Датчик углекислого газа MQ135 — подключение к STM32. Датчики газа серия MQ (Trema-модуль v2.0) Цифровой датчик с цифровой шиной

Всем привет. Это еще одна статья из разряда ESP8266 + Blynk = ♡ . Прошу не воспринимать как рекламу, а только как дань уважения разработчикам платформы Blynk и личный опыт, который может быть полезен кому то еще, кроме меня.

Начало

Идея проекта родилась несколько лет назад, когда в порыве DYI-энтузиазма на Ali был куплен датчик качества воздуха MQ-135 . По спецификации этот датчик реагирует на наличие в воздухе таких веществ как: NH3, NOx, спирт, бензин, дым и CO2 и выдает свою абстрактную оценку качества воздуха на аналоговом выходе [да я знаю, что существуют подстроечные резисторы и способы калибровки, но как то это слишком сложно].

Испытания показали, что на всякие вредные и «вонючие» соединения датчик реагирует отлично, показывая достаточно резкое изменение выходного уровня. Хуже дело обстояло с определением невидимого врага, а именно углекислого газа СО2. Про вред и очевидную повсеместность этого диоксида сказано немало, повторяться не будем.

Поэтому для меня, датчик MQ-135 оказался бесполезным, поскольку не мог «заметить» существенную разницу в качестве воздуха в переполненном людьми помещении и на свежем воздухе. Но вызов был уже принят, поэтому несколько итераций спустя родилась последняя (текущая) версия платы OpenWindAir с ИК-датчиком MH-Z19 [да не идеальный, да китайский]. Подробнее про получившуюся железку и ее аппаратные возможности написано в статье Система сбора данных на ESP. Часть I .

Для задачи измерения уровня углекислого газа в жилом помещении датчик оказался идеальным и оптимальным по цене (1200 рублей на Ali с доставкой) решением.

Blynk - помогает соединить железо, облако и телефон

Про платформу Blynk уже много хорошего сказано, например . Возможности платформы просто удивляют своей продуманностью и удобством использования. Поэтому когда пришло время выбирать среду разработки для ESP8266 и писать программу, выбор сразу пал на Arduino IDE и библиотеку Blynk.

Запуск тестового скетча BlynkSimpleEsp8266 , не вызвал никаких проблем. Однако по мере усложнения и наращивания функционала - пришлось столкнуться с некоторыми трудностями, о которых и хочется рассказать подробнее.

Архитектура ПО

Главный плюс разработки ПО под ESP8266 в среде Arduino IDE – что можно совместить в одном скетче совершенно разные библиотеки и вам за это почти ничего не будет.

Перед началом разработки ТЗ было сформулировано тезисно и включало следующие пункты:

1. Необходимо с определенным интервалом считывать показания датчика CO2 (MH-Z19) и отображать результаты с помощью трех (зеленый, желтый, красный) светодиодов. Пределы были выбраны почти с учетом ГОСТ 30494-2011 (Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях.): до 900 PPM – зеленый , от 901 до 1400 PPM - желтый , выше 1401 PPM - красный . Также у нас есть бипер, порог бибикания которого задан на уровне 1100 PPM, но его можно настроить или вообще отключить через Blynk. Во время отладки выяснилось, что иногда MH-Z19 может глюкануть и выдать свое максимальное значение (в зависимости от установленного предела: 1000, 2000, 3000 или 5000 PPM), вместо фактически измеренного. Это немного осложнило обработку результатов и могло привести к ложным сообщениям пользователю, а нервы пользователя надо беречь. И поскольку нет абсолютно верного (кроме многократных измерений) способа отличить неверно измеренные 2000 PPM (дикое значение для жилого помещения) от ситуации, когда пользователь сидит и специально дышит в датчик. То было принято две меры по маскировке данной проблемы: установлен предел измерения в 2000 PPM (предполагается использование прибора в жилых помещениях и все что больше 1400 для нас уже красная зона) и добавлено усреднение результатов последних 10 измерений. Как итог - единичные ложные срабатывания (на 2000 PPM) не дают больших всплесков на усредненном графике. Но при желании через Blynk можно настроить предел измерения датчика и посмотреть фактическое (не усредненное значение CO2).

2. Для работы с датчиком температуры\влажности (AM2302 ) была использована библиотека DHT Sensor Library от Adafruit. Было сделано два небольших изменения: добавил повторное считывание AM2302 (иногда считывается не с первого раза) и введены поправочные коэффициенты для значений температуры и влажности. Если используется встроенный датчик, то опытным путем установлено, что воздух внутри прибора «суше» на 15% и теплее на 2 градуса C (1 градус F) чем снаружи, при использовании выносного датчика (выбирается джампером) - поправку в измеренные результаты вносить не надо и можно отключить.

3. Пользователь должен иметь возможность настроить устройство (подключиться к WiFi, указать auth token и тд) без дополнительного софта или перепрошивки. Наиболее оптимальным решением стало использование библиотеки WiFiManager , которая переводит ESP в режим точки доступа и позволяет через Captive портал сохранить во флешку настройки WiFi сети и другие параметры.

