SGP41 levegőminőség-érzékelő modul, VOC és NOx, I2C, 3,3 V

A Sensirion SGP41 érzékelős modulja két különálló jellel figyeli a beltéri levegő minőségét, az egyik a illékony szerves vegyületekre (VOC), a másik a nitrogén-oxidokra (NOx) vonatkozik. Ebben az oktatóanyagban egy ESP32 lappal helyezzük üzembe a modult, mivel az érzékelő I2C interfésze natívan 3.3 V-on működik, ugyanazon a logikai feszültségen, amit az ESP32 is használ, így nincs szükség szintillesztőre.

Hogyan működik:

Az SGP41 érzékelőnek két MOX mérőeleme van, mindegyiknek saját mikro-fűtőlapja. Minden elem egy 16 bites nyers jelet állít elő, SRAW_VOC és SRAW_NOX, amely arányos a gázérzékeny réteg ellenállásának logaritmusával. Ezek a nyers jelek önmagukban nem használhatók közvetlenül, ezért a mikrokontrolleren futó Sensirion Gas Index algoritmuson keresztül kerülnek feldolgozásra, amely egy 1-től 500-ig terjedő skálán VOC Index-et és NOx Index-et állít elő.

Minden bekapcsolás után az első mérés előtt az érzékelőt 10 s-ig kondicionálni kell, ezalatt a NOx elem fűtőlapja eléri a munkahőmérsékletet. A kondicionálás után a nyers jeleket másodpercenként egyszer olvassuk be, és mindegyik érték áthalad a Gas Index algoritmuson, amely az új leolvasást összehasonlítja az elmúlt üzemórák átlagával, és kiszámítja a megfelelő indexet. A 100-as VOC Index azt jelenti, hogy a levegő átlagosan olyan, mint az elmúlt 24 h-ban, az 1-es NOx Index pedig az oxidáló gázok hiányát jelzi.

Mire van szükséged:

• 1 x SGP41 levegőminőség érzékelő modul, VOC és NOx, I2C, 1.6V
• 1 x ESP32-DevKitC fejlesztői lap, ESP32-WROOM-32D, 38P
• 1 x Breadboard 830 pontos MB-102
• 4 x 40 db Dupont vezeték 20cm, Apa-Apa

Bekötés:

A modult 3.3 V-ról tápláljuk, ugyanazon a feszültségen, mint az ESP32 I2C interfésze, így a kapcsolat közvetlenül megvalósítható, szintillesztő nélkül. Ha az érzékelőt egy Arduino UNO lappal teszteled, a modult az UNO 3.3V pinjéről táplád, és az SDA és SCL vonalakat vezesd át egy kétirányú logikai szintillesztőn, mivel az UNO I2C pinjei 5 V-on dolgoznak.

Könyvtárak:

Sensirion I2C SGP41, a Sensirion-tól, az érzékelővel való kommunikációhoz.

Sensirion Gas Index Algorithm, a Sensirion-tól, a VOC Index és NOx Index kiszámításához a nyers jelekből.

Wire, az I2C kommunikációhoz használt alap könyvtár, amely az ESP32 rendszerlaphoz van mellékelve.

A kód:

A program bekapcsoláskor kondicionálja az érzékelőt, majd másodpercenként beolvassa a nyers jeleket, és megjeleníti őket a VOC Index-szel és a NOx Index-szel együtt.

/*
  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);
}

Hogyan működik a kód:

A definíciós részben létrejön az sgp41 objektum a SensirionI2CSgp41 osztályból, az érzékelővel való kommunikációhoz, valamint a vocAlgorithm és noxAlgorithm objektumok a VOCGasIndexAlgorithm és NOxGasIndexAlgorithm könyvtárakból, amelyek sorban megkapják a nyers jeleket, és visszaadják az indexeket. A defaultRh és defaultT konstansok az alapértelmezett páratartalom és hőmérséklet értékeket tartalmazzák, amelyeket akkor használunk, ha nincs külső páratartalom-érzékelő.

A setup részben inicializáljuk a soros portot, elindítjuk az I2C buszt a Wire.begin paranccsal a GPIO21 és GPIO22 pinjeken, meghívjuk az sgp41.begin függvényt az objektum buszhoz kötéséhez, majd lefut egy ciklus, amely 10 alkalommal hívja meg az executeConditioning függvényt, másodpercenként egyszer, ahogy azt az érzékelő megköveteli az első mérés előtt.

A loop részben másodpercenként egyszer meghívjuk a measureRawSignals függvényt, 1000 ms-os delay segítségével, kiolvassuk a srawVoc és srawNox értékeket, és mindegyik algoritmus process függvénye átalakítja a nyers jelet a megfelelő indexszé. Az eredményeket a Serial.print segítségével jelenítjük meg a soros monitoron, a nyers jelekkel együtt, ellenőrzés céljából.

Eredmény:

Nyisd meg a soros monitort 115200 baud sebességgel. A 10 s-os kondicionálás után másodpercenként egy sor jelenik meg a képernyőn a nyers jelekkel, valamint a VOC Index és NOx Index értékekkel, az utóbbinak néhány óra folyamatos működésre van szüksége a teljesen stabil értékekhez.

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

Gyakori problémák:

A soros monitor nem jelenít meg semmit: ellenőrizd, hogy a soros sebesség 115200 baud-ra van-e állítva a Serial.begin-ben és a soros monitorban is, és ellenőrizd, hogy a megfelelő ESP32 lapot választottad-e ki az Arduino IDE-ben.

Az érzékelő nem válaszol a 0x59 címen: ellenőrizd az SDA és SCL vezetékeket, ne cseréld fel őket egymással, és ellenőrizd, hogy a modul 3.3 V-ról van táplálva, nem 5 V-ról.

A VOC Index vagy a NOx Index hosszú ideig ugyanazon az értéken marad: ellenőrizd, hogy a measureRawSignals-t minden másodpercben megszakítás nélkül meghívod-e, mivel a Gas Index algoritmusnak folyamatos leolvasási folyamra van szüksége az alkalmazkodáshoz.

A NOx Index magas értékeket mutat, amelyek nem csökkennek: hagyd az érzékelőt néhány órán át folyamatosan működni, mivel a NOx Index teljes stabilizálódása bekapcsolás után tovább tart, mint a VOC Index-é.

Az értékek a valós környezethez képest furcsának tűnnek: aktiváld a páratartalom-kompenzációt, a measureRawSignals-nak valós hőmérséklet és páratartalom értékeket küldve egy külső érzékelőtől, az alapértelmezett értékek helyett.

Korlátok és tanácsok:

Az SGP41 modul a levegő minőségének relatív becslését adja, nem pontos anyagkoncentrációt, és nem szabad biztonsági érzékelőként használni mérgező vagy gyúlékony gázokhoz. A stabil eredmények érdekében tartsd az érzékelőt folyamatos üzemben, ismételt leállítások nélkül, és kerüld a közvetlen hőforrások vagy erős légáramlatok közelébe való szerelést. Jobb pontosság érdekében adj hozzá egy külső hőmérséklet- és páratartalom-érzékelőt, például SHT40-et, amelynek leolvasásait az SGP41 érzékelőnek továbbítod kompenzáció céljából. Erre az összeállításra alapozva egy szabályozott szellőztető rendszert is építhetsz, amely automatikusan beindít egy ventilátort vagy légtisztítót, amikor a VOC Index vagy a NOx Index meghalad egy beállított küszöbértéket.