Luftqualitäts-Sensormodul SGP41, VOC und NOx, I2C, 3,3 V

Das Sensormodul SGP41 von Sensirion überwacht die Innenraumluftqualität über zwei unterschiedliche Signale, eines für die flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) und eines für die Stickoxide (NOx). In diesem Tutorial nehmen wir das Modul zusammen mit einem ESP32-Board in Betrieb, da die I2C-Schnittstelle des Sensors nativ mit 3,3 V arbeitet, derselben Logikspannung, die auch der ESP32 verwendet, sodass kein Pegelwandler nötig ist.

Funktionsweise:

Der Sensor SGP41 besitzt zwei MOX-Messelemente, jedes mit seiner eigenen Mikro-Heizplatte. Jedes Element erzeugt ein 16-Bit-Rohsignal, SRAW_VOC und SRAW_NOX, proportional zum Logarithmus des Widerstands der gasempfindlichen Schicht. Diese Rohsignale sind nicht direkt nutzbar, deshalb werden sie durch den Sensirion Gas Index Algorithmus geschickt, der auf dem Mikrocontroller läuft und sie in einen VOC-Index und einen NOx-Index auf einer Skala von 1 bis 500 umwandelt.

Vor der ersten Messung nach jedem Einschalten muss der Sensor 10 s lang konditioniert werden, eine Zeitspanne, in der die Heizplatte des NOx-Elements auf Betriebstemperatur gebracht wird. Nach der Konditionierung werden die Rohsignale einmal pro Sekunde gelesen und jeder Wert wird durch den Gas Index Algorithmus geleitet, der den neuen Messwert mit dem Mittelwert der letzten Betriebsstunden vergleicht und den entsprechenden Index berechnet. Ein VOC-Index von 100 bedeutet, dass die Luft im Durchschnitt gleich wie in den letzten 24 h ist, während ein NOx-Index von 1 das Fehlen oxidierender Gase bedeutet.

Was Sie benötigen:

• 1 x Sensormodul für Luftqualität SGP41, VOC und NOx, I2C, 1.6V
• 1 x Entwicklungsboard ESP32-DevKitC, ESP32-WROOM-32D, 38P
• 1 x Breadboard 830 Punkte MB-102
• 4 x 40 Dupont-Kabel 20cm, Stecker-Stecker

Anschluss:

Das Modul wird mit 3,3 V versorgt, derselben Spannung wie die I2C-Schnittstelle des ESP32, sodass die Verbindung direkt erfolgt, ohne Pegelwandler. Wenn Sie den Sensor mit einem Arduino UNO Board testen, versorgen Sie das Modul über den 3.3V-Pin des Boards und führen Sie die Leitungen SDA und SCL durch einen bidirektionalen Pegelwandler, da die I2C-Pins des UNO mit 5 V arbeiten.

Bibliotheken:

Sensirion I2C SGP41, von Sensirion, für die Kommunikation mit dem Sensor.

Sensirion Gas Index Algorithm, von Sensirion, für die Berechnung von VOC-Index und NOx-Index aus den Rohsignalen.

Wire, die Standardbibliothek für die I2C-Kommunikation, im ESP32-Board-Paket enthalten.

Der Code:

Das Programm konditioniert den Sensor beim Start, liest dann jede Sekunde die Rohsignale und zeigt sie zusammen mit VOC-Index und NOx-Index an.

/*
  SGP41 VOC and NOx Air Quality Sensor with ESP32
  Board: ESP32 Dev Module
  Wiring:
    SGP41 VCC -> ESP32 3V3
    SGP41 GND -> ESP32 GND
    SGP41 SDA -> ESP32 GPIO21
    SGP41 SCL -> ESP32 GPIO22
  Libraries to install from Library Manager:
    Sensirion I2C SGP41 (Sensirion)
    Sensirion Gas Index Algorithm (Sensirion)
*/
#include <Wire.h>
#include <SensirionI2CSgp41.h>
#include <VOCGasIndexAlgorithm.h>
#include <NOxGasIndexAlgorithm.h>
// I2C pins used on the ESP32 dev board
#define I2C_SDA_PIN 21
#define I2C_SCL_PIN 22
// Default humidity and temperature values used when no external RH/T sensor is connected
// 0x8000 corresponds to 50% RH, 0x6666 corresponds to 25 degC, as defined by Sensirion
const uint16_t defaultRh = 0x8000;
const uint16_t defaultT = 0x6666;
SensirionI2CSgp41 sgp41;
VOCGasIndexAlgorithm vocAlgorithm;
NOxGasIndexAlgorithm noxAlgorithm;
uint16_t error;
char errorMessage[256];
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(1000);
  // Start I2C bus on the chosen SDA and SCL pins
  Wire.begin(I2C_SDA_PIN, I2C_SCL_PIN);
  sgp41.begin(Wire);
  Serial.println("SGP41 conditioning, please wait 10 seconds...");
  // Conditioning must run for 10 s before the first raw signal measurement
  uint16_t srawVoc = 0;
  for (int i = 0; i < 10; i++) {
    error = sgp41.executeConditioning(defaultRh, defaultT, srawVoc);
    if (error) {
      Serial.print("Error during conditioning: ");
      Serial.println(error);
    }
    delay(1000);
  }
  Serial.println("Conditioning done, starting measurements.");
}
void loop() {
  uint16_t srawVoc = 0;
  uint16_t srawNox = 0;
  // Read raw VOC and NOx signals once per second
  error = sgp41.measureRawSignals(defaultRh, defaultT, srawVoc, srawNox);
  if (error) {
    Serial.print("Error reading raw signals: ");
    Serial.println(error);
  } else {
    // Convert raw signals into VOC Index and NOx Index using the Gas Index Algorithm
    int32_t vocIndex = vocAlgorithm.process(srawVoc);
    int32_t noxIndex = noxAlgorithm.process(srawNox);
    Serial.print("SRAW_VOC: ");
    Serial.print(srawVoc);
    Serial.print("  SRAW_NOX: ");
    Serial.print(srawNox);
    Serial.print("  VOC Index: ");
    Serial.print(vocIndex);
    Serial.print("  NOx Index: ");
    Serial.println(noxIndex);
  }
  delay(1000);
}