В дальнейшем при старте библиотека пытается подключится к сохраненной WiFi точке и в случае неудачи снова переходит в режим точки доступа и Captive портала. А если пользователь вдруг не захочет использовать Blynk или у него не окажется WiFi-роутера, то в этом случае OpenWindAir никогда на загрузится и будет только стартовать в AP-режиме и перезагружаться по таймауту.

Выход из этой безвыходной ситуации был найден следующий, если у нас сохранены ненулевые параметры подключения к Blynk или MQTT серверу, значит при старте будем пытаться подключиться и перезагружаться, в противном случае - можем и не подключаться к WiFi, а работать оффлайн.

If (!wifiManager.autoConnect("OpenWind - tap to config")){ if (mqtt_server != "\0" || blynk_token != "\0"){ Serial.println("Failed to go online for Blynk and MQTT, restarting.."); ESP.restart(); } else{ Serial.println("Failed to go online, offline mode activated"); online = false; }

4. Blynk требует подключения к Интернету (если сервер не локальный) и поэтому необходимо контролировать наличие подключения к WiFi. Библиотека WiFiManager на данный момент не умеет восстанавливать соединение с WiFi и если в квартире «моргнет» свет и роутер перезагрузится, то восстановить подключение ESP8266 к WiFi поможет только перезагрузка. Поэтому пришлось добавить простой таймер, который через 60 непрерывных секунд отсутствия коннекта перезагрузит устройство.

If (WiFi.status() != WL_CONNECTED && online){ if (!wifilost_flag){ wifilost_timer_start = uptime; wifilost_flag = true; } if (((uptime - wifilost_timer_start) > wifilost_timer_max) && wifilost_flag){ Serial.print("\n\rWiFi connection lost, restarting.."); wifilost_flag = false; ESP.restart(); } }
5. В качестве альтернативы использования Blynk пользователь может выбрать отправку показаний по протоколу MQTT на сервер Народного мониторинга или любого другого подобного сервиса. Для этих целей была выбрана библиотека PubSubClient , которая написана на наиболее понятном мне языке Си и единственная (из представленных в каталоге Arduino IDE), которая имела понятные примеры.

6. Перепрошивка устройства дело хоть и не частое и не очень сложное (особенно при наличии встроенного CP2102 ), но все равно захотелось максимально упростить этот процесс. Библиотека ArduinoOTA позволяет легко загрузить новый бинарник и прошить его. Активировать ОТА можно как кнопкой на устройстве, так и удаленно через телефон. Однако без сюрпризов не обошлось, оказывается мной были куплены модули ESP8266-12E с разным размером файловой системы (SPIFFS).

Примерное распределение Flash

Внешне не отличимые модули ESP8266-12E могут иметь файловую систему размером 1 или 3 Мб и требовать разные прошивки (опции сборки в Arduino IDE). Поэтому, чтобы избежать возможных проблем, при загрузке надо проверять фактический размер памяти и при ОТА апгрейде запрашивать на сервере соответствующий бинарник (пока не сделано). Или можно пойти чуть более простым путем и собирать все прошивки под SPIFFS c меньшим номиналом 1 Мб, т. к. они вполне работают на ESP8266-12E c большим объемом памяти.

Для таких проверок в SDK есть удобные функции позволяющие определить размер фактической и выбранной в IDE памяти.

String realSize = String(ESP.getFlashChipRealSize()); String ideSize = String(ESP.getFlashChipSize()); bool flashCorrectlyConfigured = realSize.equals(ideSize); if(flashCorrectlyConfigured){ Serial.println("flash correctly configured, SPIFFS starts, IDE size: " + ideSize + ", match real size: " + realSize); } else{ Serial.println("flash incorrectly configured, SPIFFS cannot start, IDE size: " + ideSize + ", real size: " + realSize); }
7. Чтобы самому не путаться в разных версиях ПО и отличать их друг от друга, был немного переписан файл arduino-1.8.5\hardware\platform.txt от Arduino IDE так, чтобы во время компиляции запускался bat файл, который делает копию текущего скетча и полученного бинарника, а также автоматически инкрементирует номер версии.

Recipe.hooks.sketch.prebuild.0.pattern=D:\arduino-1.8.5\hardware\increment.bat {build.path} {build.source.path} {build.project_name}
Таким образом, после каждой сборки\прошивки имеем зашитый в бинарнике номер версии и копию скетча с таким же номером. А если папку со скетчем положить в Dropbox - то получится самодельная система контроля версий.

Инструкция по настройке автоинкремента версии для Arduino IDE и bat-файл выложены на гитхабе.

8. Ну а раз есть встроенный USB-UART переходник (с драйвером для CP2102 нет никаких проблем в Windows и Linux), то нельзя было не добавить вывод результатов измерений через Терминал (на скорости 9600). Раз в двадцать секунд выводятся результаты измерений и сообщения об ошибках.

