{"id":40599,"date":"2020-11-27T13:57:23","date_gmt":"2020-11-27T12:57:23","guid":{"rendered":"https:\/\/magazinnew.reichelt.de\/magazin\/uncategorized\/build-your-own-co2-measuring-device-easily-and-inexpensively\/"},"modified":"2022-11-08T16:02:32","modified_gmt":"2022-11-08T15:02:32","slug":"build-your-own-co2-measuring-device","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.reichelt.com\/magazin\/en\/projects\/build-your-own-co2-measuring-device\/","title":{"rendered":"Build your own CO2 measuring device easily and inexpensively"},"content":{"rendered":"\n<p>Ob zu Hause, in der Schule oder am Arbeitsplatz \u2013 wir alle haben gro\u00dfes Interesse, in gut bel\u00fcfteten R\u00e4umen zu leben, zu lernen und zu arbeiten. Der CO2-Gehalt und die relative Luftfeuchtigkeit gelten als wichtige Indikatoren der Luftqualit\u00e4t: Gute Raumluft hat weniger als 1.000 ppm CO2 und eine relative Luftfeuchtigkeit, die mehr als 40 Prozent betr\u00e4gt.<\/p>\n\n<p>Auf dieser Basis wollen wir ein Messger\u00e4t bauen, mit dem wir diese Gr\u00f6\u00dfen erfassen und dann entsprechend handeln k\u00f6nnen. Gerade f\u00fcr Schulen oder B\u00fcros bietet dieses Messger\u00e4t eine gute M\u00f6glichkeit, um Richtlinien f\u00fcr regelm\u00e4\u00dfiges L\u00fcften in Zeiten von Corona leichter einzuhalten.<\/p>\n\n<p>Wir realisieren unser Projekt mithilfe eines ESP32-Controllers mit WLAN-Funktion und den zwei Sensoren DHT22 und MH-Z19B. Die Stromversorgung erfolgt wahlweise \u00fcber ein USB-Netzteil oder eine kleine Powerbank.<\/p>\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\"><strong>1. Das Projekt<\/strong><\/h2>\n\n<figure class=\"wp-block-image\"><img decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.reichelt.com\/magazin\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/foto1-1-1024x839-1.jpg\" alt=\"\" class=\"wp-image-12070\"\/><\/figure>\n\n<p><strong>Geeignet f\u00fcr: <\/strong>Anf\u00e4nger<\/p>\n\n<p><strong>Zeitaufwand: <\/strong>2 Stunden<\/p>\n\n<p><strong>Das wird ben\u00f6tigt:\u00a0<\/strong><\/p>\n\n<ul class=\"wp-block-list\"><li>Die Teile aus <a href=\"https:\/\/www.reichelt.com\/my\/1767620\" target=\"_blank\" rel=\"noreferrer noopener\">diesem reichelt-Warenkorb<\/a>.<\/li><li>Au\u00dferdem: L\u00f6tkolben, PC mit Windows oder Linux, diverses Kleinwerkzeug<\/li><\/ul>\n\n<p><strong>Budget: <\/strong>etwa 55 \u20ac<\/p>\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\"><strong>2. Umsetzung<\/strong><\/h2>\n\n<h4 class=\"wp-block-heading\"><strong>2.1 Hardware<\/strong><\/h4>\n\n<p>Bei der CO2-Messung handelt es sich um ein relativ kompliziertes Infrarotmessverfahren. Dank der Verf\u00fcgbarkeit preiswerter integrierter Sensoren, l\u00e4sst sich das Anliegen aber auch f\u00fcr gesch\u00e4tzte Bastler*innen einfach und unkompliziert umsetzen.<\/p>\n\n<p>Nachdem wir die Einzelteile und Werkzeuge bereitgestellt und auf Vollst\u00e4ndigkeit kontrolliert haben, k\u00f6nnen wir loslegen.<\/p>\n\n<p>Wir nehmen uns das Geh\u00e4use, in unserem Fall ein Universalgeh\u00e4use aus dem reichelt-Sortiment, und positionieren probehalber die Laborkarte. Wenn n\u00f6tig, brechen wir diese vorher auf die passende Gr\u00f6\u00dfe herunter.