W Zimie głośno było o smogu: pyłach i ogólnie o jakości powietrza, którym oddychamy na co dzień. W większych miastach są stacje, które mierzą stopień zanieczyszczenia powietrza ale jest ich niewiele więc o ile nie mieszkamy blisko takiej stacji to te informacje mogą jedynie pomóc zorientować się w jakim stopniu powietrze jest zanieczyszczone w danym regionie. Bieżące dane z całej Polski można znaleźć tutaj. Ponieważ chciałem mieć dokładne dane jaki jest stan powietrza w mieszkaniu postanowiłem samemu sklecić układ, który mierzyłby jego jakość.

Dla dociekliwych i wybrednych zadających sobie pytanie co to ma wspólnego z chmurą obliczeniową podaję hasło po którym wszystko powinno stać się jasne Internet Of Things 🙂

Wykorzystane moduły

Wybór padł na Arduino. Nie potrzebuję układu z systemem operacyjnym do wykonywania bardziej złożonych zadań (np. Raspberry Pi). To na czym mi zależy to jedynie pomiar jakości powietrza wraz z jego temperaturą i wilgotnością. No i fajnie by było odkładać te dane gdzieś online tak żeby można było je sprawdzać jak nie ma mnie w domu. Do tego wszystkiego Arduino spokojnie wystarczy.

Poniżej podaję nazwy układów wraz z krótkim opisem ich funkcji:

Arduino Uno WiFi – główny mikrokontroler. To do niego wszystko trzeba podłączyć i to on zapewnia komunikację zarówno modułów jak i z siecią Internet za pomocą wbudowanego WiFi
Base Shield v2 Grove – nakładka na główny mikrokontroler. Zapewnia łatwy sposób na podłączanie modułów do mikrokontrolera
MP503 v1.3 – mierzy ogólny poziom zanieczyszczenia powietrza czyli stężenie szkodliwych gazów. UWAGA: nie dostarcza danych na temat stężenia konkretnego gazu, raczej informuje o ogólnym poziomie jakości powietrza
Shinyei PPD42NS – mierzy zawartość pyłu PM2,5 oraz PM10 w powietrzu. To właśnie te cząsteczki tworzą smog. Te o średnicy mniejszej niż 2,5 µm są bardziej szkodliwe ponieważ są mniejsze i mogą dostawać się do krwioobiegu i ogólnie są gorsze dla organizmu
TH02 – mierzy temperaturę i wilgotność powietrza. Niestety z tym modułem jest trochę kłopotów ale o tym za chwilę

Teraz to wszystko trzeba jeszcze ze sobą połączyć. Dzięki nakładce Grove jest to proste – wystarczy wpiąć odpowiedni kabelek do wyjścia. Poniżej zamieszczam zdjęcia jak to połączyłem.

Jedna ważna uwaga – to że czujnik cząstek stałych wisi sobie pionowo a reszta luźno lata to nie przypadek. Tylko pionowo umieszczony czujnik zapewnia prawidłowe pomiary. W dodatku warto zakleić/zakryć otwór na wierzchniej stronie czujnika – dzięki temu pomiary będą bardziej wiarygodne. Czujnik mierzy cząstki przez niego przefruwające laserem więc jakiekolwiek dodatkowe źródło światła może zakłamać pomiary.

Pewnie zauważyliście że czujnik Shinyei do płytki Grove jest podłączony przez „przejściówkę” 😉 Sposób połączenia jest następujący (skrajny lewy kabelek czujnika cząstek stałych zostaje nie podłączony):

Jeśli chcemy podłączyć się do sieci należy jeszcze wykonać czynności opisane w tym miejscu. A jak już podłączymy się do sieci to możemy pokusić się o przesyłanie danych pomiarowych do jakiegoś serwisu, który ładnie je wyświetli i pokaże w przeglądarce 🙂

Zbieranie danych i ich dalsza obróbka

Wybrałem Thingspeak, ponieważ zapewnia darmowy interfejs i wizualizację przesłanych danych na wykresie. Nic więcej mi do szczęścia nie potrzeba. Brałem pod uwagę jeszcze Xively ale coś się pozmieniało w ich polityce i zrobili się bardziej komercyjni więc ostatecznie padło na Thingspeak. Po założeniu konta należy utworzyć kanał do którego będziemy pisać (nie ma znaczenia czy kanał jest publiczny lub prywatny) i skopiować jego klucz API (write API key). Ten klucz będzie nam potrzebny przy programowaniu układu do zdefiniowania połączenia czujnik – Thingspeak.

