CO2-Ampel für den Unterricht
Grundlagen der Messung und richtigen Lüftung
Hardware: Sensor für das Messen des CO2-Wertes
Software: Extension für MakeCode
Verdrahtung
Bedienkonzept des Calliope
Ausbaustufen
Programmierung
Ausbaustufen
Messbeispiel

Published October 17, 2020 © CC BY

CO2-Ampel mit Calliope und CCS811-Sensor

Vorgestellt wird eine CO2-Ampel, die mithilfe des Sensors CCS811 am Calliope realisiert wird. Das Projekt funktioniert so auch am Microbit.

BeginnerFull instructions provided1 hour1,001

CO2-Ampel mit Calliope und CCS811-Sensor

Things used in this project

Hardware components

Calliope mini

CCS811-Board

beliebiges CCS811-Modul ohne großen Schnickschnack

Seeed Studio Grove - OLED Display 1.12'' V2

optional

Seeed Studio Grove I2C Hub

optional, falls OLED-Display

Software apps and online services

Microsoft MakeCode

für Calliope/Microbit

Story

CO2-Ampel für den Unterricht

"CO2-Ampel - die Toilettenpapier-Krise des Herbstes"
Hapselknecht im Forum zum CO2-Ampel-Artikel des Make-Magazins 05/2020

Trotzdem wollte ich gern ein Ampelsystem bauen, da es zum Rahmenplan des Informatikunterrichts in Mecklenburg-Vorpommern passt und eben auch sehr aktuell ist. Da sich die Fenster in den Klassenräumen nicht weit öffnen lassen, wollte ich auch wissen, ob das Lüften überhaupt was bringt.

Testaufbau auf einer Steckplatine mit OLED-Display und manueller Verkabelung

Grundlagen der Messung und richtigen Lüftung

Die Grundlagen der CO2-Messung und des richtigen Lüftens wurden an anderen Stellen schon mehrfach ausführlich beschrieben. Eine lesenswerte Variante findet sich beim Umweltcampus Birkenfeld der Hochschule Trier.

Hardware: Sensor für das Messen des CO2-Wertes

... oder besser des CO2-Äquivalents: Die Wahl fiel auf den Chip CCS811, da er in Deutschland als Breakout-Board bei Distributoren verfügbar und nicht so teuer ist. Das von mir verwendete Breakout-Modul gibt es bei Eckstein, Funduino, Reichelt oder mit Geduld (dafür sehr preiswert bei) AliExpress. Das Board lässt eine Konfiguration der I2C zur Kommunikation zu, verfügt aber nicht über einen Temperatursensor.

CCS811-Modul, in der Mitte der eigentliche Sensor, Lötbrücke für Adresse 0x5A geschlossen

Für das Abfragen der Daten des Sensors wird das I2C-System genutzt. Dafür muss das Board eindeutig über eine Adresse angesprochen werden. Beim Anschluss des ADD Anschlusses an GND bzw. beim Schließen der Lötbrücke rechts zu L wird die Adresse 0x5A verwendet. Beim Anschluss an VCC bzw. beim Schließen der Lötbrücke links zu H wird die Adresse 0x5B verwendet.

Software: Extension für MakeCode

Um den Sensor blockbasiert mit MakeCode programmieren zu können, muss eine Erweiterung installiert werden. Nach einigen Tests klappte es mit der Version von Xinabox zuverlässig. Diese wurde für ein gleichwertiges Modul mit dem Namen SG33 entwickelt. Die Block-Bausteine sind einfach gehalten. Zwei Variablen für den eCO2- und den TVOC-Wert sowie Initialisierungsblöcke.

Bausteine der Erweiterung SG33

Alternativ kann auch mit der Erweiterung AirQuality in der Version von ElectronicCats gearbeitet werden.

Bausteine der Erweiterung AirQuality

Verdrahtung

Das CCS811-Modul verfügt über die zum Anschluss an den Calliope/Microbit notwendigen PINs für die 3, 3 V-Spannung VCC (rot) und GND (schwarz/blau) sowie für den I2C-Bus SCL (gelb) und SDA (weiß). Am Calliope mini muss das Grove-Kabel in die linke Buchse, da dort der I2C-Bus anliegt.