<\/p>\n\n<p>Dann ordnen wir die beiden Sensoren so an, dass sie einen Abstand zum ESP32 von mindestens drei cm haben, sodass das sp\u00e4tere Messergebnis nicht durch die Eigenw\u00e4rme des ESP32 verf\u00e4lscht wird. Damit der CO2-Sensor gut von der Raumluft umstr\u00f6mt wird, muss das Geh\u00e4use entsprechende \u00d6ffnungen haben.<\/p>\n\n<figure class=\"wp-block-image size-large\"><img decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.reichelt.com\/magazin\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/foto-3-scaled-e1604390493513-1024x576-1.jpg\" alt=\"\" class=\"wp-image-12069\"\/><\/figure>\n\n<p>Wir nehmen die Teile wieder aus dem Geh\u00e4use und bohren nun die Schraubenl\u00f6cher in die Leiterkarte, um diese im weiteren Verlauf im Geh\u00e4use befestigen zu k\u00f6nnen.<\/p>\n\n<p>Au\u00dferdem bohren wir in das Geh\u00e4use ein Loch f\u00fcr das USB-Kabel f\u00fcr die sp\u00e4tere Stromversorgung (s. Foto).<\/p>\n\n<p>Dann l\u00f6ten wir den ESP32 und die Sensoren auf die Leiterkarte.<\/p>\n\n<p>Beide Sensoren haben eine digitale Schnittstelle. Der CO2-Sensor besitzt auch einen Analogausgang, den wir jedoch nicht benutzen, weil hier die Messgenauigkeit geringer ist.<\/p>\n\n<p>Wir verbinden nun die Pins der Sensoren mit den Pins am ESP32 mit Schaltdraht entsprechend dem Schaltplan und \u00fcberpr\u00fcfen anschlie\u00dfend noch einmal die \u00dcbereinstimmung der Verdrahtung mit dem Schaltplan, um sp\u00e4teren \u00c4rger zu vermeiden.<\/p>\n\n<p>Jetzt setzen wir unsere best\u00fcckte Leiterplatte ins Geh\u00e4use und befestigen sie dort mit kleinen Schrauben.<\/p>\n\n<p>Alternativ k\u00f6nnen nat\u00fcrlich auch andere Geh\u00e4use, z. B. alte Rauchmelder, verwendet werden.<\/p>\n\n<p>Wer es einfach und praktisch haben m\u00f6chte, kann, statt zu l\u00f6ten, die Bauteile frei verdrahten und im Geh\u00e4use befestigen (mit Klebepads o. \u00e4.).<\/p>\n\n<figure class=\"wp-block-image size-large\"><img decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.reichelt.com\/magazin\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/foto2-1024x576-1.jpg\" alt=\"\" class=\"wp-image-12071\"\/><\/figure>\n\n<div style=\"height:30px\" class=\"wp-block-spacer\"><\/div>\n\n<figure class=\"wp-block-image size-large is-style-default\"><a href=\"https:\/\/www.reichelt.com\/magazin\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/luftwaechter_Schaltplan2.jpg\"><img decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.reichelt.com\/magazin\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/luftwaechter_Schaltplan2.jpg\" alt=\"\" class=\"wp-image-12385\"\/><\/a><\/figure>\n\n<p>Der W\u00e4chter wird durch ein USB-Kabel mit dem PC verbunden. Sp\u00e4ter, wenn die Software auf das CO2-Messger\u00e4t geladen ist, erfolgt die Stromversorgung \u00fcber ein USB-Netzteil oder eine Powerbank.<\/p>\n\n<p>Der Kopf qualmt schon? Jetzt: Zimmer l\u00fcften!<\/p>\n\n<p><\/p>\n\n<h4 class=\"wp-block-heading\"><strong>2.2<\/strong> <strong>Software-Installation<\/strong><\/h4>\n\n<p>Um den Sensor \u201ezum Leben zu erwecken\u201c, brauchen wir die passende Software. Diese werden wir aus schon vorhandenen Bibliotheken und eigenen Programmen erstellen.