Делаем станцию мониторинга загрязнённости воздуха в домашних условиях

    В этой статье я расскажу о том, как собрать датчик загрязнённости воздуха в домашних условиях и зачем это нужно.

    В последнее время всё больше людей озадачивается проблемой загрязнённости воздуха. Одним из видов загрязнения воздуха является взвешенные частицы размером до 10 мкм, которые не отфильтровываются носоглоткой и проникают глубоко в лёгкие. Такие частицы, обозначаемые PM10, PM2.5 и PM0.1 (по их размеру в микрометрах), представляют большую опасность для здоровья человека, вызывая астму, рак лёгких, всевозможные респираторные и сердечно-сосудистые заболевания, врождённые дефекты у новорождённых и даже преждевременную смерть.

    По информации ВОЗ, в 2016 году около 4,2 миллиона смертей было вызвано влиянием частиц PM2.5. Кроме промышленности, значительным источником мелко- и крупнодисперсных частиц является автотранспорт (в частности, автопокрышки).

    Стандарты Европейского союза определяют индекс качества воздуха в зависимости от концентрации взвешенных частиц:

    Европейский индекс качества воздуха

    Хорошее

    Удовлетворительное

    Среднее

    Плохое

    Очень плохое

    Чрезвычайно плохое

    Размер до 2,5 мкм (PM2.5)

    0–10 мкг/м³

    10–20 мкг/м³

    20–25 мкг/м³

    25–50 мкг/м³

    50–75 мкг/м³

    75–800 мкг/м³

    Размер до 10 мкм (PM10)

    0–20 мкг/м³

    20–40 мкг/м³

    40–50 мкг/м³

    50–100 мкг/м³

    100–150 мкг/м³

    150–1200 мкг/м³

    Общественный мониторинг

    Во многих европейских странах помимо мониторинга качества воздуха, осуществляемого государственными организациями, осуществляется и общественный мониторинг, производимый независимыми организациями и просто жителями городов и деревень. Один из таких проектов, LuftDaten, основан группой сотрудников Штутгартской высшей технической школы. В рамках этого проекта был разработан вебсайт для сбора данных, а также простые в сборе датчики, которые может разместить у себя дома каждый желающий. Как сайт, так и прошивка устройства являются свободным ПО.

    Карта чистоты воздуха от LuftDaten. Картографические данные: © Участники OpenStreetMap
    Карта чистоты воздуха от LuftDaten. Картографические данные: © Участники OpenStreetMap

    Как видно из карты на их сайте, датчики установлены уже во всех странах Европы, хотя больше всего их, конечно же, в Германии.

    Кроме LuftDaten, существуют и другие похожие проекты: OpenSenseMap (тоже немецкий), а также AirCMS (из Челябинска). Прошивка для датчиков от Luftdaten позволяет отправлять данные сразу в несколько проектов, а также на произвольные web API.

    Конечно же, точность данных, полученных таким способом, ниже, чем у дорогих станций мониторинга, используемых государственными организациями, но у общественной сети есть потенциал лучше покрыть территорию более дешёвыми станциями, получая хоть какое-то представление о ситуации в местах, где нет официальных станций мониторинга. Кроме того, существует возможность математически «привязать» и откалибровать менее точные данные с помощью данных, полученных от более точных станций.

    Подробнее о датчике

    Вариантов датчика существует несколько как в плане конкретных комплектующих, так и сборки как таковой. «Классический» вариант, предлагаемый LuftDaten — платка с ESP8266 (NodeMCU) с сенсором Nova SDS011 в пластиковой трубе:

    Датчик AirRohr
    Датчик AirRohr

    Готовый установленный датчик выглядит примерно так, как на фотографии в начале статьи.