CCS811 am Grove-Anschluss hier noch ohne Lötbrücke

Außerdem müssen der Anschluss Wake und ADD auf GND gelegt werden. Damit wird die I2C-Adresse des Moduls auf 0x5A festgelegt und das Modul nicht schlafen gelegt (im Bild die blauen Kabel).

1 / 2 • Verdrahtung CCS811 ohne Lötbrücke mit Wake und Address auf GND

Bedienkonzept des Calliope

Der Calliope soll den Sensor regelmäßig im 5-Sekunden-Takt abfragen. In Abhängigkeit von den Messwerten sind die Farben grün, rot (Lüften empfohlen), blau (Lüften absolut notwendig oder Raum evakuieren ;)) festgelegt. Auf die Farbe gelb wurde verzichtet, da diese nicht sehr gut auf der Farb-LED angezeigt wird.

Die Abfrage der exakten Werte soll mithilfe der Tasten und des 5x5-LED-Matrix realisiert werden. Da Zahlen größer als 9 als Laufanzeige angezeigt werden und diese schlecht lesbar sind, wird die im Unterricht bereits mehrfach verwendete Erweiterung Zahlencodierung genutzt. Die Taste A soll die einmalige Anzeige des Messwertes eCO2 und die Taste B die einmalige Anzeige des Messwertes TVOC aktivieren. Im Fall der Signalfarbe blau ist zusätzlich pro Messung ein Warnsignal auszugeben, welches durch Drücken der Tasten A+B aktivierbar/deaktivierbar sein soll.

Ausbaustufen

OLED-Display über einen I2C-Hub zur dauerhaften Anzeige der Werte
Funkübertragung der Werte an einen Calliope, der die Daten via USB logt

Programmierung

Das System soll mit Schülern programmiert werden, daher sind die Anforderungen nicht sehr hoch. Zunächst spielt das Grundkonzept der Ampel eine Rolle: drei Farben je nach eCO2-Wert. Der Wertebereich folgt aus den Angaben des Umweltbundesamts 2008, wobei die Kategorien 1 und 2 zusammengefasst wurden. Hinweis: ppm - parts per million

400 bis 1000 ppm eCO2: alles in Ordnung - Ampelfarbe grün
1000 bis 1400 ppm eCO2: Warnstufe - Lüften empfohlen - Ampelfarbe rot
ab 1400 ppm eCO2: Gefahrenstufe - Lüften absolut notwendig - Ampelfarbe blau

Zusätzlich kann der TVOC-Wert berücksichtigt werden. Dieser beschreibt den Anteil an Schadstoffen in der Luft, der z. B. durch Teppichausdünstung oder Parfüm entstehen kann. Gerade nach dem Sportunterricht ist dieser Wert interessant ;). Für den TVOC-Wert gilt (nach Sensortec.ch - Hinweis: ppb - part per billion).

0 bis 400 ppb TVOC: hygienisch unbedenklich - Ampelfarbe grün
150 bis 1300 ppb TVOC: hygienisch auffällig - Ampelfarbe ab 400 ppb blau
ab 1500 ppb TVOC: hygienisch inakzeptabel - Ampelfarbe blau

Start-Block

1 / 2

Der Startblock legt die Adresse des CCS811-Moduls auf 0x5A (Modus on) fest und definiert die Startwerte für die Taste A+B, die im Programm als Variable t_ton verwaltet wird. In der Erweiterung wird die Funkgruppe gesetzt und das Display initialisiert.

Tasten

Tastenblock

Die Tasten A und B realisieren das Anzeigen der Messwerte in Soroban-Codierung, die aus den Variablen ausgelesen werden. Das An-/Ausschalten des Tons wird über den Wechsel des booleschen Zustands erreicht.

Hauptprogramm

Hauptprogramm Teil 1

Im Ampelteil des Hauptprogramms werden die Sensorwerte eingelesen und in den Variablen gespeichert. Anschließend erfolgt entsprechend der Vorgabe die Ampelschaltung mithilfe einer Mehrfachverzweigung. Im Falle "blau" wird zusätzlich geprüft, ob die Variable t_ton, die den Wert des Tastendrucks der Tasten A+B speichert, wahr ist und entsprechend die Tonfolge ausgegeben.

