きれいな空気を守るホワイトキューブ、パート2

ホワイトキューバに関する出版物の第2部。



最初の部分では、環境パラメータを測定するための自家製のデバイスについて説明しました。 これは、出版物の2番目の部分です。



ホワイトキューブデザイン



メインモジュールBKは、両面フォイルガラス繊維に基づいて取り付けられています。 ベースはキューバの底の形に刻まれています。 このプレートには、ガスセンサー、電源配線用のコネクタを取り付けるためのオフィスナイフで切り込みが入れられました。















Arduino Nano、Wi-Fiモジュール、圧力センサーなどを備えたモジュールは、垂直に取り付けられたトリムに取り付けられています。 箔を切断して接触パッドを作ったストリップ上で、コネクタは側面にはんだ付けされています。 ヒグマで購入したコネクタ。 Wi-Fiモジュールには、標準の2.54ではなく、2 mm刻みのコネクタがあります。 ストリップの高さはモジュールの高さよりも大きくなり、残りのスペースは個別の要素（COセンサーの加熱を制御するトランジスタ、プルアップ抵抗I2Cおよび1Wireなど）を配置するために使用されました。オシロスコーププローブとテスタープローブのアースピン。



ストリップは、ベースにはんだ付けすることにより所定の位置に取り付けられます。 はんだを確実に溶かすには、強力なはんだごてを使用する必要があります。ソ連で作られた指で銅の刺し傷を100ワット持っています。



BC電源は、公称値5V〜2Aの外部電源から供給されます。故障したDLINKルーターからの電源を使用しました。 BCの消費電力は2 Aをわずかに下回り、電源には電流マージンがあります。 組み込みのArduinoスタビライザーは使用されません。 デバッグ中に、コンピューターからバッテリーに電力を供給できますが、アナログガスセンサーをコネクターから取り外す必要があります。そうしないと、USBから十分な電流が流れません。 外部電源とUSBを同時に接続することはお勧めしません。 Lenovo X200ラップトップのUSBポートは燃え尽きませんでしたが、機能しませんでした。 火傷しないという保証はありません。これを行うことは強くお勧めしません。



BCケースには2つの同一の丸型コネクタが固定されています。 1つは電源用で、もう1つはループを18B20温度センサーに接続するためのものです。 絶対確実性の観点からは適切なソリューションではありません（コネクタを混在させることができます）。将来、センサーコネクタを別のタイプに置き換えることができます。







冷却と外部環境との交換のために、直径8 mmの穴がハウジングに開けられました。 適用されたガスセンサーは測定面の加熱を必要とするため、ホワイトキューブ内ではかなりの量の熱が放出されます。 5ボルトの電圧では、消費電流は約2 Aで、約10ワットの熱が発生します。 内部では、BMP085の温度センサーによると、ホワイトキューブは約40度の温度に加熱されています。 このような高い内部温度により、湿度および周囲温度センサーをキューバの外に移動する必要が生じました。そうしないと、湿度センサーの測定値が著しく歪んでしまいます。

要素を動かさずにセンサーをハウジングから断熱する試みでの一連の実験の後、私はスイベル断熱ブラケットに落ち着きました。 ブラケットは標準的な木製の箸で作られています:) SHT10センサーは端に取り付けられています。







センサーの両側にははんだ付けポイントがありますが、交換には片側のポイントのみが使用されます。 2番目の側からのポイントは固定に使用されます-どこにも接続されていない一対の短いワイヤがそれらにはんだ付けされます。 これにより、ブラケットの端にセンサーをしっかりと取り付けることができました。







立方体の側面に高い長方形の穴が開けられます。 SHT10センサーを備えたブラケットがこの溝にスライドします。 これは、持ち運び時のブラケットとセンサーの損傷を防ぐために行われます。そうしないと、10 cm突出しているブラケットが破損しやすくなります。 ブラケットを簡単に取り外すために、花びらは黒い絶縁テープでできています。 このメカニズムにより、キューブを運ぶときにケース内の敏感なセンサーを取り外し、システムが静止位置にあるときにブラケットを回すと簡単にセンサーを取得できます。