    Конечно же, использовать трубу не обязательно, корпус может быть любым, но способным выдержать погодные условия на улице 365 дней в году:

    Мой датчик, установленный на подоконнике
    Мой датчик, установленный на подоконнике

    Альтернативой предлагаемой конструкции является набор AirRohr-Kit от Эрика Несстрёма, который разработал модели для 3D-принтера и печатную плату, предназначенную для установки в электромонтажную коробку:

    Схема сборки AirRohr-Kit
    Схема сборки AirRohr-Kit

    Необходимые компоненты

    • Плата с микроконтроллером ESP8266, например Wemos D1, NodeMCU

    • Датчик пыли SDS011 (мне обошёлся в € 14 на AliExpress)

    • Датчик температуры, влажности, атмосферного давления: BME280, BMP280, DHT22

    • Куча проводов

    • Подходящий корпус

    • Пластиковая трубка с внутренним диаметром 6 мм

    • Плоский кабель USB A—Micro-B (рекомендуемая длина около 2 м)

    • Источник питания 5 В (мин. 500 мА) с разъёмом USB (например, зарядное устройство от телефона)

    • Может пригодиться паяльник

    Пару слов о датчиках температуры и прочего. Первоначально проектом поддерживались датчики DHT22, измеряющие температуру и влажность, параметры, которые полезно знать при анализе собранных данных. DHT22 (а также его более ограниченный собрат DHT11) предоставляют разрешение 1°C (кроме этого, DHT11 не может измерять температуры ниже 0°C). Чтобы улучшить качество данных, можно использовать альтернативу, BME280 от фирмы Bosch. BME280 даёт более точные измерения температуры с разрешением 0.01°C, а также измеряет атмосферное давление, поэтому LuftDaten рекомендуют использовать именно его. Разница в качестве измерений хорошо видна на этом графике из статьи от Random Nerd Tutorials:

    Сравнение датчиков температуры
    Сравнение датчиков температуры

    К сожалению, в моём местном магазине радиодеталей BME280 не оказалось, потому мне пришлось купить BMP280, вариант без измерения влажности, и DHT22, чтобы влажность всё же измерить. Надо сказать, что DHT22 в таких магазинах продаётся в двух вариантах: датчик сам по себе либо на плате с pull-up-резистором:

    Модуль DHT22 с pull-up-резистором
    Модуль DHT22 с pull-up-резистором

    В моём магазине цена была одинаковая, но я по ошибке заказал именно эту версию. Как оказалось, их не было на складе, ждать пришлось бы долго, но на складе был и датчик без платы за ту же цену. Проверка исходного кода прошивки показала, что в ней используется встроенный pull-up микропроцессора, так что внешний резистор, на платке или нет, не нужен (но с десяток резисторов я с перепугу всё же купил, т. к. проверить их необходимость в магазине не было возможности).

    Прошивка

    Рекомендуется прошить процессор перед сборкой. Сделать можно это совсем вручную с помощью утилиты esptool, но лучше это сделать специальным скриптом. Можно скачать сборки под разные операционные системы на сайте проекта, либо же поставить из исходников с GitHub.

    После прошивки и перезапуска процессора должна появиться новая Wi-Fi сеть, как правило, начинающаяся на airRohr (в зависимости от языка и версии прошивки). Подключившись к этой сети, надо зайти на http://192.168.4.1/ и настроить подключение к домашней Wi-Fi сети. Надо сказать, что на этом шагу я на какое-то время зациклился: датчик упорно не хотел подключаться к сети, создавая свою собственную. Я подключил отладку через USB-serial (если будете пробовать, скорость нужно задать 9600 бод, эта скорость отличается от скорости загрузчика прошивки), где было видно, что датчик к сети подключается, но ошибок нет. Я уже было отчаялся, как вдруг сеть airRohr пропала и датчик появился в домашней сети: оказывается, в настройках есть параметр Duration router mode, в течение которого датчик будет в некоторых случаях держать собственную сеть, чтобы дать возможность поменять настройки.

    Сборка

    Как я уже упоминал выше, можно использовать как NodeMCU, как и более компактную плату Wemos D1. Функционально они идентичны, но NodeMCU несколько крупнее и имеет больше выводов. В моём распоряжении было несколько плат Wemos D1, так что я использовал именно их, но именно это решение привело к некоторым усложнениям в процессе сборки.