<\/p>\n\n<p>Wir verwenden dazu die Arduino-IDE, die, falls noch nicht vorhanden, als erstes auf dem PC installiert werden muss.<\/p>\n\n<p>Diese konfigurieren wir f\u00fcr unseren Sensor und installieren \u00fcber den Board-Verwalter das ESP32-Paket entsprechend den Anweisungen, die dem Board ESP32 beiliegen.<\/p>\n\n<p>Um die Hard- und Software \u00fcber den \u201eseriellen Monitor\u201c zu testen, wird der Sensor durch ein USB-Kabel mit dem PC verbunden. Beim ersten Start stellen wir \u00fcber <strong>\/Werkzeuge\/Board <\/strong>den \u201e<strong>ESP32 Dev Module<\/strong>\u201c ein.<\/p>\n\n<p>Dann laden wir \u00fcber <strong>Datei\/Beispiele\/ESP32\/ChipID<\/strong> das Testprogramm \u201e<strong>GETChipID<\/strong>\u201c herunter. Damit pr\u00fcfen wir die Programmierung und Kommunikation des Boards.<\/p>\n\n<p>Wenn der Test erfolgreich ist, geht es zum n\u00e4chsten Schritt: dem Installieren und Einbinden der Bibliotheken.<\/p>\n\n<p>Wir nutzen daf\u00fcr bereits vorhandene und getestete Softwarebibliotheken (Softwarequellen), in denen die von uns ben\u00f6tigten Funktionen schon definiert sind und die im Internet frei zur Verf\u00fcgung stehen. Sie werden in der Arduino IDE \u00fcber den Bibliotheksverwalter installiert und \u00fcber die \u201e<strong>#<\/strong><strong>include \u2026.<\/strong>\u201c &#8211; Anweisung in unseren Quellcode eingebunden.<\/p>\n\n<p>Im github haben wir alle notwendigen Bibliotheken und die genauen Anweisungen zum Herunterladen und zum Installieren der Softwarequellen zusammengestellt.<\/p>\n\n<p><a href=\"https:\/\/github.com\/repair-frank\/luftwaechter\" target=\"_blank\" rel=\"noreferrer noopener\">https:\/\/github.com\/repair-frank\/luftwaechter<\/a><\/p>\n\n<p><\/p>\n\n<h4 class=\"wp-block-heading\"><strong>2.3 Software-Beschreibung<\/strong><\/h4>\n\n<p>Jetzt erl\u00e4utern wir die Software im Einzelnen:<\/p>\n\n<p>Um den ESP32 mit dem WLAN-Netzwerk zu verbinden und damit wir unseren Webserver erreichen k\u00f6nnen, ben\u00f6tigen wir die WiFi.h- Bibliothek.<\/p>\n\n<p><code>#include \"WiFi.h\"<\/code><\/p>\n\n<p>Um den Server einzurichten (d.h. Serverrouten und -funktionen zu konfigurieren), nutzen wir die Bibliothek ESPAsyncWebServer.h.<\/p>\n\n<p><code>#include \"ESPAsyncWebServer.h\"<\/code><\/p>\n\n<p>F\u00fcr die Kommunikation mit dem Feuchtigkeitssensor DHT22 ben\u00f6tigen wir die DHTesp.h Bibliothek, die f\u00fcr uns das Single-Wire-Protokoll organisiert.<\/p>\n\n<p><code>#include \"DHTesp.h\"<\/code><\/p>\n\n<p>Der MHZ-19 kommuniziert mit dem ESP32 \u00fcber ein serielles asynchrones Protokoll, das \u00fcber die<\/p>\n\n<p>SoftwareSerial.h organisiert wird:<\/p>\n\n<p><code>#include \"SoftwareSerial.h\"<\/code><\/p>\n\n<p>Die Anweisungen zur Kalibrierung und zum Auslesen der Messwerte des CO2-Sensors sind in der MHZ19.h Bibliothek untergebracht:<\/p>\n\n<p><code>#include \"MHZ19.h\"<\/code><\/p>\n\n<p>Die verwendeten Pins des ESP32 werden so definiert:<\/p>\n\n<p><code>#define RX_PIN 33<\/code><\/p>\n\n<p><code>#define TX_PIN 32<\/code><\/p>\n\n<p><code>int dhtPin = 4;<\/code><\/p>\n\n<p>Diese Anweisungen sind die Konstruktoren f\u00fcr die einzelnen Bibliotheken:<\/p>\n\n<p><code>DHTesp dht;<\/code><\/p>\n\n<p><code>MHZ19 myMHZ19;\u00a0<\/code><\/p>\n\n<p><code>SoftwareSerial mySerial(RX_PIN, TX_PIN);<\/code><\/p>\n\n<p>Wir ben\u00f6tigen au\u00dferdem ein Objekt der Klasse AsyncWebServer, mit dem der Server, wie bereits erw\u00e4hnt, konfiguriert wird.