Reading MHZ19 sensor: ok
Reading DHT22 sensor: ok

Humidity: 36.20%
Temperature: 27.20C \ 83.56F
C02: 1153 ppm
C02 average: 462 ppm
ADC: 99
UpTime: 0 days, 0 hours, 3 minutes, 45 seconds.
Time: 16:25:56 20/3/2018
===================================================

А по нажатию кнопки Enter можно получить сообщение с системной информацией.
======SYSTEM-STATUS================================
Device name: OpenWindAir
Software version: 0.1.235
FreeHeap: 33824
ChipId: 13704617
FlashChipId: 1405167
FlashChipSize: 4194304
FlashChipSpeed: 40000000
CycleCount: 2204474679
Time: 16:27:6 20/3/2018
UpTime: 295
======BLYNK-STATUS=================================
Blynk token:
Blynk connected: 1
Notify level: 1100
Beep: 1
CO2 limit: 2000
Temperature correction: 1
======NETWORK-STATUS===============================
WiFi network: adakta2
WiFi status: 3
RSSI: -70
MAC: 18FE34D11DA9
IP: 192.168.0.152
Online: 1
======MQTT-STATUS==================================
MQTT server:narodmon.ru
MQTT port:1883
MQTT login:login
MQTT key:key
MQTT topics:
/OpenWindAir/h
/OpenWindAir/t
/OpenWindAir/f
/OpenWindAir/ppm
/OpenWindAir/status
======END-of-STATUS================================

Самая неприятная проблема

Самое неприятное с чем пришлось столкнуться при разработке, это когда при одновременной отправке результатов измерений на сервер MQTT и в Blynk, часть данных может начать теряться и не доходить до сервера. Как оказалось, на то, чтобы подключиться к серверу MQTT и отправить данные - может понадобиться несколько секунд и за это время библиотека Blynk успевает потерять соединение со своим сервером и в результате если вручную не инициировать переподключение к серверу - может пройти достаточно много времени и часть результатов измерений потеряется. Пришлось добавить проверку состояния WiFi клиента _blynkWifiClient и случае отсутствия коннекта делать принудительный стоп _blynkWifiClient.stop(), а потом подключаться к серверу Blynk заново.

If (WiFi.status() == WL_CONNECTED){ wifilost_flag = false; if (blynk_token != "\0"){ if (Blynk.connected() && _blynkWifiClient.connected()){ Blynk.run(); } else{ Serial.print("\n\rReconnecting to blynk.. "); Serial.print(Blynk.connected()); if (!_blynkWifiClient.connected()){ _blynkWifiClient.stop(); Return _blynkWifiClient.connect(BLYNK_DEFAULT_DOMAIN, BLYNK_DEFAULT_PORT); } Blynk.connect(4000); Serial.print(Blynk.connected()); } }

Заключение

Это моя первая статья, хотя с момента регистрации на Хабре прошло уже 7 лет. Прошу не судить очень строго и не обращать внимание на говнокод, который пока является единственным языком программирования, которым я владею.

Ознакомиться с проектом целиком можно в репозитории на гитхабе .

Наличие датчика CO2 не дает мне (и моей семье) лишний раз засиживаться в душной комнате. Но самое главное он прекратил вечную войну между лагерями тех кому жарко и тех кому дует (это был я), в пользу первых.

Далее будет QR код, просканировав который приложением Blynk (AppSore , Android) можно узнать, какой микроклимат был у меня дома последние 3 месяца.


Проект работает, прошу ничего не ломать.

Химический полупроводниковый сенсор - слой чувствительного полупроводника (обычно это оксиды переходных металлов) на инертной подложке, поверхность которого умеет селективно захватывать какие-то летучие вещества из газа. В результате такой хемосорбции полупроводник приобретает заряд и меняет свои свойства: обычно следят за его сопротивлением. Полупроводниковые сенсоры практически всегда требуют нагрева для нормальной работы.

Пару слов о том, зачем мне это понадобилось. Я всегда с тоской вспоминаю походы с палаткой - потому что только там я мог нормально, полноценно спать благодаря совершенно свежему воздуху. Несмотря на то что в Москве я живу в своеобразном зелёном острове, всё равно духота часто мучает меня по ночам. Вообще, эта моя история очень похожа на историю BarsMonster`а с Хабра, который в поисках причин быстрого утомления ставил кислородный концентратор, вешал мощнейшую люстру на 10 тысяч люмен, и делал прочие хаотичные штуки. Я пошёл по его пути, тоже поставил такую люстру, но особой разницы не заметил. В итоге мы оба дошли до идеи измерить концентрацию углекислого газа в воздухе - его избыток вызывает мгновенное закисление крови и нарушение процессов обмена.

Именно для этих измерений я купил в Китае датчик MQ-135.

В нём чувствительный слой из диоксида олова (с золотыми контактными площадками) нанесён на сапфировую подложку с нихромовым нагревателем, и электроды грелки (H-H) вместе с платиновыми электродами от чувствительного слоя (A/B-B/A) выведены наружу. Измерять сопротивление можно на любых двух из них, A-B или B-A.

Он очень дешёвый и доступный, и может служить элементом домашней метеостанции. Помимо углекислого газа, датчик также реагирует на присутствие других газов: угарного газа, аммиака, бензола, оксидов азота и паров спирта. В даташите приведена зависимость относительного сопротивления датчика от парциального давления разных газов - таким образом, из сопротивления можно вычислить концентрацию газа в воздухе.

Кстати, одна из его модификаций, с обострённой чувствительностью к спирту, стоит в полицейских датчиках спирта, которым «дышат в трубку».

Попробуем подключить его к STM32!

Схема подключения

Для начала давайте рассмотрим схему включения.