    Схема подключения SDS011 и BME280
    Схема подключения SDS011 и BME280

    Как видно из схемы, датчик SDS011 подключается через UART, в то время как BME280 — через I²C. В моём случае вместо BME280 был BMP280, подключаемый на те же контакты, а также ещё и DHT22, который подключается на D7 (см. схему подключения). Всё бы хорошо, но у Wemos D1, в отличие от NodeMCU, лишь один контакт 3V3 и всего один GND! Пришлось паять разветвитель GND и удлинитель 3V3.

    В итоге мой Франкенштейнов монстр выглядел примерно так:

    Вся электроника в сборе
    Вся электроника в сборе

    К процессорной платке я прикрепил изолентой кусок пористого пенопласта, чтобы в случае попадения влаги внутрь корпуса, хотя бы часть её задержать. Всё устройство было помещено в ведёрко от йогурта. Важно в корпусе сделать не только отверстие для гибкой трубки, ведущей к SDS011, но и дополнительные отверстия, обеспечивающие циркуляцию воздуха, в том числе и для того, чтобы показания датчиков температуры, влажности и давления имели какой-то смысл.

    Плохо себя зарекомендовала упаковка от маргарина: после чуть менее, чем года на улице, коробочка начала рассыпаться, в конце концов во время ливня вода попала внутрь и каким-то образом повредила датчик пыли:

    Рама не совсем хари
    Рама не совсем хари

    Как видно из фотографий выше, свои датчики я размещаю на подоконнике (например, приклеив двусторонним скотчем). С размещением я советую внимательно подумать, приняв к вниманию как метеоусловия (ветер, солнце), так и наличие источников загрязнения. Например, один из моих датчиков находится на солнечной стороне, потому показания температуры у него очень часто завышены. Расстояние до источников загрязнения может влиять на показания, занижая и завышая их, либо же вообще делая их бесполезными. Например, возле нашего дома находится крупная стройка, которая уже продолжается три года, и данные насчёт того, сколько пыли она производит, весьма интересны. С другой стороны, концентрация пыли прямо на стройке несколько другая, чем возле домов, где живут люди, поэтому если датчик размещён слишком близко, польза от данных будет сомнительная. Также необходимо учитывать расстояние от дороги (покрышки автомобилей также создают массы взвешенных частиц).

    После установки и проверки датчика его можно подключить к API разных проектов. Данные со своих датчиков я посылкаю на sensor.community (LuftDaten), агрегатор Madavi, OpenSenseMap, AirCMS и ещё пару проектов:

    Настройки API датчика
    Настройки API датчика

    Вот так выглядит карта PM2.5 от LuftDaten (два датчика на ней мои):

    Словакия на карте LuftDaten. Картографические данные: © Участники OpenStreetMap
    Словакия на карте LuftDaten. Картографические данные: © Участники OpenStreetMap

    На AirCMS датчиков в наших краях гораздо меньше:

    Словакия на AirCMS. Картографические данные: © Яндекс
    Словакия на AirCMS. Картографические данные: © Яндекс

    Ссылки по теме

    Средняя зарплата в IT

    110 000 ₽/мес.
    Средняя зарплата по всем IT-специализациям на основании 8 576 анкет, за 2-ое пол. 2020 года Узнать свою зарплату
    Реклама
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее

    Комментарии 51

      +2

      У DS18B20 дискрета — 0.125C, а у вас по графику получается 0.5С. Библиотека измеряет не в 12-битном режиме?


      Ну и разброс показаний в 4 градуса между экземплярами — это финиш, так-то

        +1

        График не мой, в статье по ссылке есть больше информации по теме. BMP280/BME280 немного греется, потому температура слегка завышена, этот факт можно корректировать при обработке данных.