冷却のためのキューバの穴の直径、その数と位置は、主題「ラグ」の工学的および直観的思考と記憶から決定されます。また、彼らはパッシブREA冷却システムの設計について話し合った「電子ラジオ材料の特性のコース」でもあります。 重要なのは、穴の直径であり、空気が穴を通過できるように小さくしないでください。



Wi-Fiモジュールは中国製で、内部アンテナはなく、外部U-FLタイプコネクタのみが付属しています。 ケース内に取り付けるために、DESSY.RUから追加のアンテナを購入せざるを得ませんでした（ANT 2.4 ESG-2400-12 UFL-F、価格は約150 r）。 前もって知っているだろう-私はモジュールとまったく同じアンテナを注文するだろう。 残念ながら、販売者のウェブサイト（DX.COM）には、内部アンテナを備えたモジュールの写真があり、内部アンテナと外部アンテナの両方が説明に記載されています。 しかし、私はチケットを開き、アンテナのために私のお金を返しました。 すでに述べたように、このモジュールはルーターの切り捨てバージョンであり、最大4つの追加RJ45コネクターを接続できます。 内部にはLinuxがあります。 デフォルトでは、モジュールは、スイッチオン後、パスワード「12345678」（その説明で誤って示されている「0000000」ではなく）でアクセスポイントモード用に設定されます。 モジュールを起動するには、アンテナを接続し、5ボルトの電力をピン1に、アースをピン2に印加する必要があります。



約1分後、HI-LINK_A3B8タイプのデバイスがWi-Fi環境に表示されます。Wi-Fi環境では、最後の文字はパネルに書き込まれたモジュールのMACアドレスに対応しています。







接続し、パスワード（12345678）を入力し、ネットワーク192.168.16.XXXのマシンでTCP \ IPプロトコルを構成します。 モジュールのデフォルトアドレスは192.168.16.254、ユーザー名はadmin \ adminです。 モジュールのモードをWiFiクライアントシリアルに変更しました。 これは、モジュールがホームアクセスポイントに接続し、透過的なデータシリーズ伝送を提供するモードです。







最初のシリアルポートは38400で構成され、サーバーモードに設定されます。 残りの設定は変更されていません。







2番目のシリアルポートもサーバーモードに設定され、残りは変更されません。 テストのために、信号Tx（端子22）が入力Rx（端子26）に適用されます。

その結果、アドレス192.168.1.155:8080でアクセスすると、最初のシリアルポートがアドレス192.168.1.155:8081-2番目、ルーター自体-アドレス192.168.1.155:80で利用できることが判明しました。

モジュールは信号レベルを表示することもできます。 同じ条件で2つの外部アンテナの動作を比較できます。 私のデータによると、購入したフラットアンテナは、古いWiFi PCIカードのホイップアンテナよりも優れていることがわかりました。







