Luftqualitäts-Messgerätekit für den Raspberry Pi

Weil die meisten von uns heutzutage viel in (privaten) Zimmern sitzen, werden Module zur kostengünstigen Messung der Luftqualität immer beliebter. Das MonkMakes Air Quality Kit misst den CO₂e-Gehalt und die Temperatur. Es ist speziell für den Raspberry Pi 400 konzipiert, kann aber dank der mitgelieferten Jumper-Drähte und einer GPIO-Schablone auch an andere Raspberry-Pi-Modelle angeschlossen werden.

MonkMakes Air Quality Kit

Bekanntermaßen misst man mit Thermometern die Raumtemperatur, aber in den letzten Jahren sind CO₂(e)-Messgeräte zur Überwachung der Luftqualität immer beliebter geworden. Zu viel Kohlendioxid (CO₂) wirkt sich negativ auf die Konzentrationsfähigkeit aus, und bei noch höheren Werten ist es sogar gesundheitsschädlich. Dieses Kit misst die Qualität der Raumluft sowie die Temperatur. Es ist vorrangig für den Raspberry Pi gedacht, kann aber auch als eigenständiges Gerät eingesetzt werden. Das Board verfügt über einen Summer und eine Leiste mit sechs LEDs (zwei grüne, zwei orange und zwei rote), die die Luftqualität anzeigen. Die Messwerte für Temperatur und Luftqualität können von einem Raspberry Pi verarbeitet werden, der ebenfalls den Summer und die LED-Anzeige ansteuern kann.

Der Bausatz wird ohne gedruckte Dokumentation geliefert, aber er enthält einen Link zur MonkMakes-Website, wo das Datenblatt und die Anleitung heruntergeladen werden können. Diese Dokumente enthalten alle relevanten Informationen und helfen dem Benutzer, das Board anzuschließen und zu verwenden. Beispielanwendungen in Python stehen auf Github zum Download bereit.
 

Hardware

Neben der Anzeige mit sechs LEDs und dem großen quadratischen Summer in der Mitte der Platine in Bild 1 enthält die Platine eine Power-LED, einen Temperatursensor, einen eCO2-Sensor, einen Mikrocontroller und natürlich einen 40-poligen Steckverbinder, der direkt auf den Erweiterungsstecker eines Raspberry Pi 400 passt (Bild 2).
 

Vielleicht überflüssig zu sagen: Andere Raspberry-Pi-Boards können nicht direkt angeschlossen werden, dafür sind Jumper-Drähte im Bausatz enthalten. Die vier benötigten Anschlüsse (zwei für die Stromversorgung, zwei für die serielle Verbindung) sind im Aufdruck auf der MonkMakes-Platine und auf der mitgelieferten Schablone so dargestellt, dass sie zu den entsprechenden Pins des GPIO-Anschlusses des Raspberry Pi passen, wie in Bild 3 dargestellt. Die Power-LED leuchtet auf, sobald die 3,3-V-Versorgungsspannung eingeschaltet wird, ebenso wie eine der CO₂e-Pegel-LEDs.

Der Temperatursensor TMP235 stammt von Texas Instruments. Seine Ausgangsspannung ist proportional zur Temperatur. Für die CO₂-Messung verwendet das MonkMakes-Board einen TVOC-Sensor (Total Volatile Organic Compounds) des Typs CCS811, der nicht direkt den CO₂-Gehalt misst, sondern den Gehalt einer Gruppe von Gasen, die als flüchtige organische Verbindungen (VOCs) bezeichnet werden. In Innenräumen steigt der Gehalt dieser Gase in einer Kurve an, die mit der von CO₂ vergleichbar ist, so dass die Sensorwerte auch zur Abschätzung des CO₂-Gehalts verwendet werden kann. Dies wird als CO₂-Äquivalent oder CO₂e bezeichnet.

