Gerade in Corona-Zeiten sind CO2-Ampeln zur Messung des Kohlenstoffdioxid-Werts der Luft und zur Darstellung der gemessenen Luftqualität in aller Munde.
Ideal für Räume, in denen sich längere Zeit mehrere Menschen aufhalten (z.B. auch in Schulen / Klassenzimmern ), in denen sich längere Zeit mehrere Menschen aufhalten/ Büros), dabei natürlich ausatmen und es so zu einer Kohlendioxid-Belastung der Raumluft kommen kann.
Der Sensor misst den CO2-Wert, überträgt diesen und es das Ergebnis wird dann z.B. in mit einer Ampel angezeigt, dass . Zum Beispiel rot = es muss dringend gelüftet werden muss.
Auch wir haben uns an den Bau die Entwicklung eines ersten Exemplars gewagt...
| Table of Contents |
|---|
Sensor
Wir verwenden den MHZ-19B, ein einen Sensor zur Messung des CO2-Gehalts der Luft und der Temperatur.
Die CO2-Messung basiert auf dem sogenannten nichtdispersiven Infrarotprinzip (NDIR), dabei wird ein Infrarotlichtstrahl durch eine mit der zu messenden Luft gefüllten Glasröhre geschickt.
Ein spezieller Infrarotsensor misst am anderen Ende, wie viel Licht vom CO2 absorbiert wurde, indem die Differenz des einfallenden mit dem austretenden Licht gebildet wird.
Quelle
Weitere Infos zum MHZ-19B: Intelligent Infrared CO2 Module - (Model: MH-Z19B) - UserManual (PDF-Datei) beim Hersteller.
Wir haben uns für diesen Sensor entschieden, da er für seine Art extrem preisgünstig zu beziehen ist (günstiger als der SCD30) und nicht für einen VOC-Sensor (volatile organic compounds), wie z.B. den BME680.
...
Im ersten Prototyp haben wir auch einen kleinen Lüfter ins Sensor-Gehäuse integriert, um gezielt die Luft im Gehäuse austauschen zu können. Der Lüfter ist vom IoT-Controller steuerbar.
Graphen / Beispiele
Besuch einer Schulklasse mit Lüftungen
Vormittags-Kinderkurs, am Schluss wurde nicht vollständig gelüftet, CO2 geht langsam zurück
In beiden Fällen kommt es dank Lüftung nicht zum kritischen Wert über 1.000.
Übertragung
Die Übertragung nutzt in unserem ersten Prototypen das MQTT-Protokoll über WiFi / WLAN und wird mittels Hottis IoT 🦉Heinrich "Hotti" Hottareks IoT-Controller (ESP8266) realisiert.
...
Der flow kommuniziert auch via MQTT zurück an den Sensor und kann den dort angeschlossenen kleinen Lüfter aktivieren und steuern.
Messwert-Analyse
Die Messwert-Analyse geschieht im Node-RED-flow - ein Funktions-Node setzt den empfangenen ppm-Wert in eine entsprechende Ampelfarbe um und schickt den Befehl entsprechenden Steuerbefehl über MQTT an die LED-Ampel.
Grösste Herausforderung war hier die Einschätzung , der gelieferten Werte. Wann ist die Luft noch okay, wann muss gelüftet werden und wann sollten alle den Atem halten anhalten und schnell den Raum verlassen 
Gemäß der Tabelle des Bundesumweltamtes: Gesundheitliche Bewertung von Kohlendioxid in der Innenraumluft (PDF-Datei) haben wir uns für folgende Schwellwerte entschieden:
- 400 - 700 ppm = grün grün
- 700 - 1.000 ppm = gelb gelb
- 1.000 - 2.000 ppm = rot rot
- über 2.000 ppm = rot-blinkendblinkend
Die ersten Versuche habe gezeigt, dass die Messwerte auch gerne mal um einen Schwellwert herum schwanken pendeln und dann zu einem mehrfachen, kurzfristigen Wechsel der Ampel-Anzeige führen.
Daher haben wir eine Hysterese-Funktion implementiert, die dieses Verhalten korrigiert. Meint: ein Wechsel der Anzeige findet nur statt, wenn der Schwellwert in die entsprechende Richtung um mindestens 50 über- bzw. unterschritten wird. So wird ein häufiger Wechsel "Flackern" der Anzeige verhindert.
Lüfter
...
Erkenntnisse hierbei:
dauerhaftes laufen des Lüfters erzeugt noisy / springende Werte, welche nicht wirklich zu gebrauchen sind. Ein periodisches lüften asynchron zum Messzeitpunkt liefert hier auch keine zuverlässigen Werte - es gibt ab und zu mal Ausreißer. Letztendlich hat eine kurze Lüfteraktivierung für 0,2 Sekunden unmittelbar nach der Messwerterfassung die besten und konstanten Ergebnisse gebracht. Dieser kurze Lüfterlauf mit ein paar relativ langsamen Umdrehungen reicht für einen Luftaustausch in dem kleinen Gehäuse und ist - erfreulicherweise - auch akustisch nicht wahrnehmbar.
Gehäuse Sensor
Wir haben uns dazu entschieden den Sensor stand-alone, abgekoppelt von der Ampel in ein eigenes Gehäuse zu bauen. So kann der Sensor jederzeit frei im Raum platziert werden und zB mehrere Ampeln mit einem Sensor gesteuert werden.
Es wurde im ersten Prototyp ein kleiner Plexiglas-Kubus mit 3mm Materialstärke.
Schnittdatei: FLM_Sensor_LC.CDR
Gehäuse Ampel
Hier musste erstmal wieder das gute, alte HDF herhalten. Für den ersten Wurf sollte es eine klassische Ampel-Ansicht werden.
Verwendet wurden WS2812-RGB-LED-Streifen - immer vier pro Ampel-Licht.
Als Ampelgläser haben wir back-lighting-LED-Plexiglas 9H001 verwendet. MDF und Plexi in 3mm Materialstärke.
Die Frontscheiben haben wir mit UV-Kleber eingeklebt. Das MDF-Gehäuse wurde mit Holzleim zusammengebaut.
Schnittdatei: FLM_Ampel_LC.CDR
CuckO2 - unsere IoT-Co2-Ampel-Kuckucksuhr
https://twitter.com/FabLabMuc/status/1324017596317028356?s=20
Widget Connector url https://twitter.com/FabLabMuc/status/1324017596317028356?s=20 height 600
Inspiriert durch: Andreas Spiess Cuckoo Clock
Modell-Vorlage: https://www.thingiverse.com/thing:4161924
Sonstiges
- Kleines learning am Rande: Katzen scheinen deutlich mehr CO2 zu produzieren: der kleine Kater, der beim testen und entwickeln vor dem CO2-Sensor eingeschlafen ist, hat das Ding innerhalb kürzester Zeit auf ROT gebracht
- Die Daten werden serverseitig in einer CSV-Datei mitgeloggt und können bei Bedarf für Langzeitanalysen herangezogen werden.
In Corona-Zeiten eine wirklich sinnvolle Sache - so, just make it! 