telnet接続モードでPUTTYプログラムを使用して、モジュールの動作を確認できます。

最初のシリアルポートは115200まで、2番目は57600までの速度で動作します。ホワイトキューバでは、2番目のシリアルポートは使用されません。



BCの内部構造の写真をさらにいくつか：















アナログガスセンサーの読み取り値をppm単位のデジタル値（100万分の1、100万分の1）に変換します。



医学文献から次のデータを抽出しました。



一酸化炭素中毒の急性効果

100万分の1単位の周辺濃度（濃度、ppm）に関連して：

35 ppm（0.0035％）-6〜8時間の絶え間ない曝露による頭痛とめまい

100 ppm（0.01％）-2〜3時間の曝露後の軽度の頭痛

200 ppm（0.02％）-2〜3時間の曝露後の軽度の頭痛、批判の喪失

400 ppm（0.04％）-1〜2時間の曝露後の前頭痛

800 ppm（0.08％）-45分間の曝露後のめまい、吐き気、けいれん; 2時間後の感覚喪失

1600 ppm（0.16％）-20分間の曝露後の頭痛、頻脈、めまい、吐き気; 2時間以内に死亡

3200 ppm（0.32％）-5〜10分の暴露後の頭痛、めまい、吐き気。 30分で死ぬ

6400 ppm（0.64％）-1〜2分の暴露後の頭痛、めまい。 20分後のけいれん、呼吸停止および死

12800 ppm（1.28％）-2〜3回呼吸した後意識不明、3分以内に死亡

濃度

0.1 ppm自然大気レベル（MOPITT）

0.5-5 ppm-家屋の平均レベル

5-15 ppm-家の適切に調整されたガスストーブの隣

100-200 ppm-車の排気ガスから

5000 ppm-woodストーブからの煙

7000 ppm-触媒のない自動車の暖かい排気ガス中



これらのデータから、ppmから100 ppmの範囲でCOのレベルを測定し、このレベルを超えるすべての値を致命的であると見なすことが理にかなっています。 これは、工業用センサーの最初のしきい値が20 ppmに設定され、2番目のしきい値が100 ppmに設定されていることでも確認できます。



MQ7センサーの製造元は、アナログ電圧計の測定値をppm桁に変換するアルゴリズムを作成するために必要なすべてのデータをマニュアルで提供しています。 このドキュメントを注意深く調べると、次の初期データが提供されます。



清浄空気中のセンサー抵抗は2〜20 kOhmの範囲になります。

負荷抵抗は10 kの範囲で推奨されます。センサーのプリント基板の詳細を調査した結果、完成したモジュールには1kΩの抵抗が取り付けられています。 後で示されるように、そのような負荷抵抗器は、清浄空気中の約400 mVから約1000 ppmのCO値で5ボルトの範囲のセンサー出力電圧を与えます。 この範囲は、COを測定する必要性を桁違いにカバーします。 100 ppmの危険なCO値は、センサー出力で約3.6ボルトを生成します。



センサー抵抗と混合物のガスレベルとの関係のグラフ：







データの正式な正確さを確認するために、太字の黒い線が追加されました。 3つの線が点0で収束するかどうかを確認しました。縦軸y、清浄空気中のセンサー抵抗の依存性の水平直線、および混合物中の検出ガスの不純物レベルに対するセンサー抵抗の依存性線です。 ご覧のように、エラーを考慮すると、ある時点で実用的なヒットがあります。



このグラフを使用して、測定された混合物ときれいな空気中のセンサーの抵抗比と、検出されたガスの不純物の量との関係の表を作成できます。 技術的なトリックを適用しました。Excelタブレットのカーソル位置を書き留め、グラフ上の必要なポイントを指し示しました。 必要な値は、測定値の間に収まります。 線形近似法を適用して中間値を計算しました。 したがって、10、20、30 ... 100、200、300、... 1000の範囲のppm値の比率値を取得しました



これらの抵抗変化値を電圧値に変換してから、0〜1023の範囲のADC測定値に変換しました。グラフと近似曲線を作成して、このデータを使用してADC値をCOのppmに変換する式を導き出しました。



表は次のとおりです。







ポップ列は、オウムのADC値です。 Exp-式で計算されたppm値= ROUND（10 * EXP（（pop-339）/ 175）; 0）



2つの式が表示されます。1つは0〜100 ppmの範囲用で、もう1つは100〜1000 ppmの範囲用です。 最初のものを推測し、100 ppm（3.6 V以上）を超えるすべてのものを致命的に検討することにしました。



原則として、参照ガス混合物を使用してセンサーを較正することが可能です。 そのような混合物も購入することができます。 問題の簡単な研究は、まず、そのような混合物の価格水準がまったく満足していないことを示しました。次に、混合物の一定の流れを確保するために、少なくとも5リットルのボトルと少なくともガスフィッティングの最小セットを購入する必要があることを示しました。 価格を見ると、この考えはホワイトキューバの予算との関係で不合理であることがわかりました。



スケッチはこちらからダウンロードできます



BCからデータを受信し、データのロギングとグラフィカル表示を行うWhiteBoxプログラムは、Visual Studio Express 2012のVisual Basicで記述されています。



プロジェクトのアーカイブはここからダウンロードできます



このプログラムは、信号が失われた場合に接続回復メカニズムを実装します。 チャネルが落ちて、指定されたタイムアウト後にデータがない場合、プログラムはチャネルを閉じ、「テール」をきれいにして、チャネルを再度開きます。 そして、接続が復元されるまでそうします。 ホワイトボックスの場合、タイムアウトは10秒に設定され、通常の送信間隔は3秒です。 プログラムが正しく実行され、シャットダウンされます。送信モジュール、Wi-Fiアクセスポイント、またはデータストリームのパスに沿って接続された機器の電源を入れます。