Programowanie układu

Czas ubrudzić sobie ręce 🙂 Do programowania Arduino wykorzystujemy Arduino IDE oraz język C/C++. IDE należy pobrać oraz zainstalować z oficjalnej strony Arduino. Mikrokontroler można połączyćz IDE na dwa sposoby: WiFi lub USB. Wystarczy podpiąć kabel lub sieć i z poziomu aplikacji wybrać rodzaj mikrokontrolera, który będziemy programować (menu Tools). Następnie w tym samym menu rozwijamy Port i tam wybieramy odpowiednio port COM po którym będziemy się łączyć (jeśli przez USB) lub adres IP urządzenia (jeśli przez sieć). Teraz do mikrokontrolera można wgrywać programy i dać mu coś do roboty.

Przykładowe mniej lub bardziej skomplikowane programy znajdują się w menu File – Examples. Możemy z nich skorzystać żeby zorientować się jak to działa i zdiagnozować czy układ programuje się poprawnie (np. czy diody świecą poprawnie). Program ładuje się do układu przyciskiem ze strzałeczką skierowaną w prawo zaraz pod menu (File, Edit, itd.) aplikacji lub skrótem klawiaturowym Ctrl + U. Najpierw następuje kompilacja a następnie próba załadowania programu do pamięci mikrokontrolera. W razie jakichś problemów zostaniecie o tym poinformowani przez IDE. Po załadowaniu programu do pamięci, natychmiast rozpoczyna on swoją pracę.

Po tym wprowadzeniu omówię kod składający się na program wykonywujący się w moim układzie:

#include <UnoWiFiDevEd.h>
#include <TH02_dev.h>
#include "AirQuality.h"
#include "Arduino.h"

    #define CONNECTOR     "rest"
    #define SERVER_ADDR    "api.thingspeak.com"
    #define APIKEY_THINGSPEAK "xxxxxxxxxxxxxxx";

    unsigned long starttime;
    unsigned long sampletime_ms = 3600000; // TIME BETWEEN MEASURES AND UPDATES
    unsigned long triggerOnP2;
    unsigned long triggerOffP2;
    unsigned long pulseLengthP2;
    unsigned long durationP2;
    boolean valP2 = HIGH;
    boolean triggerP2 = false;
    float ratioP2 = 0;
    float countP2;
    float concLarge;
    unsigned long triggerOnP1;
    unsigned long triggerOffP1;
    unsigned long pulseLengthP1;
    unsigned long durationP1;
    boolean valP1 = HIGH;
    boolean triggerP1 = false;
    float ratioP1 = 0;
    float countP1;
    float concSmall;
    AirQuality airqualitysensor;
    int current_quality =-1;
   
    void setup() {
      pinMode(8, INPUT); // > 1um
      starttime = millis();
     
      // Power up,delay 150ms,until voltage is stable for TH module to work
      delay(150);
      // Reset HP20x_dev
      //TH02.begin();
      delay(100);
    
      Ciao.begin();
      Ciao.println("Ciao is ready");
    
      airqualitysensor.init(14);
    }
   
    void measure(){
      valP1 = digitalRead(8); // > 1um
      valP2 = digitalRead(9); // > 2.5um

      if(valP1 == LOW && triggerP1 == false){
        triggerP1 = true;
        triggerOnP1 = micros();
      }
      if (valP1 == HIGH && triggerP1 == true){
        triggerOffP1 = micros();
        pulseLengthP1 = triggerOffP1 - triggerOnP1;
        durationP1 = durationP1 + pulseLengthP1;
        triggerP1 = false;
      }

      if(valP2 == LOW && triggerP2 == false){
        triggerP2 = true;
        triggerOnP2 = micros();
      }
      if (valP2 == HIGH && triggerP2 == true){
        triggerOffP2 = micros();
        pulseLengthP2 = triggerOffP2 - triggerOnP2;
        durationP2 = durationP2 + pulseLengthP2;
        triggerP2 = false;
      }

      if ((millis() - starttime) > sampletime_ms) {
        // Integer percentage 0=>100
        ratioP1 = durationP1/(sampletime_ms*10.0); // Integer percentage 0=>100
        ratioP2 = durationP2/(sampletime_ms*10.0);

        countP1 = 1.1*pow(ratioP1,3)-3.8*pow(ratioP1,2)+520*ratioP1+0.62;
        countP2 = 1.1*pow(ratioP2,3)-3.8*pow(ratioP2,2)+520*ratioP2+0.62;
        float PM10count = countP1;
        float PM25count = countP1 - countP2;

        //PM10 count to mass concentration conversion
        double r10 = 2.6*pow(10,-6);
        double pi = 3.14159;
        double vol10 = (4/3)*pi*pow(r10,3);
        double density = 1.65*pow(10,12);
        double mass10 = density*vol10;
        double K = 3531.5;
        concLarge = (PM10count)*K*mass10;
       
