IoT Air Quality Monitor

Poluarea aerului este o problemă extrem de actuală mai ales în mediul urban. Măsurarea calității aerului ne poate indica la ce riscuri de sănătate ne expunem. Există o serie de măsurători oficiale dar ele sunt afectate în mare măsură de  interesele sau neglijența celor care administrează rețelele de monitorizare. Se poate vedea o hartă în timp real a calității aerului în România pe site-ul aciqn.org, din păcate în majoritatea orașelor mari din România senzorii sunt nefuncționali…

Există mai mulți indicatori ce influențează calitatea aerului. În cadrul proiectului de față vom utiliza un senzor CCS811 ce este capabil să măsoare concentrațiile de eCO2 (dioxid de carbon echivalent) și tVOC (total compuși volatili organici) din aer în spații închise (în interior). Pentru mai multe detalii despre semnificația celor doi indicatori se poate parcurge materialul „Air Quality Measurements with the CCS811”. Punerea în funcțiune a senzorului necesită o perioadă de 48 de ore de funcționare în gol (la prima utilizare) și ulterior un timp de 20 de minute până la stabilizarea măsurătorilor (la pornirile ulterioare ale sistemului). Pentru modul de funcționare a senzorului CCS811 se poate parcurge și materialul „CCS811 Air Quality Breakout Hookup Guide”.

Valorile furnizate de senzor vor fi înregistrate în cloud utilizând serviciul Robofun IoT. Acest serviciu este gratuit dar necesită înregistrare, mai multe detalii despre modul de utilizare a serviciului se pot găsi pe site-ul de documentație oficial. Pentru a trimite datele prin Internet vom utiliza o placă de dezvoltare WiDo-WIFI IoT ce combină un microcontroler ATmega32U4 (la fel ca și placa de dezvoltare Arduino Leonardo) și un controler WiFi WG1300 (bazat pe circuitul integrat CC3000). Această combinație oferă avantajul programării foarte simple, la fel ca orice placă din familia Arduino, dar și posibilitatea de comunicație în rețea utilizând o conexiunea WiFi.

Schema de interconectare între senzor și placa de dezvoltare este următoarea (senzorul se va alimenta la 3.3V iar liniile de comunicație I2C sunt SCL – pin D3, SDA – pin D2):

2

Programul a fost dezvoltat și testat utilizând Arduino IDE 1.8.3 și bibliotecile SparkFun CCS811 1.0.0 și o versiune modificată a bibliotecii Adafruit CC3000 – special pentru placa de dezvoltare WiDo-WIFI. Placa se va programa în Arduino IDE ca o placă Arduino Leonardo obișnuită.

#include <Adafruit_CC3000.h>

#include <ccspi.h>

#include <SPI.h>

#include <string.h>

#include “utility/debug.h”

#define WiDo_IRQ   7

#define WiDo_VBAT  5

#define WiDo_CS    10

Adafruit_CC3000 WiDo = Adafruit_CC3000(WiDo_CS, WiDo_IRQ,  WiDo_VBAT,SPI_CLOCK_DIVIDER);

În cadrul programului trebuie completate datele de conectare la rețeaua WiFi.

#define WLAN_SSID       “”          

#define WLAN_PASS       “

#define WLAN_SECURITY   WLAN_SEC_WPA2

#define TIMEOUT_MS  2000

#define WEBSITE  “iot.robofun.ro”

#include “SparkFunCCS811.h”

#define CCS811_ADDR 0x5B

CCS811 mySensor(CCS811_ADDR);

Comentarea directivei următoare va conduce la suprimarea mesajelor în consola serială.

#define debug

În cadrul secțiunii setup() se vor inițializa componenta WiFi, conexiunea WiFi și senzorul de calitate a aerului. Procedura displayConnectionDetails() permite afișarea în consola serială a datelor de configurare în rețea.

void setup(){

  #ifdef debug

    SerialUSB.begin(115200);

    while(!SerialUSB) { ; }

    SerialUSB.println(F(“Robofun IoT Air Quality Monitor\n”));

    SerialUSB.print(F(“Free RAM: “)); Serial.println(getFreeRam(), DEC);

    SerialUSB.println(F(“\nInitialising the CC3000 …”));

  #endif

  if (!WiDo.begin())

  {

    #ifdef debug

      SerialUSB.println(F(“Unable to initialise the CC3000! Check your wiring?”));

    #endif

    while(1);