        If you take a closer look at the charts, the BME280 measured slightly higher values than the other temperature sensors. This behavior is normal, and this is described in the datasheet. The module self-heats a little bit and the temperature measurements can be 1 ou 2 degrees above the real temperature value.

        However, the BME280 is also the temperature sensor that gave more stable temperature readings without many oscillations between readings. This has to do with the resolution of the sensor. It can detect changes up to 0.01°C.

        In case of the DS18B20 temperature sensors, we can see some oscillations between readings and it’s also noticeable that the resolution is not as good as the BME280. Additionally, the DS18B20 temperature sensor was the only one to give some “null” readings throughout the experiment. We’ve measured two DS18B20 temperature sensors in the same data line and one of the sensors failed to read the temperature 6 times throughout the experiment (during 36 hours).
          +2
          В 12-битном режиме у DS18B20 дискретность не 0.125°C, а 0.0625°C:
          The resolution of the temperature sensor is user-configurable to 9, 10, 11, or 12 bits, corresponding to increments of 0.5°C, 0.25°C, 0.125°C, and 0.0625°C, respectively.
          даташит
            0
            Там ещё и ground truth температуры не показаны (когда мне надо, я её замеряю термостатным полуметровым ртутным термометром).
            +4

            К сожалению бич всех китайских модулей — калибровка и стабильность, годится только как показометр not great not terrible.

              +1

              В данном случае огромная точность не обязательна, скорее, интересна динамика изменения величин, ну и достаточно грубая оценка качества воздуха. Ну и как я упоминал в статье, эти неоткалиброванные данные можно привязать к более точным данным, если наладить сотрудничество в плане обмена данными с местным госмониторингом.

                0

                Кстати, вот статейка про SDS011: https://aqicn.org/sensor/sds011/

                0
                andrewsh
                А есть опыт с датчиками пыли GP2Y1014AU0F и Samyoung DSM501A?
                  0

                  Увы, нету опыта. Один датчик я построил с помощью товарища (на тот момент я только узнал о проекте от него и не знал, что это за датчики и что в них), второй я построил достаточно спонтанно и близко к оригиналу, потому как опыта не было ещё. Если буду строить ещё один, можно поэкспериментировать.

                  0
                  mcp9808 дачтик очень хорош, не TMP117 конечно, но дешев. TMP117 со временем тоже подешевеет
                    +1
                    Не совсем понял.
                    Используется датчик пыли в коробке с одним входом-выходом?
                    Не происходит ли накопления пыли в коробке? -быстрый гуглеж показал что у датчика пыли SDS011 есть центробежный вентилятор. Не поднимает ли он накопившуюся в корпусе пыль?
                      0

                      В тексте написано, у коробки есть ещё отверстия для циркуляции. Вентилятор достаточно незаметно крутится, надо сказать, пыль не гоняет. Статья-разбор датчика показывает, что пыль скапливается внутри датчика:
                      Dust inside

                        0
                        Да и статическое электричество способно притягивать пыль, а оно неизбежно появится при продувке такой трубы. Лучше бы металлическую взять или покрыть эту чем-то проводящим.
                        0

                        А на народный мониторинг заодно почему не отправляете данные? https://narodmon.ru/

                          0

                          Честно говоря, не знал про такой проект. Встроенной поддержки в прошивке AirRohr нет, а в custom API уже забит сайт местного велодвижения.

                            0
                            Прошивка «из коробки» умеет еще Influxdb.
                              0

                              Это да, но с InfluxDB я ещё не разбирался. Насколько я вижу из беглого гугления, их API не совпадает с API народного мониторинга.

                            +4
                            Очень простой вопрос: зачем?

