CO2 Ampel

Dieses Repository enthält die Software für eine CO2-Ampel mit LCD Display, welche kontinuierlich die CO² Konzentration in der Umgebungsluft misst. Die gemessen Werte werden als Zahlenwert (ppm) und in einer Ampel-Darstellung (Ok, Hoch, Kritisch) ausgegeben.

Optional kann die Ampel per WLAN mit dem CO2-Server verbunden werden, welcher die gemessenen Werte protokolliert und auswertet.

Motivation

In Zeiten der Corona-Pandemie ist neben dem Tragen von Masken und dem Einhalten eines Mindestabstands ein regelmäßiges Lüften von gemeinsam genutzten Räumen sehr wichtig. Anhand der CO² Konzentration lässt sich die Güte der Umgebungsluft abschätzen, insbesondere der Anteil der Ausatemluft, welche potentiell gefährliche Aerosole enthalten kann. Mappt man die gemessenen Werte auf eine Ampelanzeige, kann hierüber eine Lüftungsempfehlung für den betroffenen Raum gegeben werden.

Eine detailliertere Erklärung finden Sie im Artikel Der CO2-Warner für die Schule des Make: Magazins 5/2020 des Heise Verlags.

Hardware

Benötigte Hardware

MHZ19 Sensor
HD44780 LCD Display mit I2C Adapter
Wemos D1-Mini
Header und Kabel, ggf. Lüsterklemme
Micro-USB Kabel
Gehäuse (3D-Druck oder einfach eine Verpackungsbox, z.Bsp. Lindt Hello Schokolade)
Optional: Power Bank (für mobile Nutzung)

Pinbelegung

Die Spannungsversorgung für Sensor und Display erfolgt über den 5V Pin des D1-Mini, welcher wiederum über den USB-Anschluss mit Spannung versorgt und programmiert wird.

Die Pinbelegung wurde so gewählt, dass die Schaltung zur Neuprogrammierung nicht vom D1-Mini getrennt werden muss (TX und RX bleiben frei). Die eingebaute LED des D1-Mini kann noch verwendet werden (via D4). Außerdem stehen noch 2 GPIO-Pins mit Pull-Up/Down Widerständen zum Anschluss von optionalen Tastern zur Verfügung (D3 und D8).

Die Bauteile sind wie folgt zu verschalten. Bei den mehrfach verbundenen Pins (5V und G) kam eine Lüsterklemme zum Einsatz.

D1-Mini	MHZ19 Sensor	HD44780 LCD Display
5V	VIN (rot)	VCC
G	GND (schwarz)	GND
D1		SCL
D2		SDA
D5	TXD (grün)
D6	RXD (blau)

MHZ19 Sensor

Der Sensor verfügt neben zwei Pin-Reihen, an welche Header angelötet werden können, auch über eine kleine Steckverbindung, welche ebenfalls die nötigen Pins zur Verfügung stellt.

Hiervon werden lediglich die Pins 3 (GND), 4 (Vin), 5 (RXD) und 6 (TXD) benötigt.

LCD Display

Um das HD44780 LCD Display mit I2C ansprechen zu können, ist ein I2C-Adapter nötig. Für eine native Ansteuerung über den parallelen Datenbus (6 Pins für 4 Bit Datenbus, R/W und Enable) sind am D1-Mini zu wenig Pins verfügbar.

Der I2C-Adapter bietet zusätzlich die Möglichkeit, die LCD Hintergrundbeleuchtung via Software ein- und auszuschalten. Hiermit könnte man die Anzeige beim Erreichen der Warn-Schwelle blinken lassen.

Außerdem verfügt der I2C-Adapter über 2 Pins um die LCD Hintergrundbeleuchtung zusätzlich per Schalter ein- und auszuschalten zu können. So könnte man die Anzeige bei Dauereinsatz der CO2-Ampel über Nacht abschalten.

