Jaké senzory nesmí chybět?

Senzor teploty, který má dnes vždy i senzor vlhkosti. Venkovní senzor tlaku jsem nikdy nevyužil a chytrá domácnost pro něj nemá využití. Senzor oxidu uhličitého vás naučí správně větrat. Pomůže vám zajistit trvalý přístup čerstvého vzduchu. Senzor prachových částic je důležitý hlavně pro venkovní použití, protože vás včas upozorní, kdy naopak nevětrat. V místnosti vám ukáže prašnost způsobenou vámi nebo způsobenou větráním v nevhodný čas. Senzor TVOC měří těkavé organické sloučeniny (Volatile Organic Compound), avšak neměří plyny odděleně, ale jejich směs TotalVOC jako celkový nárůst nebezpečných látek. Cílem není ukázat přesné hodnoty, ale v souhrnu upozornit, že něco právě způsobuje znečištění vzduchu, a je třeba řádně vyvětrat. Pokud potřebujete ohlídat místnost před konkrétním nebezpečným plynem přesně, tak na to jsou vhodné senzory s označením MQ-číslo, která však vyžadují kalibraci, větší zahřívání a analogové čtení. Jejich použití s ostatními senzory není vhodné.

Ten nejdůležitější senzor je ale ten virtuální, index nebo procenta, která uživateli řeknou, jaký je celkový stav ovzduší. Reálné hodnoty jsou hezká věc, ale nakonec potřebujete prostě jen vědět, zda je třeba větrat pro nedostatek čerstvého vzduchu nebo už je stav vzduchu tak špatný, že je třeba větrat okamžitě. Index o stavu ovzduší venku říká, zda je vhodné větrat nebo dokonce stav vzduchu je tak špatný, že není rozumné ani vycházet ven. Ano i na takových místech lidé žijí, stačí když vám v okolí zatopí každý domeček svinstvem, aby ušetřili a nemrzli, a těm je samozřejmě jedno, že ostatní kolem nemohou větrat a zdravě dýchat. Tento virtuální senzor musí ohodnotit výstup z každého senzoru a přiložit mu odpovídající váhu. Prakticky stačí výsledné tři stavy – 1 vzduch čistý, 2 vzduch lehce znečištění, 3 vzduch silně znečištěný. Kombinací virtuálního senzoru venku a doma pak bude chytrá domácnost schopna ovládat kompletně logiku větrání a topení bezchybně. To je princip jednoduché efektivní automatizace.

Oxid uhličitý

Jestli bylo jednoduché vybrat nějaký senzor, tak to byl senzor oxidu uhličitého. NDIR (Non Dispersive Infra-Red) senzor využívá fakt, že molekuly CO₂ absorbují infračervené záření určitých vlnových délek. Čím je koncentrace CO₂ vyšší, tím více záření CO₂ absorbuje. Zdroj infračerveného záření je umístěn na jednom konci trubice a na druhém konci jsou umístěny dva snímače s optickými filtry. Všechny tyto senzory jsou kalibrované a dostatečně přesné, ale senzor Sensirion SCD30 vybočuje. Tento senzor jako jediný má komory dvě. Jedna komora obměňuje vzduch a druhá je trvale uzavřená. Protože zdroj záření slábne v čase, uzavřená komoro slouží jako referenční hodnota poklesu zářiče. Kvalita měření díky tomu zůstává i po letech na vysoké úrovni. A aby to nebylo málo, tak tento senzor je teplotně kompenzovaný díky osazení termistorem. Za stejnou cenu získáte vhodně umístěný kvalitní senzor teploty a vlhkosti SHT31.

Teplota a vlhkost

Pro venkovní použití bude potřeba extra senzor a na výběr je velice přesný Sensirion SHT40 (+vlhkost), na který jsem zvědavý, nebo Bosch BMP280 (+tlak) nebo Bosch BME280 (+tlak +vlhkost), který již znám.