                            Кто там, на будет с этими данными что-то делать? На ресурсе который "свалка архив всего" без явной задачи, с мутноватыми: классификацией данных, монетизацией (бонусные баллы, ограничения на количество бесплатных датчиков), лицензией.
                              0
                              всё норм уходит на народный мониторинг.
                              Включить Отправлять в InfluxDB
                              Серв: narodmon.ru
                              Путь: /post.php
                              Порт:80

                              Затем «добавить свой датчик» и указать id датчика, всё…
                              +2
                              У нас в Красноярске есть проект nebo.live, который также выступает площадкой и для других городов…
                              У них свой прибор, у которого, по их оценке, нет конкурентов. Есть специалист, кто может оценить?
                                +1
                                Не столько красивый, но такой же по функционалу и дешевле по цене предлагают у нас в Челябинске — chelbreathe.ru Но даже при такой цене проект не получил какого-либо бурного роста, даже не смотря на унылую экологическую обстановку в нашем регионе.
                                  0

                                  Я с этим проектом одного не понял, не нашел где сказано по поводу цен, они предоставляют прибор бесплатно?

                                    0
                                    Раньше — да, так и было, была возможность донатить, а прибор устанавливали бесплатно. Сейчас я сильно не слежу за ситуацией, но скорее всего так и осталось…
                                    Вероятно, что в другой город будут отдавать уже за плату, не знаю…
                                  +2
                                  Я всегда балдею с таких проектов: взять датчик, посмотреть в даташит таблицы поправок и вперёд — выдавать измеренные данные. А вот хрен там. У датчиков влажности, к примеру разброс +-40% от заявленных табличных значении вполне обычное явление. Для тех кто знает — это боль.

                                  У меня дома 11 измерителей влажности (если во всех приборах считать). На разных датчиках. Изначально измерения сходились у 2-х приборов: у психрометра и дорогущего записывающего измерителя параметров окружающей среды. Он, к стати, единственный может называтся измерительным прибором, так как имеет сертификаты, градуировочные таблицы и настроенный профиль датчиков.
                                  Еще на 3-х была возможность введения поправок, их тоже удалось привести к общему знаменателю в некоторых точках. А остальное…
                                  Причем дело не в датчиках. Так как это меня бесило, я покупал датчики и менял их. Пофиг. Дело именно в зашитых в приборы профилях.

                                  Это я к чему. К тому что измерением можно звать то, что меряется откалиброванным прибором. Остальное — информационный мусор в лучшем случае. А в худшем -дезинформация.
                                  Я не думаю, что с датчиками других сред ситуация лучше. И да, максимальную гарантию, которую я видел на датчик влажности -3 года, обычно 2.
                                  А еще есть деградация и отравление.
                                    0
                                    офф Опыт у меня с DHT22 небольшой — ровно в один экземпляр. Но его данные точно совпали с психрометром ВИТ-1.
                                      +1

                                      Через год эти DHT начинают показывать цену на дрова. Лучше брать SHT11 или те же BME.

                                        0
                                        Уже как-то писал об этом, но повторюсь ))

                                        BME живут от 1 до 3 лет на улице в зависимости от, предположительно, загрязненности воздуха — московские меняю раз в год-полтора, в крыму — на год реже. Сначала «плывёт» влажность — сильно завышается, становится «дискретной»: 15-70-100%, позже отваливается температура (а от неё зависит всё остальное). Немного помогает перенос такого датчика «на работу» в помещение, но влажность дохнет навсегда.

                                        Сейчас жду, пока подохнут остатки запасов BME и буду пробовать что-то другое, отказавшись заодно от I²C на «соплях» от 1 до 3м в пользу дешевого STM32F0 и RS485 + modbus (видимо)
                                        0
                                        Я прошу прощения, показания датчика? Или прибора на этом датчике?
                                          0
                                          Скетч на Ардуино, считывающий данные с датчика. Простейшая проверка приобретенного датчика на достоверность в сравнении с психрометрическим гигрометром.
                                            0
                                            А я нигде не говорил что ВСЕ датчики глючат. А вообще, сейчас точный прибор можно построить на сколь угодно кривом датчике. Надо только чтобы: а) датчик покрывал весь диапазон измерений; б) для каждого возможного измеряемого значения выдавал уникальный код; в) наличие эталонного прибора для построения профиля датчика; г) достаточное количество памяти для хранения профиля.
                                              0
                                              Только таблица не одного, а нескольких величин, как в бошевских датчиках, где есть коррекция по температуре и давлению. Или коррекция давления по температуре и влажности, не помню точно.
                                              Итого это огромная LUT или приближенные формулы.
                                        +1
                                        Кстати, а как калибровать измерение пыли? Температуру и влажность достаточно очевидно, углекислоту тоже несложно.
                                          0
                                          что за датчики влажности?
                                          датчики STH31 показали себя очень хорошо, влажность довольно точно показывают.