Всё просто: нагреватель питается от 5 вольт, а чтобы измерить сопротивление сенсора - он включается в состав резистивного делителя, и измеряется напряжение на выходе этого резистора. При известном сопротивлении резистора и напряжении питания сопротивление сенсора рассчитывается как r1 = r2*(u/uout-1).

Конкретно у меня датчик распаян на плате, которая содержит этот дополнительный резистор - она выдаёт наружу сразу нужное напряжение. Чтобы измерить это напряжение с помощью STM32, нам потребуется модуль АЦП. Программа практически повторяет код из той статьи.

Void adc_init() { RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE); //ADC settings ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure; ADC_StructInit(&ADC_InitStructure); ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = ENABLE; ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure); ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); //Channel settings ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_8, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5); ADC_ResetCalibration(ADC1); while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); ADC_StartCalibration(ADC1); while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); } uint16_t getCO2Level() { ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); while(ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET); return ADC_GetConversionValue(ADC1); } int main() { adc_init(); uint16_t co2; while(1) { co2 = getCO2Level(); delay(10000000); } }

Особенности

Во время работы датчик заметно греется, и это его нормальное состояние; вряд ли он способен что-то поджечь, но всё-таки не стоит его ничем накрывать. Да и доступ воздуха ему нужно обеспечить, поэтому просто разместите его на каком-нибудь открытом пространстве. Гемфри Дэви придумал окружать шахтёрские лампы металлической сеткой во избежание взрыва газа - так и здесь, вокруг датчика находится металлическая сетка, благодаря которой сенсор можно использовать даже в помещениях с высокой концентрацией метана или других горючих газов.

Датчик очень медленно выходит на режим. В первый раз его обязательно нужно прогреть не менее 24 часов. При следующих включениях требуется хотя бы 10-минутный прогрев.

Параметры датчика немного деградируют с ростом влажности воздуха. При точных измерениях необходимо следить за влажностью, например с помощью датчика DHT-22.

На моей плате дополнительно размещён ОУ с переменным резистором - к ним подключен светодиод и вывод «DOUT». Это простой настраиваемый пороговый индикатор, светодиод загорится когда концентрация углекислого газа превысит заданное значение.

Post Views: 609

Способны определять концентрацию широкого спектра газов в воздухе (природные газы, углекислый и угарный газ, углеводороды, дым, пары спирта и бензина).

• Аналоговый выход модуля «S» (Signal) - подключается к любому аналоговому входу Arduino и предназначен для снятия показаний модуля.
• Цифровой вход модуля «EN» (Enable) - подключается к любому выходу Arduino и предназначен для управления режимами работы модуля («1» - активный режим, «0» - режим энергосбережения).
• Если вход «EN» оставить неподключённым, то модуль будет находиться в активном режиме пока есть питание.

Модуль удобно подключать 3 способами, в зависимости от ситуации:

Способ - 1: Используя проводной шлейф и Piranha UNO

Используя провода «Папа - Мама », подключаем напрямую к контроллеру Piranha UNO.

Способ - 2: Используя Trema Set Shield

Модуль можно подключить к любому из аналоговых входов Trema Set Shield.

Способ - 3: Используя проводной шлейф и Shield

Используя 3-х проводной шлейф, к Trema Shield, Trema-Power Shield, Motor Shield, Trema Shield NANO и тд.

Питание:

Входное напряжение питания 5 В постоянного тока, подаётся на выводы «V» (Vcc) и «G» (GND) модуля.

Подробнее о модуле:

Уровень напряжения на аналоговом выходе «S» (Signal) прямо пропорционален концентрации детектируемых газов. Цифровой вход «EN» (Enable) можно не использовать - тогда модуль будет работать постоянно.

Если подключить вход модуля «EN» к любому выходу Arduino, то модулем можно управлять: логическая «1» подключит нагревательный элемент датчика к шине питания и модуль будет регистрировать концентрацию газов, логический «0» отключит нагревательный элемент и модуль перейдёт в режим энергосбережения.

Примеры:

Пример для Типа подключения 1:

int8_t gasPin = A0; // Определяем номер вывода, к которому подключен модуль void setup() { Serial.begin(9600); // Инициируем передачу данных на скорости 9600 бит/сек pinMode(gasPin, INPUT); // назначаем вывод, к которому подключен датчик, работать в режиме входа } void loop() { Serial.print("Gas volume: "); // выводим текст в монитор порта Serial.println(analogRead(gasPin)); // выводим значение с датчика delay(1000); // ждём секунду }

Пример для Типа подключения 2:

int8_t gasPin = A0; // Определяем номер вывода, к которому подключен модуль int8_t gasPwr = 8; // Определяем номер вывода, к которому подключено управление нагревателя модуля void setup() { Serial.begin(9600); // Инициируем передачу данных на скорости 9600 бит/сек pinMode(gasPin, INPUT); // назначаем вывод, к которому подключен датчик, работать в режиме входа } void loop() { if (analogRead(gasPin) < 550) { // если значение с датчика ниже порога, то digitalWrite(gasPwr, LOW); // выключаем питание с нагревателя и Serial.println("GasPwr OFF"); // выводим текст в монитор порта } else { // если значение с датчика выше порога, то digitalWrite(gasPwr, HIGH); // включаем питание нагревателя, Serial.print("Gas volume: "); // выводим текст в монитор порта Serial.println(analogRead(gasPin)); // выводим значение с датчика } delay(1000); // ждём секунду }

Познакомимся с простым датчиком MQ-135, который поможет определить уровень вредных веществ в воздухе. Подключим анализатор газов MQ-135 к Raspberry Pi используя АЦП PCF8591, напишем простую тестовую программу для наблюдения за сигналом из датчика, а также для выполнения определенного действия при достижении установленного критического уровня.