チャネルの開閉イベントが記録されます。 プログラムの開始および停止イベントも記録されます。

データとイベントは別々に2つのテキストファイルに書き込まれます。

タイマーがトリガーされると、ログファイルに統計を書き込むプログラムが1分に1回実行されます。



開始後、プログラムはホワイトキューブから受信するためにチャネルを開き、バックグラウンドチャネルでデータの到着を待ちます。

チャネルからデータを受信すると、それらはバッファに配置され、特定の条件に達すると、このバッファは入力データ処理プログラムに送信されます。 このプログラムでは、条件は、文字列の最後のバイトがvbCrLf（つまり、Hex（0D0A）、文字「キャリッジリターン」、「リターンライン」）であることです。



処理ルーチンは、正規表現メカニズムを使用して、正式な妥当性について入力文字列をチェックします。 行の形式が無効な場合、これはログファイルに記録されます。 文字列に有効な形式がある場合、プログラムは正規表現メカニズムを使用して文字列を要素に分割し、要素の配列を生成します。



さらなる処理は、「FIFOキュー」タイプ（QUEUE）の配列に必要な要素を入力することです。



条件付きで低と高速の2種類のデータ表示を選択しました。 高速チャートのポイントは3秒後に、低ポイントは1分後に移動します。



高速データのキューの長さは1200エレメントに選択され、3秒のデータ到着間隔で約1時間前になります。



低データのキューの長さは1440要素に等しく選択され、1分前のデータ到着間隔で1日前の画像が得られます。



このプログラムでは、計算式を使用して、CO測定データをADCユニットからppm値に変換します。



チャート：







センサーはヘアスプレーの使用に反応します。 すべてのセンサーが反応したことがわかりますが、残念ながらセンサーの選択性は小さいです。







上のグラフは、1日あたりのアパートのCO2レベルです。 朝と夕方の最大値は、各人が450 ppmのバックグラウンドレベルに対して約+200 ppmを与えます。 非常に高いレベルのCO2は、ガスストーブになります。 ガスストーブの運転中、CO2レベルは2000〜2500 rpmにジャンプします。 これらの値はすでに衛生基準の限界を超えており、部屋の積極的な換気が必要です。



奇妙な効果は、学生の部屋のCO2の測定です。 子供が従事している場合、CO2レベルは約1200 ppmです。 そして、子供がRPG /シューターをプレイすると、2000 ppmに達します。 結果は、教室での勤勉さを測定する間接的な方法でした。 CO2のレベルは脳の活動と相関しており、学生の勤勉さについて特定の結論を引き出すことができます:)



以下は、USBシリアルコンバーターを介してホストコンピューターに接続されたCO2センサーと通信する別のプログラムのスクリーンショットです。







19時間の地域のCO2のピーク-到着ホームとエンターテイメント。 朝のピークは約8時間。 日中のバックグラウンド値は約400 ppmで、夜間は450 ppmです。



明らかに、CO2のレベルは脳の強度と直接相関しています。 CO2のレベルによって、クラスの強度を客観的に判断できることがわかります。 そして、「私が教えた！」というフレーズについて客観的に議論する機会が生まれます:)



もう1つの興味深い効果（私は発見していませんが、高度なセキュリティシステムで使用されています）-CO2のレベルは、部屋にいる人数を示します。 まあ、または一般的に人々の存在について。 このシステムを始めたばかりで、データを分析するのが面白かったので、ある夜、グラフを見て、CO2レベルは午後1時にしか低下しませんでした。 そして、息子は、彼が大学に2番目のペアに行ったと言います。 合わない:)））彼は息子にスケジュールを見せ、子供は悲しげに言った：「さて、あなたは歩けない、私は呼吸できない！」



これはもちろん冗談であり、予期しない二次的な影響であり、システムは子を制御するために作成されたものではありません。

私の息子は彼のニーズに合わせてシステムを適合させましたが、私は彼のラップトップでCO2レベルを結論付け、彼の部屋の過剰なCO2レベルについて音声通知を追加しました。