Modulo sensore di qualità dell’aria SGP41, VOC e NOx, I2C, 3.3V

Il modulo con il sensore SGP41 di Sensirion monitora la qualità dell'aria interna tramite due segnali distinti, uno per i composti organici volatili (VOC) e uno per gli ossidi di azoto (NOx). In questo tutorial mettiamo in funzione il modulo con una scheda ESP32, perché l'interfaccia I2C del sensore funziona nativamente a 3.3 V, la stessa tensione logica usata dall'ESP32, senza bisogno di un convertitore di livello.

Come funziona:

Il sensore SGP41 ha due elementi di misura MOX, ciascuno con la propria micro-piastra riscaldante. Ogni elemento produce un segnale grezzo a 16 bit, SRAW_VOC e SRAW_NOX, proporzionale al logaritmo della resistenza dello strato sensibile al gas. Questi segnali grezzi non sono direttamente utili, per questo vengono elaborati tramite l'algoritmo Sensirion Gas Index, eseguito sul microcontrollore, che li trasforma in un Index VOC e un Index NOx su una scala da 1 a 500.

Prima della prima misurazione dopo ogni accensione, il sensore deve essere condizionato per 10 s, periodo in cui l'hotplate dell'elemento NOx viene portato alla temperatura di lavoro. Dopo il condizionamento, i segnali grezzi vengono letti una volta al secondo e ogni valore viene elaborato tramite l'algoritmo Gas Index, che confronta la nuova lettura con la media delle ultime ore di funzionamento e calcola l'index corrispondente. Un Index VOC di 100 significa che l'aria è in media uguale a quella delle ultime 24 h, mentre un Index NOx di 1 indica l'assenza di gas ossidanti.

Cosa ti serve:

• 1 x Modulo sensore di qualità dell'aria SGP41, VOC e NOx, I2C, 1.6V
• 1 x Scheda di sviluppo ESP32-DevKitC, ESP32-WROOM-32D, 38P
• 1 x Breadboard 830 punti MB-102
• 4 x 40 Fili Dupont 20cm, Maschio-Maschio

Collegamento:

Il modulo si alimenta a 3.3 V, la stessa tensione dell'interfaccia I2C dell'ESP32, quindi il collegamento si fa direttamente, senza convertitore di livello logico. Se testate il sensore con una scheda Arduino UNO, alimentate il modulo dal pin 3.3V della scheda e fate passare le linee SDA e SCL attraverso un convertitore di livello logico bidirezionale, perché i pin I2C dell'UNO lavorano a 5 V.

Librerie:

Sensirion I2C SGP41, di Sensirion, per la comunicazione con il sensore.

Sensirion Gas Index Algorithm, di Sensirion, per il calcolo dell'Index VOC e dell'Index NOx a partire dai segnali grezzi.

Wire, libreria standard per la comunicazione I2C, inclusa nella scheda di sistema ESP32.

Il codice:

Il programma condiziona il sensore all'avvio, poi legge ogni secondo i segnali grezzi e li visualizza insieme all'Index VOC e all'Index NOx.

/*
  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);
}

Come funziona il codice:

Nella sezione delle definizioni viene creato l'oggetto sgp41 dalla classe SensirionI2CSgp41, per la comunicazione con il sensore, e gli oggetti vocAlgorithm e noxAlgorithm dalle librerie VOCGasIndexAlgorithm e NOxGasIndexAlgorithm, che ricevono a turno i segnali grezzi e restituiscono gli index. Le costanti defaultRh e defaultT contengono i valori predefiniti di umidità e temperatura usati quando non è presente un sensore esterno di umidità.

Nel setup viene inizializzata la porta seriale, viene avviato il bus I2C con Wire.begin sui pin GPIO21 e GPIO22, viene chiamato sgp41.begin per collegare l'oggetto al bus, poi viene eseguito un ciclo che chiama executeConditioning per 10 iterazioni, una al secondo, come richiesto dal sensore prima della prima misurazione.

Nel loop viene chiamato measureRawSignals una volta al secondo, usando un delay di 1000 ms, vengono prelevati srawVoc e srawNox, e la funzione process di ciascun algoritmo trasforma il segnale grezzo nell'index corrispondente. I risultati vengono visualizzati sul monitor seriale con Serial.print, insieme ai segnali grezzi, per verifica.

Risultato:

Aprite il monitor seriale a 115200 baud. Dopo i 10 s di condizionamento, sullo schermo appare una riga al secondo con i segnali grezzi e con l'Index VOC e l'Index NOx, quest'ultimo avendo bisogno di alcune ore di funzionamento continuo per valori completamente stabili.

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

Problemi frequenti:

Il monitor seriale non mostra nulla: verificate la velocità seriale impostata a 115200 baud in Serial.begin e nel monitor seriale, e verificate di aver selezionato la scheda ESP32 corretta in Arduino IDE.

Il sensore non risponde all'indirizzo 0x59: verificate i fili SDA e SCL, non invertiteli tra loro, e verificate che il modulo sia alimentato a 3.3 V, non a 5 V.

L'Index VOC o l'Index NOx restano bloccati sullo stesso valore per molto tempo: verificate di chiamare measureRawSignals ogni secondo senza interruzioni, perché l'algoritmo Gas Index ha bisogno di un flusso continuo di letture per adattarsi.

L'Index NOx ha valori alti che non scendono: lasciate il sensore in funzione continua per alcune ore, perché la stabilizzazione completa dell'Index NOx dopo l'accensione richiede più tempo rispetto a quella dell'Index VOC.

I valori sembrano anomali rispetto all'ambiente reale: attivate la compensazione dell'umidità, inviando a measureRawSignals valori reali di temperatura e umidità da un sensore esterno, invece dei valori predefiniti.

Limitazioni e consigli:

Il modulo SGP41 offre una stima relativa della qualità dell'aria, non una concentrazione esatta di sostanze, e non deve essere usato come rilevatore di sicurezza per gas tossici o combustibili. Per risultati stabili tenete il sensore in funzionamento continuo, senza spegnimenti ripetuti, ed evitate di montarlo vicino a fonti dirette di calore o correnti d'aria forti. Per una precisione migliore aggiungete un sensore esterno di temperatura e umidità, per esempio SHT40, le cui letture vengano trasmesse al sensore SGP41 per la compensazione. Sulla base di questo montaggio potete costruire un sistema di ventilazione controllata, che avvia automaticamente una ventola o un purificatore d'aria quando l'Index VOC o l'Index NOx superano una soglia stabilita.