Анализатор газов MQ-135

MQ-135 - достаточно компактный и недорогой датчик, который умеет анализировать уровень вредных веществ в воздухе. Он поможет определить в воздухе наличие следующих веществ:

• Углекислый газ (в нормальных условиях это бесцветный газ, без запаха, двуоксид углерода - CO 2);
• Угарный газ (бесцветный ядовитый газ без вкуса и запаха, монооксид углерода - CO);
• Аммиак (в нормальных условиях это бесцветный газ с резким характерным запахом, нитрид водорода - NH 3);
• Бензол (жидкость без цвета со специфическим сладковатым запахом, органическое соединение - C 6 H 6);
• Оксид азота (бесцветный газ который незначительно растворим в воде, монооксид азота - NO);
• Пары спирта (органические соединения, существует целый класс спиртов, спирт содержат алкогольные напитки);
• Дым (газ выдкляющийся при сгорании различных веществ, прохождения химических реакций);
• и другие...

Рис. 1. Внешний вид датчика MQ-135.

Детектор газов MQ-135 может применяться в системах безопасности и контроля, для анализа состояния воздуха в вентиляционных установках, в медицине и других сферах где нужно выполнять контроль за чистотой воздуха и окружающей среды.

Основные технические характеристики и плюсы датчика:

• Высокая чувствительность;
• Высокая скорость реакции;
• Стабильность и долговечность;
• Питание нагревательного элемента от 5В;
• Сопротивление нагревательного элемента - 33 Ом;
• Ток потребляемый нагревателем от источника питания 5В - 150мА (мощность 800 мВт);
• Небольшие размеры (18мм в диаметре, 17мм в высоту + 6мм высота пинов).

Датчик содержит 6 ножек - две из них используются для питания нагревателя, а остальные 4 для снятия сигнала с сенсора.

Рис. 2. Структура и принцип работы датчика газов MQ-135, на рисунке обозначены:

• 1 - чувствительный к газам слой (SnO 2);
• 2 - электрод (Au);
• 3 - токопроводящие линии для соединения с электродом (Pt);
• 4 - катушка нагревателя (Ni-Cr);
• 5 - керамическая трубка (Al 2 O 3);
• 6 - сетка из стальных проводников для защиты в случае взрыва внутри датчика;
• 7 - сжимающее кольцо (никелированная медь);
• 8 - резиновая основа;
• 9 - пины для подключения датчика (никелированная медь).

Нагревательный элемент необходим для обеспечения кондиционного режима работы чувствительного слоя, воздух с содержащимися в нем веществами попадая на чувствительный слой и в зависимости от концентрации этих веществ спровоцирует изменение значения электрического потенциала между электродами (смотри схему на рисунке 2).

Этот электрический потенциал мы снимаем с электродов и анализируем его уровень при помощи дополнительных электронных схем.

Подключаем датчик MQ-135

Для экспериментов использован готовый модуль, который содержит датчик MQ-135 и небольшой компаратор, парочку светодиодов и штырьки для подключения.

Рис. 3. Внешний вид модуля с датчиком MQ-135 и схемой сравнения.

Модуль содержит 4 вывода:

• VCC - питание 5В;
• GND - земля (минус);
• AO - аналоговый выход датчика (Analog Output);
• DO - цифровой выход датчика (Digital Output).

Цифровой выход датчика подключен к компаратору, при помощи которого мы можем оценить значение с датчика и получить на выходе низкий (0В) или высокий (5В) уровень. Для регулировки порога срабатывания на платке установлен переменный резистор.

Аналоговый выход датчика предназначен для подключения к самодельным компараторам и анализаторам, а также к АЦП (Аналого-Цифровым Преобразователям).

В эксперименте я буду использовать аналоговый выход датчика MQ-135, подключенный к АЦП на основе PCF8591, работу с которым я описывал в прошлой статье. Анализировать данные работы АЦП будет мини-компьютер Raspberry Pi .

Модуль MQ-135 должен питаться от напряжения +5В, соответственно на его цифровом и аналоговом выходах уровень напряжения может достигать +5В.

Аналоговый выход MQ-135 можно было бы подключить напрямую к аналоговому входу PCF8591 если питать последний также от напряжения +5В, но в таком случае понадобится собирать двунаправленный конвертер уровней напряжения для шины I 2 C.

Конвертация уровней напряжения здесь нужна, поскольку:

1. Пины GPIO в Raspberry Pi (используемые нами здесь для интерфейса I 2 C) рассчитаны на максимальное входное/выходное напряжение +3,3В;
2. При питании PCF8591 от +5В, напряжения +3,3В на выводах шины I 2 C может быть не достаточно чтобы получить высокий уровень (логическая 1). Обмен данными по шине станет невозможным;
3. На модуле PCF8591 установлены подтягивающие (pull-up) резисторы, которые пытаются выставить при логической единице на каждом из выводов шины I 2 C напряжение +5В (питание PCF8591). Это не безопасно для входов GPIO в Raspberry Pi, расчитанных на +3,3В.

