure() / 100.0F);
  display.print(String(p1));
  display.print(" ");
  display.setTextSize(2);
  display.print("hPa");

  display.setCursor(0, 50);
  display.setTextSize(1);
  display.write(241);
  display.print("1 ");
  display.print("hPa");

  display.display();
  delay(2000);
  display.clearDisplay();

  // jakosc powietrza
  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(0, 0);
  display.print("JAKOSC POWIETRZA");

  display.setTextSize(3);
  display.setCursor(0, 28);
  jp1 = analogRead(mq135analogpin);
  jp1v = (jp1/4095)*3;
  if (jp1v < 0.5)
  {
    display.print("DOBRA");
  } else {
    display.print("ZLA!");
  }

  display.display();
  delay(2000);
}

5. Efekt końcowy

Tak oto prezentuje się prototyp, efekt końcowy i interfejs sieciowy.

5.1. Pierwszy prototyp, jeszcze bez dzielnika napięcia i innych mniejszych zmian.

5.2. Gotowe urządzenie, prezentacje wszystkich wyników na ekranie OLED.

5.3. Zużycie energii elektrycznej podczas pracy urządzenia.

5.4. Interfejs sieciowy dostępny pod adresem 192.168.0.150

[Treker (Damian Szymański)]

@crbjsfso dzięki za opis kolejnego urządzenia 😉 Co to za finalna obudowa? Czy jest jakiś konkretny powód, dla którego czujniki są od siebie tak oddalone?

[crbjsfso]

@Treker Finalna obudowa została wykonana z arkuszy spienionego PCV w kolorze białym o grubości 3mm, łączenia dokonane klejem - cyjanoakrylem. Niestety nie byłem zadowolony z widocznych łączeń ścianek i na wierzch poszedł warstwa samoprzylepnego białego papieru z której też do końca nie jestem zadowolony ponieważ w niektórych miejscach nieznacznie odstaje. W późniejszym czasie obudowa zostanie prawdopodobnie wycięta z drewna na obrabiarce CNC, którą planuje zbudować.

Czujniki oddalone są od siebie, aby nie zachodziło fałszowanie pomiarów. MQ-135 nagrzewa się podczas pracy, dlatego też postanowiłem go umieścić na samej górze, tak aby ciepłe powietrze mogło swobodnie ulatywać w górę i nie było możliwości wpływu na pomiar BME280.

[Chumanista]

Właśnie dziwi mnie brak jakiegoś czujnika pyłów przy takich założeniach. Ten czujnik praktycznie wszystkich gazów to chyba trochę mało danych? GP2Y1010AU0F kosztuje 13zł i podobno daje niezłe wyniki:

https://www.tandfonline.com/doi/pdf/10.1080/02786826.2015.1100710

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[crbjsfso]

@Chumanista Tak, spokojnie. Po jednym czujniku na raz, zaczynałem od samego pomiaru temperatury, później doszła wilgotność, itd. Właśnie czekam na GP2Y1010AU0F i kilka innych z serii MQ. Następnie planuje zabrać się za serię PMS*, czujniki radonu, dozymetry, ect. Właściwie to wszystkie moje konstrukcje są w ciągłej fazie rozwojowej. Niestety mam dosyć mało czasu na swoje hobby dlatego może się wydawać, że idzie mi to bardzo opornie.

[Chumanista]

@crbjsfso koniecznie mów jak będą działały bo też planuję coś podobnego i wiedza się przyda!

[crbjsfso]

@Chumanista Oczywiście, będę wołał i na pewno pojawi się w projektach na forum.

[Kuba_k]

Dnia 1.11.2019 o 13:07, crbjsfso napisał:

@Chumanista Tak, spokojnie. Po jednym czujniku na raz, zaczynałem od samego pomiaru temperatury, później doszła wilgotność, itd. Właśnie czekam na GP2Y1010AU0F i kilka innych z serii MQ. Następnie planuje zabrać się za serię PMS*, czujniki radonu, dozymetry, ect. Właściwie to wszystkie moje konstrukcje są w ciągłej fazie rozwojowej. Niestety mam dosyć mało czasu na swoje hobby dlatego może się wydawać, że idzie mi to bardzo opornie.

Czujniki MQ to tak z mojego doświadczenia bardziej nadają się jako sygnalizatory występowania gazu (lub gazów bo niektóre reagują na kilka) niż jako mierniki stężenia. Tym bardziej MQ135 jest bardzo zawodny w przypadku określania jakości powietrza, gdyż jego odczyty są bardzo zależne od temperatury, wilgotności i zapylenia, co nie do końca przenosi się to na sama jakość powietrza. Próbowałem na tym zrobić sobie automatyczny sygnalizator tego czy sąsiedzi z dołu palą papierosy (niestety cały dym zaciąga do mojego mieszkania) i nie dało się tego odpowiednio skalibrować. Znalazłem gdzieś w necie pracę naukową gdzie napisali równanie kalibrujące wskazania w zależności od warunków atmosferycznych ale zawierał się chyba w 3 liniach na kartce A4 😉

[crbjsfso]

@Kuba_k Tak wszystko się zgadza, moje obserwacje również to potwierdzają. Chciałbym jednak trochę pokombinować z kodem, zanim dołożę/wymienia czujnik GP2Y1010AU0F. Choćby z czystej ciekawości.

[Kuba_k]

10 minut temu, crbjsfso napisał:

@Kuba_k Tak wszystko się zgadza, moje obserwacje również to potwierdzają. Chciałbym jednak trochę pokombinować z kodem, zanim dołożę/wymienia czujnik GP2Y1010AU0F. Choćby z czystej ciekawości.

Z ciekawości sprawdziłem cenę tego GP2Y1010AU0F. Mogłem od razu go brać. Dzięki za pomysł 😉

[crbjsfso]

@Kuba_k Tutaj jest trochę stary, ale moim zdaniem ciekawy film jeśli chodzi o GP2Y1010AU0F w formie czujnika smogu od razu z opcją podpięcia do systemu inteligentne domu opartego o oprogramowanie Domoticz. Eh, szkoda, że mam za mało czasu na swoje projekty i testowanie wszystkich fajnych rozwiązań. Jak coś zbudujesz to daj znać, chętnie rzucę okiem.

[Kuba_k]

@crbjsfso mam już zrobiony na bazie PMS5003, imo trochę dokładniejszy 😉

 

Edit/ przeczytałem dokumentacje. Ten sharp też działa na analogu więc rzeczywiście jako detektor dymu niż jakieś dokładniejsze pomiary.

Edytowano Listopad 5, 2019 przez Kuba_k

[Chumanista]

Analog nie znaczy jeszcze że nie można zdigitalizować i przeliczyć, ten czujnik daje nawet znośne rezultaty przy małym nakładzie.

[Kuba_k]

9 godzin temu, Chumanista napisał:

Analog nie znaczy jeszcze że nie można zdigitalizować i przeliczyć, ten czujnik daje nawet znośne rezultaty przy małym nakładzie.

Wszystko można, tylko po co. Nie wiem tylko jak skalibrujesz go żeby dawał rzeczywiste wyniki przy tym małym nakładzie.

[Chumanista]

Nie skalibruję, wrzucę wzór z datasheeta i będę miał znośne wyniki:

http://www.jarzebski.pl/arduino/czujniki-i-sensory/czujnik-pylu-gp2y1010au0f.html

https://www.tandfonline.com/doi/pdf/10.1080/02786826.2015.1100710