<\/p>\n\n<p>Beachten Sie, dass der Konstruktor dieser Klasse als Eingabe die Nummer des Ports empf\u00e4ngt, an dem der Server empfangsbereit ist. Wir verwenden Port 80, den Standard-HTTP-Port.<\/p>\n\n<p><code>AsyncWebServer server(80);<\/code><\/p>\n\n<p>Zum Abschluss der Deklarationen ben\u00f6tigen wir die Anmeldeinformationen des WLAN-Netzwerks, mit dem der ESP32 eine Verbindung herstellen wird.<\/p>\n\n<p><code>const char* ssid = \"Netzwerkname\";<\/code><\/p>\n\n<p><code>const char* password = \"Passwort\";<\/code><\/p>\n\n<p>Als n\u00e4chstes initialisieren wir die serielle Schnittstelle, damit wir Nachrichten zur Inbetriebnahme ausgeben k\u00f6nnen. Wir werden sie verwenden, um nach dem Herstellen der WLAN-Verbindung die dem ESP32 im Netzwerk zugewiesene IP zu \u00fcbertragen. So k\u00f6nnen wir sp\u00e4ter von einem Client aus auf den Webserver zugreifen.<\/p>\n\n<p><code>Serial.begin(115200);<\/code><\/p>\n\n<p>Um den ESP32 mit dem WiFi-Netzwerk zu verbinden, rufen wir die begin-Methode einer externen Variablen namens WiFi auf, die beim Importieren der WiFi.h-Bibliothek verf\u00fcgbar ist. Als Eingabe erh\u00e4lt diese Methode den Netzwerknamen und das Kennwort, die wir auch in globalen Variablen gespeichert haben.<\/p>\n\n<p><code>WiFi.begin(ssid, password);<\/code><\/p>\n\n<p>Ist die Verbindung erfolgreich hergestellt, wird \u00fcber den seriellen Monitor die IP-Adresse des W\u00e4chters gesendet. Wenn nicht, wird das CO2-Messger\u00e4t immer wieder versuchen, eine Verbindung aufzubauen. Da muss der Nutzer eingreifen und korrigieren.<\/p>\n\n<p>Sobald der WLAN-Verbindungsvorgang abgeschlossen ist, folgt die Konfiguration der Serverrouten. Grunds\u00e4tzlich m\u00fcssen wir f\u00fcr jeden Endpunkt in unserem Server eine Handling-Funktion angeben.<\/p>\n\n<p>Wir haben eine Route f\u00fcr jeden Messtyp: <strong>Temperatur<\/strong>, <strong>Luftfeuchtigkeit<\/strong> und <strong>CO2<\/strong>. Jede Route h\u00f6rt nur HTTP-GET-Anforderungen ab.<\/p>\n\n<p>Die erste Route, die wir konfigurieren werden, ist die CO2-Messung. Sie wird &#8221; <strong>\/ co2<\/strong> &#8221; genannt.<\/p>\n\n<p><code>server.on(\"\/co2\", HTTP_GET, [](AsyncWebServerRequest * request) {<\/code><\/p>\n\n<p><code>\/\/Route handling function<\/code><\/p>\n\n<p><code>});<\/code><\/p>\n\n<p>Innerhalb der \u201ehandling function\u201c f\u00fchren wir die Messung der CO2-Konzentration mit dem MH-Z19 durch.<\/p>\n\n<p><code>int measurement = myMHZ19.getCO2()<\/code><\/p>\n\n<p>Genauso behandeln wir die Temperatur- und Feuchtigkeits-Messung.<\/p>\n\n<p>Der CO2-Sensor wird automatisch kalibriert. Dazu wird der niedrigste Messwert innerhalb von 24 Stunden als 400 ppm CO2-Wert angenommen. Unter normalen Bedingungen muss man sich darum nicht k\u00fcmmern. Das passiert im Hintergrund und v\u00f6llig selbstst\u00e4ndig.<\/p>\n\n<p>Das eigentliche Hauptprogramm ist leer. Alle Routinen laufen im Hintergrund ereignisgesteuert.<\/p>\n\n<p>Im Quellcode befinden sich einige Anweisungen, die nur f\u00fcr den Test und die Inbetriebnahme genutzt werden.