Чтобы не собирать конвертер уровней напряжения здесь все же можно выкрутиться следующим образом: питать модуль PCF8591 от напряжения +3,3В (в даташите указан диапазон питающих напряжений 2,6В-6В), а чтобы не спалить его аналоговый вход (теперь туда можно подавать максимум +3,3В) напряжением с аналогового выхода MQ-135 (достигающее +5В), соединяем эти модули через резистивный делитель напряжения : 5В - в 3В.

Вот такая получилась схема подключения модулей:

Рис. 4. Принципиальная схема подключения модулей MQ-135 и PCF8591 к Raspberry Pi.

Добавлю несколько слов о первом подключении модуля MQ-135. При первом влючении нового, только что распакованного модуля с датчиком, в воздухе кратковременно появится небольшой запах гари, не стоит волноваться - это первый раз раскалился нагревательный элемент датчика.

Перед долговременным применением датчика, для адаптации и стабилизации параметров, его стоит оставить с подключенным к нагревателю напряжением на 24 часа (рекомендация из даташита).

Ток потребления модуля MQ-135 (по большей части нагревателя в нем) составляет примерно 150мА (I=U/R=5В/33Ом=0,151А), поэтому питание можно взять с пина 2 (+5В) на разъеме GPIO.

Важно помнить что линию питания 5В в Raspberry Pi нельзя перегружать, если нужно питать какой-то модуль от 5В и с потребляемым током более 0,3А-0,5А то лучше не пожалеть пару центов и собрать отдельный стабилизатор напряжения, например на микросхеме L7805 (розничная стоимость менее 0,5$).

ВНИМАНИЕ! На показанном ниже фото, ранее в качестве эксперимента, я подключил все модули к питанию +5В, выход датчика соединил с входом АЦП напрямую и не использовал резистивного делителя напряжения. Старайтесь так не делать, а собирать безопасную схему, как на рисунке 4.

Рис. 5. Внешний вид подключенных модулей MQ-135 и PCF8591 к Raspberry Pi.

Думал удалить эту картинку, но оставил ее и решил расписать что происходит при подобном не безопасном подключении. Почему же схема в такой конфигурации работает и Raspberry Pi не выходит из строя? - Давайте с этим разберемся.

Такое подключение работает, но все же есть риск нанесения вреда контроллеру GPIO в Raspberry Pi. Это может случиться если на какой-то из пинов попадет напряжение +5В (явно превышающее +3,3В) и с током достаточным чтобы пожечь внутренние ключи на пинах GPIO.

Дело в том, что на модуле PCF8591 между каждой из двух линий (SCL, SDA) шины I 2 C и шиной питания стоят подтягивающие резисторы с сопротивлением 4,7кОм (это подключение можно увидеть на схеме модуля).

Генерация сигналов в шине I 2 C базируется на "прижимании" (подключении через внутренние транзисторы в устройстве) линий данных к земле (логический 0) и их "отпускании" (логическая 1). В последнем случае за установку высокого уровня отвечают как раз те самые подтягивающие резисторы.

Получается, что при логической единице на одной из линий, напряжение питания модуля (+5В) через резистор 4,7кОм идет на вывод GPIO, а знаем что позволенный максимум на нем - 3,3В. Порт не выгорает здесь только потому, что ток через эту цепочку достаточно мал, он гасится на этом же резисторе и порт остается цел.

Что же там за ток может быть, давайте попробуем посчитать:

1. При логическом "0" (через внутренний транзистор порт подключил вывод GPIO к земле): I = U/R = 5V/4700R = 0,00106A = 1mA
2. При логической "1" (через внутренний транзистор порт подключил вывод GPIO к +3,3В): I = U/R = (5V-3,3V)/4700R = 0,00036A = 0,36mA.

Принцип работы шины I 2 C таков, что при генерации высокого уровня пин порта не подключается к линии питания ("висит в воздухе"), поэтому пункт 2 в расчетах можно и не учитывать.

В итоге, в самом крайнем случае, мы имеем напряжение +5В при токе 1мА на пине GPIO, чего явно не достаточно чтобы спалить порт на гребенке Raspberry Pi.

А что будет если подтягивающие резисторы в модуле PCF8591 отпаять от +5В и припаять к +3,3В? - скорее всего, передача данных по шине I2C перестанет осуществляться, напряжения +3,3В будет не достаточно для интерпретации модулем PCF8591 (питающимся от +5В) сигнала напряжением +3,3В как высокого уровня (логической "1").

А теперь давайте подумаем что получится если подключить 3-5 разных модулей с питанием +5В к шине I2C Raspberry Pi. В зависимости от сопротивлений подтягивающих резисторов на модулях (если эти резисторы впаяны, их сопротивления просуммируются как при параллельном включении резисторов) ток может достичь 5-10мА при напряжении +5В, что уже может нести более значительную опасность для портов GPIO.

