Umweltmessnetz/Sensorstation

Aus c3RE.de
Wechseln zu: Navigation, Suche

Die Sensorstation liefert Messdaten ins Umweltmessnetz.

Sensorik

Temperatur + Luftfeuchte

Der Sensor DHT22 misst Temperatur und relative Luftfeuchte und stellt die Messwerte digital seriell zur Verfügung. Der Messbereich ist -40 bis +80 °C (Genauigkeit 0,5 °C) bzw. 0 bis 100 % rF (Genauigkeit 2 %). Eine Messung kann alle 2 Sekunden vorgenommen werden. Die Versorgungsspannung darf zwischen 3,3 und 5,5 Volt liegen.

Feinstaub (Partikel)

Der Sensor SDS011 misst Staubpartikel mittels Laser-LED und Fotodiode. Dazu wird Luft über einen Ansaugstutzen in das Gehäuse gezogen und an der Messstrecke vorbeigeführt. Staubteilchen verursachen Streulicht und damit einen Ausschlag des Signals an der Fotodiode, aus dessen Form Rückschluss auf die Größe des Staubteilchens gezogen werden können. Der im Sensor enthaltene Mikroprozessor wertet die Rohdaten aus und stellt die Messwerte für PM2.5 und PM10 (Feinstaubpartikel bis 2,5 µg resp. bis 10 µg, gemessen in µg/m³ Luft) über eine bidirektionale serielle Verbindung zur Verfügung.

Gase

MQ-Sensoren

Die Sensorfamilie MQ-xyz misst Gaskonzentrationen elektrochemisch, indem eine Keramikperle elektrisch beheizt wird. Vorhandene Gase in der Umgebungsluft werden durch geeignete Imprägnierung der Keramik katalytisch umgesetzt und beeinflussen dadurch deren elektrische Eigenschaften, die in einer Messschaltung ausgewertet werden. Auf dem Sensormodul wird ein Messwert für die Gaskonzentration erzeugt, der am Ausgang als Analogwert zur Verfügung steht (Bereich von 0 V bis Vcc des Moduls). Das Modul verfügt zudem über ein Trimmpotentiometer, das auf einen Schwellwert justiert werden kann. Bei Überschreitung wird ein digitaler Ausgang umgeschaltet. Die chemische Beschaffenheit der Keramik bestimmt die spezifische Empfindlichkeit des Sensors für bestimmte Stoffe, wobei stets auch andere Verbindungen die Messung beeinflussen. Folgende Typen des Sensors stehen zur Verfügung:

Gassensoren MQ-…
Typ Zielverbindung zusätzlich empfindlich für
MQ-2 Methan, Butan, LPG, Rauch Wasserstoff, Alkohol, Propan
MQ-3 Alkohol Benzol, Methan, Hexan, LPG, Kohlenmonoxid
MQ-4 Methan, Erdgas Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Alkohol, Rauch
MQ-5 Erdgas, LPG Isobutan, Propan, Stadtgas, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Alkohol
MQ-6 LPG, Butan Propan, Erdgas, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Alkohol
MQ-7 Kohlenmonoxid Methan, Erdgas, Wasserstoff, Alkohol
MQ-8 Wasserstoff Alkohol, Kohlenmonoxid, Methan
MQ-9 Kohlenmonoxid, brennbare Gase
MQ-131 Ozon Stickoxide, Chlor
MQ-135 Luftqualität (Benzol, Alkohol, Rauch) Ammoniak, Sulfide, Aromaten

Die Messwerte sind zudem abhängig von Temperatur und Luftfeuchte, daher sollten diese ebenfalls erfasst werden, um eine Kompensation errechnen zu können.

Zu beachten ist ferner, dass der Sensor vor der Messung auf Betriebstemperatur gebracht werden muss, was ca. eine Minute dauert. Das ist beim Design der Stromversorgung zu berücksichtigen. Die Leistungsaufnahme für die Heizung liegt bei rd. 300 bis 400 mW.

Man könnte theoretisch ein Array mehrerer unterschiedlicher Sensoren gemeinsam betreiben, um aus der Gesamtheit der Messwerte genauere Rückschlüsse auf einzelne Substanzen zu ziehen.

Die Sensoren sind sehr preiswert, als anschlussfertiges Modul (mit Messverstärker und justierbarem Schwellwertschalter) liegt der Preis bei unter 2 €.

MICS-Sensoren

Die Sensoren der MICS-Familie arbeiten genauer als die MQ-Sensoren, sind aber auch etwas teurer (7 bis 30 € je nach Typ) und nicht so verbreitet erhältlich. Das Messprinzip ist eine MEMS-Struktur (mikro-elektromechanisches System). Die Sensoren bieten eine gute Empfindlichkeit und Selektivität. Gemessen wird der Widerstand des Sensorchips, der je nach Typ zwischen 10 / 100 und 1500 kOhm oder zwischen 0,8 und 20 kOhm liegen kann. Bei den kombinierten Sensoren stehen die Messwerte der einzelnen Sensoren separat zur Verfügung, d.h. die Einzelsensoren sind lediglich in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefasst; die Messbereiche unterscheiden sich u.U. von denen der Einzelsensoren.

Gassensoren MICS-…
Typ Zielverbindung Messbereich zusätzlich empfindlich für ca.-Preis
MICS-5524 Kohlenmonoxid, flüchtige organische Verbindungen 0 - 500 ppm Wasserstoff, Ammoniak, Schwefelwasserstoff 5 €
MICS-2714 Stickstoffdioxid 50 ppb – 10 ppm Wasserstoff, Stickstoffmonoxid 6 €
MICS-4514 Kombination von MICS-5524 und -2714 1 – 1000 ppm / 50 – 5000 ppb 7 €
MICS-5914 Ammoniak 1 – 500 ppm Ethanol, Wasserstoff, Propan, Isobutan 6 €
MICS-6814 Kombination von MICS-5524, -2714 und -5914 1 – 1000 ppm / 50 – 5000 ppb / 1 – 300 ppm 11 €
MICS-2614 * Ozon 10 – 1000 ppb *

(*) Hinweise in älteren Unterlagen (2009–2014); scheint nicht mehr lieferbar zu sein.

Controller

Netzanbindung

Prototyp

Zur Evaluierung wurde ein Prototyp erstellt, der auf dem Board NodeMCU 0.9 mit dem Mikrocontroller ESP8266 basiert. Die Software wird mit Hilfe der Arduino-Programmierumgebung erstellt. Das Board stellt zur Verfügung:

  • mehrere konfigurierbare digitale Ein-/Ausgänge
  • einen analogen Eingang
  • verschiedene WiFi-Betriebsarten
  • etc.

Folgende Sensoren sind momentan angeschlossen:

  • DHT22
  • SDS011
  • MQ-2 / MQ-135 (wechselbar; es kann immer nur ein Sensor angeschlossen sein, da es nur einen AIn gibt)