        //PM2.5 count to mass concentration conversion
        double r25 = 0.44*pow(10,-6);
        double vol25 = (4/3)*pi*pow(r25,3);
        double mass25 = density*vol25;
        concSmall = (PM25count)*K*mass25;

        // Measure the temperature
        //float temper = TH02.ReadTemperature();

        // Measure the humidity
        //float humidity = TH02.ReadHumidity();

        // Check the air pollution (harmful gases)
        current_quality=airqualitysensor.slope();

        String uri = "/update?api_key=";
        uri += APIKEY_THINGSPEAK;
        uri +="&field1=";
        uri += String(concLarge);
        uri +="&field2=";
        uri += String(concSmall);
        uri +="&field3=";
        uri += String(temper);
        uri +="&field4=";
        uri += String(humidity);
        uri +="&field5=";
        uri += String(current_quality);
             
        Ciao.println("Send data on ThingSpeak Channel");
        CiaoData data = Ciao.write(CONNECTOR, SERVER_ADDR, uri);
        if (!data.isEmpty()){
          Ciao.println("PM10: " + String(concLarge));
          Ciao.println("PM2.5: " + String(concSmall));
          Ciao.println( "State: " + String (data.get(1)) );
          Ciao.println( "Response: " + String (data.get(2)) );
        }
        else{
          Ciao.println("Write Error");
        }

        //Reset Values
        durationP1 = 0;
        durationP2 = 0;
        starttime = millis();
      }
    }
    void loop() {
      measure(); // Recall of the measure program
    }
   
    ISR(TIMER1_OVF_vect)
    {
      if(airqualitysensor.counter==61)//set 2 seconds as a detected duty
      {
        airqualitysensor.last_vol=airqualitysensor.first_vol;
        airqualitysensor.first_vol=analogRead(A0);
        airqualitysensor.counter=0;
        airqualitysensor.timer_index=1;
        PORTB=PORTB^0x20;
      }
      else
      {
        airqualitysensor.counter++;
      }
    }

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120

121

122

123

124

125

126

127

128

129

130

131

132

133

134

135

136

137

138

139

140

141

142

143

144

145

146

147

148

149

150

151

152

153

154

155

156

157

158

#include <UnoWiFiDevEd.h>

#include <TH02_dev.h>

#include "AirQuality.h"

#include "Arduino.h"

#define CONNECTOR "rest"

#define SERVER_ADDR "api.thingspeak.com"

#define APIKEY_THINGSPEAK "xxxxxxxxxxxxxxx";

unsigned long starttime;

unsigned long sampletime_ms = 3600000; // TIME BETWEEN MEASURES AND UPDATES

unsigned long triggerOnP2;

unsigned long triggerOffP2;

unsigned long pulseLengthP2;

unsigned long durationP2;

boolean valP2 = HIGH;

boolean triggerP2 = false;

float ratioP2 = 0;

float countP2;

float concLarge;

unsigned long triggerOnP1;

unsigned long triggerOffP1;

unsigned long pulseLengthP1;

unsigned long durationP1;

boolean valP1 = HIGH;

boolean triggerP1 = false;

float ratioP1 = 0;

float countP1;

float concSmall;

AirQuality airqualitysensor;

int current_quality =-1;

void setup() {

pinMode(8, INPUT); // > 1um

starttime = millis();

// Power up,delay 150ms,until voltage is stable for TH module to work

delay(150);

// Reset HP20x_dev

//TH02.begin();

delay(100);

Ciao.begin();

Ciao.println("Ciao is ready");

airqualitysensor.init(14);

}

void measure(){

valP1 = digitalRead(8); // > 1um

valP2 = digitalRead(9); // > 2.5um

if(valP1 == LOW && triggerP1 == false){

triggerP1 = true;

triggerOnP1 = micros();

}

if (valP1 == HIGH && triggerP1 == true){

triggerOffP1 = micros();

pulseLengthP1 = triggerOffP1 - triggerOnP1;

durationP1 = durationP1 + pulseLengthP1;

triggerP1 = false;

}

if(valP2 == LOW && triggerP2 == false){

triggerP2 = true;

triggerOnP2 = micros();

}

if (valP2 == HIGH && triggerP2 == true){

triggerOffP2 = micros();

pulseLengthP2 = triggerOffP2 - triggerOnP2;

durationP2 = durationP2 + pulseLengthP2;

triggerP2 = false;

}

if ((millis() - starttime) > sampletime_ms) {

// Integer percentage 0=>100

ratioP1 = durationP1/(sampletime_ms*10.0); // Integer percentage 0=>100

ratioP2 = durationP2/(sampletime_ms*10.0);

countP1 = 1.1*pow(ratioP1,3)-3.8*pow(ratioP1,2)+520*ratioP1+0.62;

countP2 = 1.1*pow(ratioP2,3)-3.8*pow(ratioP2,2)+520*ratioP2+0.62;

float PM10count = countP1;

float PM25count = countP1 - countP2;