Поэтому, нужно всегда придерживаться правил:

1. На пины GPIO в Raspberry Pi нельзя допускать попадания напряжений, превышающих 3,3В!
2. При подключении к шине I2C устройств с разными напряжениями питания (2,5В, 3В, 5В...) нужно использовать схему конвертера уровней напряжения !

Программа для анализа состояния датчика MQ-135

Программа написана на языке программирования Python и является модифицированной версией той, которую я приводил в статье где разбирали работу с модулем PCF8591, там же описано как активировать шину I 2 C .

Суть работы новой версии программы заключается вот в чем:

• Постоянно выводим в консоль текущее значение с датчика газов (числа от 0 до 255, от меньшей концентрации до большой);
• При достижении некоторого установленного значения концентрации газов - зажигаем светодиод D1.

Создадим новый файл для программы на Питоне и откроем его в редакторе nano:

Nano /tmp/mq-135-pcf8591-test.py

Скопируем приведенный ниже код в файл:

#!/usr/bin/env python # Program for gas sensor MQ135 + ADC-DAC PCF8591P # 2016 http://сайт import os import time from smbus import SMBus DEV_ADDR = 0x48 adc_channel = 0b1000010 # 0x42 (input AIN2 for ADC + use DAC) dac_channel = 0b1000000 # 0x40 bus = SMBus(1) # 1 - I2C bus address for RPi rev.2 while(1): os.system("clear") print("Press Ctrl C to stop...\n") # read sensor value from ADC bus.write_byte(DEV_ADDR, adc_channel) bus.read_byte(DEV_ADDR) bus.read_byte(DEV_ADDR) value = bus.read_byte(DEV_ADDR) print "AIN value = " + str(value) # compare value from ADC and set value in DAC if value > 120: bus.write_byte_data(DEV_ADDR, dac_channel, 220) else: bus.write_byte_data(DEV_ADDR, dac_channel, 0) # pause 100 milliseconds time.sleep(0.1)

Для выхода из редактора (возможно кто-то еще не знает этого): жмем CTRL+X, для подтверждения сохранения файла жмем Y и ЕНТЕР.

Запускаем программу командой в консоли:

Python /tmp/mq-135-pcf8591-test.py

Рис. 6. Вывод выполняющейся программы в окне консоли.

Теперь можете поэкспериментировать с датчиком, поднося к нему на разном расстоянии разнообразные вещества - спирт, растворитель, бензин и другие. В консоли можно будет наблюдать как изменяется значение на выходе датчика.

Чтобы изменить числовой порог свечения светодиода, к примеру для значения 70, нужно изменить строчку кода "if value > 120:" на "if value > 70:" - теперь программа будет реагировать на превышение значения 70 на входе AIN2 АЦП свечением светодиода.

Используя мультиметр в режиме измерения напряжения до 20В можно понаблюдать за изменением напряжения на аналоговом выходе датчика MQ-135 при изменении уровня испарений газов около него.

Засветить светодиод - это очень просто, что можно еще придумать? - например, настроить отправку электронного письма (или электронных писем) в случае достижения заданного порога вредных газов в воздухе, включить воспроизведение какого-то MP3-файла на Raspberry Pi и много других вещей.

Заключение

Ниже приведено видео работы модуля с MQ-135, подключенного к малинке и АЦП PCF8591 (старый не безопасный вариант, без делителя напряжения на резисторах).

Для теста срабатывания датчика использован дихлорэтан (клей для пластмассы и оргстекла), вернее его капелька нанесенная на кончик маленькой отвертки, этих испарений вполне достаточно чтобы датчик зафиксировал наличие в воздухе ядовитого вещества.

Один из факторов влияющих на эффективность работы является концентрация CO 2 в воздухе. Для оценки качества воздуха в помещениях есть готовые решения, но нам было интересно разработать свое решение и интегрировать его в используемую систему мониторинга Zabbix .

За основу была взята плата NodeMCU на базе микроконтроллера ESP8266 . Данное решение "из коробки" позволяет подключиться к сети Wi-Fi и организовать прием/передачу данных.

Для определения CO 2 используется недорогое [и не точное] решение - датчик MQ-135 . Данный датчик чувствителен к ряду газов в т.ч. и к CO 2 , библиотека для Arduino IDE содержит в себе функции для пересчета показаний датчика в ppm . Изыскания показали, что вычисляемые значения ppm с реальной концентрацией ничего общего не имеет, соответственно для оценки качества воздуха целесообразно использовать значения на аналоговом выходе модуля MQ-135, которые растут по мере повышения концентрации газов в воздухе. Показания этого датчика чувствительны к питанию, датчик необходимо продержать включенным не менее суток для прокаливания и есть основания предполагать, что выдаваемые значения будут различными для разных экземпляров датчика. Так же показания датчика зависят от температуры и влажности окружающей среды.

Для передачи данных в Zabbix без использования агента используется функция мониторинга веб-страниц, которая позволяет обратиться по заданному URL, получить код ответа и проверить наличие на странице определенного текста. При этом производится замер времени передачи данных и скорость. Единственный простой способ передачи данных от NodeMCU без использования агента на отдельном ПК, это передача значений в коде ответа веб-страницы:

1. http://ip/ - URL возвращает HTML-страницу с текущими значениями параметров, страница автоматически обновляется с заданным интервалом;
2. http://ip/a - URL возвращает значение с датчика MQ135;
3. http://ip/t - URL возвращает значение с датчика DHT11/22;
4. http://ip/h - URL возвращает значение с датчика DHT11/22.