Der eingebaute ATtiny1614-Mikrocontroller liest beide Sensoren aus und steuert die LED-Balkenanzeige und den Summer. Über ein serielles Protokoll kann ein Host-System wie der Raspberry Pi die Sensorwerte abfragen oder die LEDs und den Summer ein- und ausschalten. Das Datenblatt des Kits dokumentiert das einfache Protokoll, so dass es nicht allzu schwierig sein dürfte, eine eigene Software zur Unterstützung des Air Quality Kits zu schreiben. Wie der Name des Kits schon sagt, ist es für den Raspberry Pi konzipiert, aber es gibt keinen Grund, warum man es nicht mit anderen Boards oder Systemen mit einem 3,3-V-UART verwenden könnte.

Die Firmware des ATtiny bietet auch einen automatischen Modus, der standardmäßig eingeschaltet ist. In diesem Modus wird der CO₂e-Pegel ohne eine externe Steuerung auf der LED-Leiste anzeigt. Alles, was in diesem Modus dann zusätzlich zum Kit benötigt wird, ist eine 3,3-V-Stromversorgung. So kann das Air Quality Kit auch ohne Host-System als CO₂e-Monitor verwendet werden.

Software für das MonkMakes Air Quality Kit

Wie bereits erwähnt, stehen auf der Github-Seite von MonkMakes einige Python-Beispielprogramme zur Verfügung, mit denen das Air Quality Kit gesteuert werden kann, um alle seine Funktionen zu testen und zu demonstrieren. Im Abschnitt Getting Started der Dokumentation zeigen die Anweisungen deutlich, wie die Software auf einem Raspberry-Pi-Board verwendet werden kann, um das Kit in ein CO₂e-Messgerät, in ein CO₂e-Messgerät mit akustischem Alarm (Bild 4) und in einen Datenlogger zu verwandeln.

Wenn man sich die Python-Beispiele (Bild 5) ansieht, wird man feststellen, dass der ATtiny und die API das Abrufen und die Auswertung der Sensordaten vollständig übernehmen. Ein einfacher Befehl vom Host (Raspberry Pi) veranlasst das Air Quality Board, die aktuelle Umgebungstemperatur (in °C) beziehungsweise den CO₂e-Gehalt (in ppm) auszugeben. Ähnliche Befehle werden verwendet, um den Summer ein- und auszuschalten und die LEDs der CO₂e-Balkenanzeige zu steuern.

Ein schönes Design

Um dieses Luftqualitäts-Kit in Betrieb zu nehmen, sind nur einige wenige Grundkenntnisse über den Raspberry Pi erforderlich. Was für die einen ein großer Vorteil ist, dürfte für die anderen weniger attraktiv sein: Kenntnisse über die Sensoren und die Steuerung von Buzzer und LEDs sind nicht erforderlich. Zudem ist der Quellcode der Firmware des ATtiny1614 nicht veröffentlicht, was heißt, dass wir nicht wissen, was genau in diesem Mikrocontroller passiert. Das Protokoll zur Kommunikation mit dem Board ist jedoch einfach und gut dokumentiert und die Entwicklung eigener Anwendungen - auch für andere Zielsysteme als Raspberry-Pi-Boards – dürfte relativ einfach sein. Das Air Quality Kit für den Raspberry Pi von MonkMakes ist ein schön gestaltetes, gut dokumentiertes Board, das zusammen mit den Beispielen auch für Anfänger geeignet ist, die sich mit Luftqualitätsmessungen beschäftigen wollen.

Sensor-Eigenschaften

Über CO₂-Konzentrationen

Der CO₂-Gehalt in der Luft, die wir einatmen, hat einen direkten Einfluss auf unser Wohlbefinden und ist aus Sicht der öffentlichen Gesundheit von besonderem Interesse. Einfach ausgedrückt ist er ein Maß dafür, wie stark wir die Luft anderer Menschen einatmen. Wir Menschen atmen CO₂ aus, und wenn sich mehrere Personen in einem schlecht belüfteten Raum aufhalten, steigt der CO₂-Gehalt allmählich an, ebenso wie die Konzentration von Aerosolen, die Erkältungen, Grippe und Coronaviren verbreiten. Eine weitere wichtige Auswirkung des CO₂-Gehalts ist die kognitive Funktion, das heißt, wie gut man sich konzentrieren und nachdenken kann.

Die nachstehende Tabelle zeigt, bei welchen Werten CO₂ ungesund werden kann. Die CO₂-Werte sind in ppm (parts per million) angegeben.

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