<\/p>\n\n<p><\/p>\n\n<h4 class=\"wp-block-heading\"><strong>2.4 Test der Software<\/strong><\/h4>\n\n<p>Jetzt beginnt die Testphase des CO2-Messger\u00e4ts.<\/p>\n\n<p>Wenn unser Programm fehlerfrei kompiliert wurde, wird es zum CO2-W\u00e4chter \u00fcbertragen.<\/p>\n\n<p>Sind \u00fcber <strong>#define test<\/strong> die Testroutinen aktiviert, werden die aktuelle IP-Adresse und die Sensorwerte im Sekundentakt im seriellen Monitor angezeigt.<\/p>\n\n<p>Diese Werte sollten im erwarteten Bereich liegen. Wenn das nicht der Fall ist, m\u00fcssen wir uns auf Fehlersuche begeben, d. h. Verdrahtungen und Softwaredeklarationen \u00fcberpr\u00fcfen.<\/p>\n\n<p><strong>Achtung<\/strong>: Vorher Spannung abschalten!<\/p>\n\n<p>Wenn alles funktioniert, deaktivieren wir die Testanweisung (<strong>\/\/ #define test<\/strong>) und kompilieren das Programm noch einmal.<\/p>\n\n<p>Die Abfrage der Messwerte kann nun von einem beliebigen Ger\u00e4t im WLAN-Netzwerk \u00fcber einen Webbrowser erfolgen.<\/p>\n\n<figure class=\"wp-block-image size-large\"><img decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.reichelt.com\/magazin\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/Anzeige-CO2-1.png\" alt=\"\" class=\"wp-image-12073\"\/><\/figure>\n\n<figure class=\"wp-block-image size-large\"><img decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.reichelt.com\/magazin\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/Anzeige-Temperatur.png\" alt=\"\" class=\"wp-image-12074\"\/><\/figure>\n\n<figure class=\"wp-block-image size-large\"><img decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.reichelt.com\/magazin\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/Anzeige-Feuchtigkeit.png\" alt=\"\" class=\"wp-image-12075\"\/><\/figure>\n\n<p>Nun ist der Moment gekommen, einen geeigneten Messort im Raum auszuw\u00e4hlen. Der CO2-Messer soll gut von der Raumluft umsp\u00fclt werden und St\u00f6rungen durch andere Luftquellen (Fenster, Ofen usw.) sollten vermieden werden.<\/p>\n\n<figure class=\"wp-block-image size-large\"><img decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.reichelt.com\/magazin\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/foto-3-1-1024x576-1.jpg\" alt=\"\" class=\"wp-image-12076\"\/><\/figure>\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\"><strong>3. Fazit<\/strong><\/h2>\n\n<p>Die \u00dcberwachung der Raumluft mit dem selbstgebauten CO2-Messger\u00e4t funktioniert! Das Ger\u00e4t ist preiswert und relativ einfach zu bauen und zu programmieren. Au\u00dferdem bietet das Ger\u00e4t M\u00f6glichkeiten zur Erweiterung: Mittels komplexerer Software lassen sich Funktionen wie optischer \/ akustischer Alarm, Luftbefeuchter und die Verringerung des Strombedarfs f\u00fcr l\u00e4ngerfristigen Batteriebetrieb hinzuf\u00fcgen. Im Web gibt es dazu zahlreiche Anregungen und umfangreiche Sammlungen von Bibliotheken.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Ob zu Hause, in der Schule oder am Arbeitsplatz \u2013 wir alle haben gro\u00dfes Interesse, in gut bel\u00fcfteten R\u00e4umen zu leben, zu lernen und zu arbeiten. 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