Код ответа "HTTP/1.1 [значение] OK"
HTTP/1.1 235 OK

Что позволило нам построить графики и поставить триггеры на выход параметров за пределы пороговых.

Подключение MQ135 и DHT-11 к NodeMCU

Изначально стоит определится с питанием. Исходя из информации в Сети и опыта работы MQ135 в силу необходимости нагрева чувствительного элемента потребляет ток до 800 мА, при этом его рабочее напряжение 5 В. NodeMCU работает с напряжением в 3.3 В, использует 3 В логику и выдает максимум 12 мА на пин. Текущая реализация показала, что используемые модули толерантны к логике на 3 В.

Приведенный ниже код основан на примере NodeMCU Server.

Библиотека MQ135 содержит функцию расчета скорректированного значения показаний датчика с поправкой на влажность и температуру. При реальном использовании выяснилось, что при включении увлажнителя в помещении с увеличением влажности росли и показания датчика, что приводило к срабатыванию триггера в Zabbix. Расчет поправочного коэффициента производится по формуле:
k=CORA * t * t - CORB * t + CORC - (h-33.)*CORD , где CORA, CORB, CORC и CORD постоянные, заданные в начале программы.

#include #include #include "DHT.h" #include "Wire.h" #define CORA 0.00035 #define CORB 0.02718 #define CORC 1.39538 #define CORD 0.0018 #define DHTPIN 4 #define DHTTYPE DHT22 #define MQ135APIN A0 #define SOUNDPIN 5 #define LIMIT 360 DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); const char* ssid = "SSID"; const char* password = "PASSWORD"; const boolean debug = 1; float t = 0; float h = 0; float ppmRaw = 0; int timeOut = 0; int count = 0; String header = ""; String footer = ""; String s = ""; WiFiServer server(80); extern "C" { #include "user_interface.h" bool wifi_set_sleep_type(sleep_type_t); sleep_type_t wifi_get_sleep_type(void); } void setup() { pinMode(SOUNDPIN, OUTPUT); if (debug==1) { Serial.begin(115200); delay(10); }; Wire.begin(2, 0); delay(10); dht.begin(); delay(10); if (debug==1) { Serial.println(); Serial.println(); Serial.print("Connecting to "); Serial.println(ssid); }; WiFi.mode(WIFI_STA); wifi_set_sleep_type(NONE_SLEEP_T); WiFi.begin(ssid, password); while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) { delay(500); if (debug==1) Serial.print("."); } server.begin(); if (debug==1) { Serial.println(""); Serial.println("WiFi connected"); Serial.println("Server started"); Serial.println(WiFi.localIP()); }; header = "HTTP/1.1 200 OK\r\n"; header = header + "Content-Type: text/html\r\n\r\n"; header = header + " \r\n"; header = header + " \r\n"; header = header + " \r\n"; header = header + " "; header = header + " NodeMCU \r\n"; header = header + " \r\n"; header = header + " \r\n"; footer = " \r\n"; footer = footer + " \r\n"; } void loop() { h = dht.readHumidity(); t = dht.readTemperature(); if (h == 0.00 or isnan(h)) { h = dht.readHumidity(); }; if (t == 0.00 or isnan(t)) { t = dht.readTemperature(); }; ppmRaw = analogRead(MQ135APIN)*(CORA * t * t - CORB * t + CORC - (h-33.)*CORD); if (ppmRaw>LIMIT) { tone(SOUNDPIN, 100, 10); }; if (debug==1) { Serial.print("H: "); Serial.println(h); Serial.print("t: "); Serial.println(t); Serial.print("Air: "); Serial.println(ppmRaw); Serial.println(WiFi.status()); }; WiFiClient client = server.available(); if (!client) { delay(1000); return; }; if (debug == 1) Serial.println("new client"); while(!client.available()){ delay(1); timeOut = timeOut +1; if (timeOut>=15) { // 500 client.stop(); client.flush(); timeOut = 0; return; // break }; } String req = client.readStringUntil("\r"); if (debug==1) { Serial.println(req); } client.flush(); float heap = ESP.getFreeHeap(); if (req.indexOf("/favicon.ico") != -1) { s = "HTTP/1.1 404 Not found\r\n"; client.print(s); } else if (req.indexOf("/t") != -1) { String answer="HTTP/1.1 " + String(t) + " OK\r\n"; client.print(answer); } else if (req.indexOf("/h") != -1) { String answer="HTTP/1.1 " + String(h) + " OK\r\n"; client.print(answer); } else if (req.indexOf("/a") != -1) { String answer="HTTP/1.1 " + String(ppmRaw) + " OK\r\n"; client.print(answer); } else { client.print(header); client.print(t); client.println("°"); if (h "); client.print(h); client.print(""); } else { client.print(h); }; client.println("%"); client.print(" Air "); client.println(ppmRaw); client.println(footer); client.stop(); client.flush(); return; } delay(1); if (debug==1) Serial.println("Client disonnected"); };

7 мая 2017
Версия 0.3 Денис Пак , генеральный директор