Prachové částice

Uvnitř senzoru vyzařuje laserová dioda, jejíchž světlo naráží do částic různých velikostí a odráží se na fotodetektor, který určí velikost částic na základě intenzity signálů. Senzory změří počet částic na jednotku objemu (početní koncentraci) a poté jej převedou na hmotnostní koncentraci na základě odhadů hmotnosti částic. Neznámější je čínský výrobce Plantower, jehož výrobky jsou na trhu dlouho PMS5003 a PMS7003, a krabičky jiných výrobců vypadají často stejně. Životnost senzoru výrobce udává 4 roky, zatímco západní výrobci slibují až 8 let, mezi které patří Honeywell HPMA115S0 nebo Sensirion SPS30. Pokud je dvojnásobná životnost reálná, tak i cena je pak odpovídající. Na trhu jsou i levnější senzory a popravdě pro domácí použití jsou dostačující, ale jejich životnost je ještě menší než 4 roky. A jak je na tom kvalita měření? Od Plantower výše se používá stejná technologie a pokud i konstrukce, tak měření tomu pak odpovídá. Jmenované produkty o něco hůře detekují větší částice než jiné konstrukce. Investice do prachového senzoru je tedy hlavně o životnosti senzoru. Dlouho jsem se přemlouval koupit dražší SPS30, ale životnost to snad srovná.

TVOC

TVOC senzory se zahřívají na požadovanou teplotu, aby mohlo měření fungovat. Pro přesné kalkulace v TVOC senzoru je třeba mu předávat okolní teplotu a vlhkost okolí. Nelze tedy umístit termistor a TVOC senzor k sobě. Předností těchto senzorů je, že se sami kalibrují principem, že najdou přes den nejmenší hladinu, a podle toho ukazují hodnotové zvýšení krom senzorů SGP40 a 41, které už ukazují jen index zvýšení, případně zlepšení. To znamená, že po zapnutí hodnoty budou dávat smysl až po několika hodinách, nejlépe druhý den. Nevýhodou, že i když senzor někdy poskytne naměřené hodnoty jednotlivých plynů, jde jen o kalkulované nepřesné hodnoty. Výběr senzoru není snadný. Sensirion SGP30 zachycuje hlavně směsi etanolu a vodíku, citlivější SGP40 etanol a SGP41 etanol a oxid dusičitý. U rozměrnější kombinace jako Bosch BME680 termistor slouží hlavně pro předání teploty TVOC senzoru, který zachycuje směs jako ethan, isopren, methyl, butadien, ethanol, aceton a oxid uhelnatý. Oba SGP30 a BME680 reaguji i s předávanou vzrůstající teplotou nárůstem plynů. Zajímavý s analogovým výstupem je Sensortech MICS-5524, který zachycuje směs oxid uhelnatý, etanol, vodík, amoniak a metan. MICS-4514 navíc zachycuje oxid dusičitý, a má analogové výstupy na dvě směsi oxidu uhelnatého a oxidu dusičitého. MICS-6814 zachycuje extra navíc propan a butan, a má trojici výstupů směsí pro oxid uhelnatý, oxid dusičitý a amoniak. Analogovým senzorům však teplotní korekci nepředáte a případná kalibrace je na vás. Jaký z toho všeho udělat závěr. Pro domácí použití zcela postačuje senzor SGP30, který používá i AWAIR. Pokud však v místnosti jsou kamna nebo plynový hořák, BME680 nebo MICS-5524 bude lepší volbou.

Finální plán projektu

Po elektronické stránce průzkum senzorů ukázal, že díky společnostem, které vyrábí moduly pro čipy, je možné většinu modulů pořídit s I2C komunikací a napájením pro 3V3 i 5V. Až na výjimku lze provozovat všechno na 5V. I2C komunikace přináší i příjemnou autodetekci senzorů. Některé TVOC senzory nemají I2C komunikaci dostupnou a D1 mini může jeden analogový vstup zpracovat. Volba je 5V a I2C, +1 analog.

Po konstrukční stránce je to těžší. Moduly jsou různě velké, některé nemohou být vedle sebe, kombinace na doma a na ven, to všechno s cílem jedné malé univerzální PCB desky. A to pak ještě všechno uzavřít tak, aby se k senzorům správně dostal vzduch. Je to velká výzva, kterou mám sice vymyšlenou, ale realizace může přinést překvapení.