Modul senzor de calitate a aerului SGP41, VOC si NOx, I2C, 3.3V

Modulul cu senzorul SGP41 de la Sensirion monitorizeaza calitatea aerului din interior prin doua semnale distincte, unul pentru compusii organici volatili (VOC) si unul pentru oxizii de azot (NOx). In acest tutorial punem modulul in functiune cu o placa ESP32, pentru ca interfata I2C a senzorului functioneaza nativ la 3.3 V, aceeasi tensiune logica folosita de ESP32, fara sa fie nevoie de un convertor de nivel.

Cum functioneaza:

Senzorul SGP41 are doua elemente de masurare MOX, fiecare cu propria micro-placa de incalzire. Fiecare element produce un semnal brut pe 16 biti, SRAW_VOC si SRAW_NOX, proportional cu logaritmul rezistentei stratului sensibil la gaz. Aceste semnale brute nu sunt direct utile, de aceea se trimit prin algoritmul Sensirion Gas Index, rulat pe microcontroler, care le transforma intr-un Index VOC si un Index NOx pe o scala de la 1 la 500.

Inainte de prima masuratoare dupa fiecare pornire, senzorul trebuie conditionat timp de 10 s, perioada in care hotplate-ul elementului NOx este adus la temperatura de lucru. Dupa conditionare, se citesc semnalele brute o data pe secunda si fiecare valoare este trecuta prin algoritmul Gas Index, care compara noua citire cu media ultimelor ore de functionare si calculeaza indexul corespunzator. Un Index VOC de 100 inseamna ca aerul este in medie la fel ca in ultimele 24 h, iar un Index NOx de 1 inseamna absenta gazelor oxidante.

Ce ai nevoie:

• 1 x Modul senzor de calitate a aerului SGP41, VOC si NOx, I2C, 1.6V
• 1 x Placa dezvoltare ESP32-DevKitC, ESP32-WROOM-32D, 38P
• 1 x Breadboard 830 puncte MB-102
• 4 x 40 Fire Dupont 20cm, Tata-Tata

Conectare:

Modulul se alimenteaza la 3.3 V, aceeasi tensiune ca interfata I2C a ESP32, asa ca legatura se face direct, fara convertor de nivel logic. Daca testati senzorul cu o placa Arduino UNO, alimentati modulul de la pinul 3.3V al placii si treceti liniile SDA si SCL printr-un convertor de nivel logic bidirectional, pentru ca pinii I2C ai UNO lucreaza la 5 V.

Biblioteci:

Sensirion I2C SGP41, de la Sensirion, pentru comunicatia cu senzorul.

Sensirion Gas Index Algorithm, de la Sensirion, pentru calculul Index VOC si Index NOx din semnalele brute.

Wire, biblioteca standard pentru comunicatia I2C, inclusa in placa de sistem ESP32.

Codul:

Programul conditioneaza senzorul la pornire, apoi citeste la fiecare secunda semnalele brute si le afiseaza impreuna cu Index VOC si 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);
}

Cum functioneaza codul:

In sectiunea de definitii se creeaza obiectul sgp41 din clasa SensirionI2CSgp41, pentru comunicatia cu senzorul, si obiectele vocAlgorithm si noxAlgorithm din bibliotecile VOCGasIndexAlgorithm si NOxGasIndexAlgorithm, care primesc pe rand semnalele brute si returneaza indexii. Constantele defaultRh si defaultT contin valorile implicite de umiditate si temperatura folosite cand nu exista un senzor extern de umiditate.

In setup se initializeaza portul serial, se porneste magistrala I2C cu Wire.begin pe pinii GPIO21 si GPIO22, se apeleaza sgp41.begin pentru legarea obiectului la magistrala, apoi se ruleaza o bucla care apeleaza executeConditioning timp de 10 iteratii, cate una pe secunda, asa cum cere senzorul inainte de prima masuratoare.

In loop se apeleaza measureRawSignals o data pe secunda, folosind delay de 1000 ms, se preiau srawVoc si srawNox, iar functia process a fiecarui algoritm transforma semnalul brut in indexul corespunzator. Rezultatele sunt afisate pe monitorul serial cu Serial.print, impreuna cu semnalele brute, pentru verificare.

Rezultat:

Deschideti monitorul serial la 115200 baud. Dupa cele 10 s de conditionare, pe ecran apare cate o linie pe secunda cu semnalele brute si cu Index VOC si Index NOx, acesta din urma avand nevoie de cateva ore de functionare continua pentru valori complet stabile.

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

Probleme frecvente:

Monitorul serial nu afiseaza nimic: verificati viteza seriala setata la 115200 baud in Serial.begin si in monitorul serial, si verificati ca ati selectat placa ESP32 corecta in Arduino IDE.

Senzorul nu raspunde la adresa 0x59: verificati firele SDA si SCL, nu le inversati intre ele, si verificati ca modulul este alimentat la 3.3 V, nu la 5 V.

Index VOC sau Index NOx raman blocate la aceeasi valoare mult timp: verificati ca apelati measureRawSignals la fiecare secunda fara intrerupere, deoarece algoritmul Gas Index are nevoie de un flux continuu de citiri pentru a se adapta.

Index NOx are valori mari care nu scad: lasati senzorul sa functioneze continuu cateva ore, pentru ca stabilizarea completa a Index NOx dupa pornire dureaza mai mult decat cea a Index VOC.

Valorile par aberante fata de mediul real: activati compensarea de umiditate, trimitand in measureRawSignals valori reale de temperatura si umiditate de la un senzor extern, in loc de valorile implicite.

Limitari si sfaturi:

Modulul SGP41 ofera o estimare relativa a calitatii aerului, nu o concentratie exacta de substante, si nu trebuie folosit ca detector de siguranta pentru gaze toxice sau combustibile. Pentru rezultate stabile tineti senzorul in functionare continua, fara opriri repetate, si evitati montarea langa surse directe de caldura sau curenti de aer puternici. Pentru precizie mai buna adaugati un senzor extern de temperatura si umiditate, de exemplu SHT40, ale carui citiri sa fie transmise senzorului SGP41 pentru compensare. Pe baza acestui montaj puteti construi un sistem de ventilatie controlata, care porneste automat un ventilator sau un purificator de aer cand Index VOC sau Index NOx depasesc un prag stabilit.