Anschluss optionaler Taster

Zur Umsetzung einer Menüsteuerung können optional 2 Taster angeschlossen werden. Aktivieren Sie das Define #define has_buttons am Anfang der Datei src\main.cpp wenn Taster angeschlossen sind.

Durch Verwendung von GPIO-Pins mit internen Pull-Up/Down-Widerständen sind keine separaten Vorwiderstände nötig.

D1-Mini	Taster 1	Taster 2
5V		x
G	x
D3 (Pull-Up)	x
D8 (Pull-Down)		x

Ohne die Verwendung von Tastern ist die Ampel immer im Messmodus.

Ansonsten wechselt Taster 1 in ein Auswahlmenü zwischen:

Messmodus
Kalibrierung
Infoanzeige

Taster 2 aktiviert die gewählte Funktion bzw. schaltet die Infoanzeige zwischen folgenden Werten um:

Laufzeit der Ampel
Letzter Fehlercode des Sensors
Genauigkeit des Sensors
Hintergrund CO²-Wert
Version des Sensors

Anschluss optionaler Status LED

Am GPIO Pin D7 kann eine optionale Multicolor LED mit WS2812 Controller Chip angeschlossen werden.

Aktivieren Sie das Define #define has_statusled am Anfang der Datei src\main.cpp wenn die LED angeschlossen ist.

Wenn aktiviert wird der Ampel Status über die Farbe der LED visualisiert:

Violett - Software startet und Verbindung zum WLAN wird aufgebaut (bei Verwendung des CO2-Servers)
Blau - Initialisierungsphase direkt nach dem Start der Ampel (1 Minute)
Grün - CO2 Konzentration niedrig
Orange - CO2 Konzentration im Warn-Bereich
Rot blinkend - CO2 Konzentration im kritischen Bereich. Lüften erforderlich.

Software

Benötigte Software unter Windows 10:

Weitere Tools werden automatisch als VS Code Plugins installiert, sobald der Root-Ordner dieses Repositories in Visual Studio geladen wurde:

VSCode und Git müssen installiert sein
Windows Eingabeaufforderung öffnen (z.Bsp. mit [Win]-R, cmd, [Enter])
In den Ordner wechseln, der Code-Repositories enthalten soll (z.Bsp. Source\Repos) und dieses Repo mit Git klonen:
```
cd 
mkdir Source\Repos
cd Source\Repos
git clone https://github.com/ramdacxp/co2-ampel.git
cd co2-ampel
```
In den neu angelegten Ordner wechseln und diesen in Visual Studio Code öffnen (File > Open Folder ... oder auf der Kommandozeile mit code .)
Die vorgeschlagenen Erweiterungen (u.A. Platform IO) installieren
Das Projekt übersetzen mit Terminal > Run Build Task

Der C++ Quellcode der CO²-Ampel befindet sich in der Datei src\main.cpp.

CO2-Server

Diese CO2-Ampel bietet optional die Möglichkeit, die Messwerte per WLAN an einen CO2-Server zu senden. Dieser Server kann die Messwerte von mehreren Datenquellen im CSV-Format speichern und für Auswertungen bereitstellen. Er bietet eine grafische Anzeige der Verlaufs der CO² Konzentration über die Zeit.

Der Server kann auf einem eigenen Rechner im lokalen WLAN betrieben. So müssen keine Messwerte an Dienste im Internet übertragen werden. Der Server ist in Docker lauffähig. Fertige Docker-Container für Window, Linux und Raspberry Pi stehen zur Verfügung.

Um die Serverunterstützung zu aktivieren:

Aktivieren Sie das Define #define use_co2_server am Anfang der Datei src\main.cpp.
Kopieren Sie credentials-sample.h nach credentials.h und tragen Sie hier die WLAN Zugangsdaten ein.
Passen Sie SERVER_POST_URL an die Adresse des zu verwendenden CO2-Servers an.

Lizenz

MIT License

ramdacxp / co2-ampel