//PM10 count to mass concentration conversion

double r10 = 2.6*pow(10,-6);

double pi = 3.14159;

double vol10 = (4/3)*pi*pow(r10,3);

double density = 1.65*pow(10,12);

double mass10 = density*vol10;

double K = 3531.5;

concLarge = (PM10count)*K*mass10;

//PM2.5 count to mass concentration conversion

double r25 = 0.44*pow(10,-6);

double vol25 = (4/3)*pi*pow(r25,3);

double mass25 = density*vol25;

concSmall = (PM25count)*K*mass25;

// Measure the temperature

//float temper = TH02.ReadTemperature();

// Measure the humidity

//float humidity = TH02.ReadHumidity();

// Check the air pollution (harmful gases)

current_quality=airqualitysensor.slope();

String uri = "/update?api_key=";

uri += APIKEY_THINGSPEAK;

uri +="&field1=";

uri += String(concLarge);

uri +="&field2=";

uri += String(concSmall);

uri +="&field3=";

uri += String(temper);

uri +="&field4=";

uri += String(humidity);

uri +="&field5=";

uri += String(current_quality);

Ciao.println("Send data on ThingSpeak Channel");

CiaoData data = Ciao.write(CONNECTOR, SERVER_ADDR, uri);

if (!data.isEmpty()){

Ciao.println("PM10: " + String(concLarge));

Ciao.println("PM2.5: " + String(concSmall));

Ciao.println( "State: " + String (data.get(1)) );

Ciao.println( "Response: " + String (data.get(2)) );

}

else{

Ciao.println("Write Error");

}

//Reset Values

durationP1 = 0;

durationP2 = 0;

starttime = millis();

}

void loop() {

measure(); // Recall of the measure program

}

ISR(TIMER1_OVF_vect)

{

if(airqualitysensor.counter==61)//set 2 seconds as a detected duty

{

airqualitysensor.last_vol=airqualitysensor.first_vol;

airqualitysensor.first_vol=analogRead(A0);

airqualitysensor.counter=0;

airqualitysensor.timer_index=1;

PORTB=PORTB^0x20;

}

else

{

airqualitysensor.counter++;

}

Na samym początku definiuję stałe z namiarem na moje konto do Thingspeak – najważniejszy jest klucz API – można go znaleźć w ustawieniu swojego kanału w Thingspeak. Sam skrypt jest podzielony na 3 główne funkcje: setup, loop i measure:

Setup: inicjuje moduły i piny z których będą odczytywane dane
Loop: funkcja która w pętli wykonuje swoje zadania. W moim przypadku w pętli wykonuje się funkcja measure, o której poniżej
Measure: to tutaj są wykonywane pomiary i obliczenia

Jak się przyjrzycie to zauważycie że moduł pomiaru temperatury i wilgotności jest nieużywany. Testowałem tą konfigurację długo i wyszło na to że ten czujnik który jest podłączany za pomocą interfejsu I2C gryzie się z biblioteką Ciao, którą wykorzystuję do łączenia się z WiFi i wyświetlania informacji diagnostycznych w konsoli WiFi (na stronce urządzenia). Pytałem na różnych forach ale nigdzie nie uzyskałem żadnej odpowiedzi jak ten konflikt rozwiązać, więc póki co zbieram dane tylko na temat cząstek PM2,5 i PM10 w powietrzu jak i o ogólnej jego jakości. Odstępy czasu co ile zbieram dane ustalam w zmiennej sampletime_ms. Jest to wartość w milisekundach więc 3600000 oznacza że dane będą szły do Thingspeak co godzinę.

Ogólna jakość powietrza jest wyliczana z wartości napięcia czujnika i w efekcie będzie on zwracał wartości liczbowe oznaczające poziom zanieczyszczenia powietrza. Dokładny sposób działania jest wyjaśniony tutaj.

Poniżej wykresy które generuje dla mnie Thingspeak na podstawie danych mierzonych i wysyłanych przez Arduino:

I to w zasadzie wszystko. Jeśli uda się wam pogodzić bibliotekę Ciao z czujnikiem TH02 to dajcie proszę znać 🙂 A ja w tym czasie pomyślę jak te dane wykorzystać w chmurze.

Poniżej jeszcze pomocne linki:

Wykorzystane moduły

Zbieranie danych i ich dalsza obróbka

Programowanie układu

Podziel się:

Dodaj komentarz Anuluj pisanie odpowiedzi