1 / 2 • Hauptprogramm Teil 2 - einfach

Im Teil 2 des Hauptprogramms wird gewartet und dann die Anzeige gelöscht. In der Erweiterung erfolgt das Senden der Daten per Funk und die Anzeige auf dem Display, welches in die Funktion zeigeWerte ausgelagert wurde.

optionale Anzeige OLED

OLED-Anzeige-Funktion

Hier passiert nun nicht viel, eben nur die Anzeige.

optionaler Funkempfang

Funkempfang und Weitergabe an die serielle Schnittstelle

Das Programm für den zweiten Calliope/microbit, der das Funksignal auswerten soll. Wir die serielle Schnittstelle abgefragt werden kann, habe ich im Hackster Projekt Messwerterfassung mit Calliope mini via USB beschrieben.

Ausbaustufen

OLED-Display über einen I2C-Hub zur dauerhaften Anzeige der Werte
Funkübertragung der Werte an einen Calliope, der die Daten via USB logt

micro:bit als Funkempfänger mit Loggerscreen am Rechner

Messbeispiel

Hier ein Messbeispiel aus dem Unterricht (Klausur) mit permanenter Kipp- und teilweiser Querlüftung. Um 08:10 Uhr und um 8:40 Uhr haben wir die Fenster kurzzeitig geschlossen und dann gleich wieder richtig aufgemacht. Zum Stundenende gab es Bewegung in der Klasse.

input.onButtonPressed(Button.A, function () {
    Zahlencodierung.zeigeNSorobancodiertAn(co2)
})
input.onButtonPressed(Button.AB, function () {
    t_ton = !(t_ton)
})
input.onButtonPressed(Button.B, function () {
    Zahlencodierung.zeigeNSorobancodiertAn(tvoc)
})
let tvoc = 0
let co2 = 0
let t_ton = false
SG33.address(true)
t_ton = true
basic.forever(function () {
    co2 = SG33.eCO2()
    tvoc = SG33.TVOC()
    if (co2 < 1000 && tvoc < 400) {
        basic.setLedColor(0x00ff00)
    } else if (co2 < 1400 && tvoc < 400) {
        basic.setLedColor(0xff0000)
    } else {
        basic.setLedColor(0x0000ff)
        if (t_ton) {
            music.playMelody("C5 B A G F E D C ", 200)
        }
    }
    basic.pause(10000)
    basic.clearScreen()
})

input.onButtonPressed(Button.A, function () {
    Zahlencodierung.zeigeNSorobancodiertAn(co2)
})
function zeigeWerte () {
    oledssd1306.clearDisplay()
    oledssd1306.setTextXY(0, 0)
    oledssd1306.writeString("Messwerte")
    oledssd1306.setTextXY(1, 0)
    oledssd1306.writeString("--------------------")
    oledssd1306.setTextXY(3, 0)
    oledssd1306.writeString("CO2: ")
    oledssd1306.writeNumber(co2)
    oledssd1306.setTextXY(4, 0)
    oledssd1306.writeString("TVOC: ")
    oledssd1306.writeNumber(tvoc)
}
input.onButtonPressed(Button.AB, function () {
    t_ton = !(t_ton)
})
input.onButtonPressed(Button.B, function () {
    Zahlencodierung.zeigeNSorobancodiertAn(tvoc)
})
let tvoc = 0
let co2 = 0
let t_ton = false
SG33.address(true)
t_ton = true
radio.setGroup(2)
oledssd1306.initDisplay()
oledssd1306.flipScreen()
basic.forever(function () {
    co2 = SG33.eCO2()
    tvoc = SG33.TVOC()
    if (co2 < 1000 && tvoc < 400) {
        basic.setLedColor(0x00ff00)
    } else if (co2 < 1400 && tvoc < 400) {
        basic.setLedColor(0xff0000)
    } else {
        basic.setLedColor(0x0000ff)
        if (t_ton) {
            music.playMelody("C5 B A G F E D C ", 200)
        }
    }
    zeigeWerte()
    radio.sendValue("CO2: ", co2)
    radio.sendValue("TVOC: ", tvoc)
    basic.pause(10000)
    basic.clearScreen()
})

Credits

Tino Hempel

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Thanks to Make-Magazin and Michael Klein.

CO2-Ampel mit Calliope und CCS811-Sensor