Wie der Code funktioniert:

Im Abschnitt der Definitionen wird das Objekt sgp41 der Klasse SensirionI2CSgp41 erstellt, für die Kommunikation mit dem Sensor, sowie die Objekte vocAlgorithm und noxAlgorithm aus den Bibliotheken VOCGasIndexAlgorithm und NOxGasIndexAlgorithm, die nacheinander die Rohsignale empfangen und die Indizes zurückgeben. Die Konstanten defaultRh und defaultT enthalten die Standardwerte für Luftfeuchtigkeit und Temperatur, die verwendet werden, wenn kein externer Feuchtigkeitssensor vorhanden ist.

In setup wird die serielle Schnittstelle initialisiert, der I2C-Bus mit Wire.begin an den Pins GPIO21 und GPIO22 gestartet, sgp41.begin aufgerufen, um das Objekt mit dem Bus zu verbinden, dann läuft eine Schleife, die executeConditioning 10 Iterationen lang aufruft, jeweils eine pro Sekunde, so wie es der Sensor vor der ersten Messung verlangt.

In loop wird measureRawSignals einmal pro Sekunde aufgerufen, unter Verwendung eines delay von 1000 ms, srawVoc und srawNox werden abgerufen, und die Funktion process jedes Algorithmus wandelt das Rohsignal in den entsprechenden Index um. Die Ergebnisse werden auf dem seriellen Monitor mit Serial.print angezeigt, zusammen mit den Rohsignalen, zur Überprüfung.

Ergebnis:

Öffnen Sie den seriellen Monitor bei 115200 Baud. Nach den 10 s Konditionierung erscheint auf dem Bildschirm eine Zeile pro Sekunde mit den Rohsignalen sowie VOC-Index und NOx-Index, wobei letzterer einige Stunden kontinuierlichen Betriebs benötigt, um vollständig stabile Werte zu erreichen.

SGP41 conditioning, please wait 10 seconds...
Conditioning done, starting measurements.
SRAW_VOC: 24981  SRAW_NOX: 15234  VOC Index: 100  NOx Index: 1
SRAW_VOC: 24975  SRAW_NOX: 15231  VOC Index: 99  NOx Index: 1
SRAW_VOC: 24988  SRAW_NOX: 15229  VOC Index: 101  NOx Index: 1
SRAW_VOC: 25102  SRAW_NOX: 15240  VOC Index: 108  NOx Index: 1
SRAW_VOC: 25310  SRAW_NOX: 15255  VOC Index: 124  NOx Index: 1
SRAW_VOC: 25006  SRAW_NOX: 15233  VOC Index: 102  NOx Index: 1

Häufige Probleme:

Der serielle Monitor zeigt nichts an: Überprüfen Sie die eingestellte serielle Geschwindigkeit von 115200 Baud in Serial.begin und im seriellen Monitor, und prüfen Sie, ob Sie das richtige ESP32-Board in der Arduino IDE ausgewählt haben.

Der Sensor antwortet nicht auf der Adresse 0x59: Überprüfen Sie die Leitungen SDA und SCL, vertauschen Sie sie nicht, und prüfen Sie, ob das Modul mit 3,3 V versorgt wird, nicht mit 5 V.

VOC-Index oder NOx-Index bleiben lange auf demselben Wert hängen: Überprüfen Sie, ob Sie measureRawSignals jede Sekunde ohne Unterbrechung aufrufen, da der Gas Index Algorithmus einen kontinuierlichen Strom von Messwerten benötigt, um sich anzupassen.

Der NOx-Index zeigt hohe Werte, die nicht sinken: Lassen Sie den Sensor einige Stunden kontinuierlich laufen, da die vollständige Stabilisierung des NOx-Index nach dem Einschalten länger dauert als die des VOC-Index.

Die Werte wirken im Vergleich zur realen Umgebung unplausibel: Aktivieren Sie die Feuchtigkeitskompensation, indem Sie in measureRawSignals reale Temperatur- und Feuchtigkeitswerte von einem externen Sensor übermitteln, anstelle der Standardwerte.

Einschränkungen und Tipps:

Das Modul SGP41 bietet eine relative Einschätzung der Luftqualität, keine exakte Konzentration von Stoffen, und darf nicht als Sicherheitsdetektor für giftige oder brennbare Gase verwendet werden. Für stabile Ergebnisse lassen Sie den Sensor kontinuierlich laufen, ohne wiederholtes Ausschalten, und vermeiden Sie die Montage in der Nähe direkter Wärmequellen oder starker Luftströmungen. Für bessere Genauigkeit fügen Sie einen externen Temperatur- und Feuchtigkeitssensor hinzu, zum Beispiel SHT40, dessen Messwerte an den Sensor SGP41 zur Kompensation übermittelt werden. Auf Basis dieses Aufbaus können Sie ein gesteuertes Belüftungssystem bauen, das automatisch einen Ventilator oder Luftreiniger startet, wenn VOC-Index oder NOx-Index einen festgelegten Schwellenwert überschreiten.