                                          Кстати при измерении откалиброванным прибором и датчиком вы учитываете постоянную времени как у прибора, так и у датчика? делали step-response для замера постоянной времени?
                                            0
                                            Я наверное, не очень ясно выразил свою мысль.
                                            Я хотел сказать, что взяв датчик и не проверив его по эталоннму прибору, нельзя быть уверенным в его точности. Это вовсе не значит что все датчики глючат и не точны.
                                            Но если мы хотим именно мерять а не проводить оценку, то нельзя полагаться лишь на информацию производителя.
                                            +1
                                            Этот датчик, скорее всего, еще и без подогрева. Будет показывать туман как пыль.

                                            А забор воздуха должен быть мин. в 50 см от стены, а не на подоконнике.
                                            0
                                            а бывают готовые датчики? чтоб из коробки работали?
                                              0

                                              Бывают, AirCMS вроде как даже предлагает такие, в двух версиях, базовой и расширенной. Не знаю, что у них за железо.

                                                0
                                                Бывают. Только стоят они не по-китайски.
                                                0

                                                А как wemos/nodemcu переносят отрицательные температуры? У нас бывает и -40, поэтому я побоялся контроллер на улице оставлять, пришлось его на подоконнике ставить и за окно bmp280 на проводочке в печатном корпусе высовывать. Ради такой системы подогрев колхозить показалось уже совсем за гранью добра и зла.

                                                  0

                                                  Интересный вопрос, надо изучить. У нас лишь до −10°C доходит, так что проблема не настолько актуальна.

                                                    0

                                                    Здесь вот пишут, что ESP8266 до −38°C выдерживает якобы.

                                                      0
                                                      Замораживали RPI и они работали, но в комментарии правильно пишут, что точка отказа электронных схем — электролитические конденсаторы habr.com/ru/post/318486 habr.com/ru/post/178647
                                                      Хуже всего минусовую температуру переносят Электролиты — конденсаторы, аккумуляторы, ионисторы. Так плохо переносят элементы с подвижными частями (датчики давления, вибраций). Почти все стальные элементы переносят -40, промышленные -70. Когда мы разрабатывали плату для улицы мы брали минимальную рабочею температуру -50, на этой температуре через 4 часа электролиты перестали функционировать. Пришлось бороться с пульсациями по другому)
                                                        0
                                                        На nodemcu вроде нет электролитов классических, только тантал.
                                                          0
                                                          Электролиты ставят в блоках питания. На современных платах нужны конденсаторы с низким ESR и большой ёмкостью. Тут возможны варианты и электролитов и тантала.
                                                            0
                                                            БП ± дома в тепле.
                                                              0
                                                              В данном устройстве можно почти всё в дом затащить, выведя трубки из датчика наружу.
                                                                0
                                                                Герметично сделать сложно будет… Не вижу смысла.
                                                                  0
                                                                  герметичная монтажная коробка (IP68 например) вполне подойдет.
                                                                    0
                                                                    Я имею в виду герметично чтоб тяга с улицы не дула через коробку.
                                                      0
                                                      Лучше бы не побоялись оставить и проверить. Думаю если не выключать, всё бы нормально работало.
                                                      +1
                                                      Ура! Заработало! Теперь из Кемерова тоже передаем замеры!

                                                      Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                      Самое читаемое