  }

  CCS811Core::status returnCode = mySensor.begin();

  if (returnCode != CCS811Core::SENSOR_SUCCESS) {

    #ifdef debug

      SerialUSB.println(F(“CCS811.begin() returned with an error.”));

    #endif

    while (1);

  }

  if (!WiDo.connectToAP(WLAN_SSID,WLAN_PASS,WLAN_SECURITY)) {

    #ifdef debug

      SerialUSB.println(F(“Failed to connect to AP!”));

    #endif

    while(1);

  }

  #ifdef debug

    SerialUSB.println(F(“Connected to AP!”));

    SerialUSB.println(F(“Request DHCP”));

  #endif

  while (!WiDo.checkDHCP())  {  delay(100);

  #ifdef debug

    while (! displayConnectionDetails()) {

      delay(1000);

    }

  #endif

}

bool displayConnectionDetails(void) {

  uint32_t ipAddress, netmask, gateway, dhcpserv, dnsserv;

  if(!WiDo.getIPAddress(&ipAddress, &netmask, &gateway, &dhcpserv, &dnsserv))  {

    SerialUSB.println(F(“Unable to retrieve the IP Address!\r\n”));

    return false;

  }

  else

  {

    SerialUSB.print(F(“\nIP Addr: “)); WiDo.printIPdotsRev(ipAddress);

    SerialUSB.print(F(“\nNetmask: “)); WiDo.printIPdotsRev(netmask);

    SerialUSB.print(F(“\nGateway: “)); WiDo.printIPdotsRev(gateway);

    SerialUSB.print(F(“\nDHCPsrv: “)); WiDo.printIPdotsRev(dhcpserv);

    SerialUSB.print(F(“\nDNSserv: “)); WiDo.printIPdotsRev(dnsserv);

    SerialUSB.println();

    return true;

  }

}

Măsurarea celor doi parametrii de calitate a aerului este afectată de temperatura și umiditatea ambientală. Biblioteca senzorului este capabilă să compenseze acest aspect prin preluarea din program a valorilor necesare. Pentru măsurători exacte este indicată utilizarea unui senzor de temperatură și umiditate în sistem care să furnizeze aceste valori în mod dinamic dar în cadrul sistemului nostru vom utiliza două valori constante.

#define temperatureVariable 28.0

#define humidityVariable 27.0

În cadrul secțiunii loop() se vor prelua datele de la senzor și se vor transmite către procedua postIoT() care se va ocupa cu înregistrarea în cloud. Este necesară particularizarea în program a valorilor TOKEN1 și TOKEN2, valori obținute în urma definirii a celor doi senzori în serviciul Robofun IoT. Postarea se va realiza la un interval de 10 minute (600 secunde = 600000 milisecunde).

void loop(){

   if (mySensor.dataAvailable()) {

      mySensor.setEnvironmentalData(humidityVariable, temperatureVariable);

      delay(10);

      mySensor.readAlgorithmResults();

      int tempCO2 = mySensor.getCO2();

      int tempVOC = mySensor.getTVOC();

      #ifdef debug

        SerialUSB.print(F(“CO2[“));

        SerialUSB.print(tempCO2);

        SerialUSB.print(F(“] tVOC[“));

        SerialUSB.print(tempVOC);

        SerialUSB.println(F(“]”));

      #endif

      String temp = “/api/v1/senzor/TOKEN1/input?value=” + String(tempCO2);

      char clientString[50];

      temp.toCharArray(clientString,temp.length()+1);

      postIoT(clientString);

      delay(5000);

      temp = “/api/v1/senzor/TOKEN2/input?value=” + String(tempVOC);

      temp.toCharArray(clientString,temp.length()+1);

      postIoT(clientString);

   }

   delay(600000);

}

Procedura postIoT() preia datele ce urmează a fi trimise către serviciul cloud Robofun IoT și realizează comunicația HTTP (HTTP GET) aferentă.

void postIoT(char* URLClient) {

    static Adafruit_CC3000_Client IoTclient;

    uint32_t ip = 0;

    while  (ip  ==  0)  {

      if  (!WiDo.getHostByName(WEBSITE, &ip))  {

        #ifdef debug

          SerialUSB.println(F(“Couldn’t resolve!”));

        #endif

        delay(500);

      }

      delay(500);

    }

    #ifdef debug

      SerialUSB.print(WEBSITE); Serial.print(F(” -> “));

      WiDo.printIPdotsRev(ip);

      SerialUSB.println();

    #endif

    IoTclient = WiDo.connectTCP(ip,80);

    #ifdef debug

      SerialUSB.print(F(“Connecting to IoT Server”));

      while(!IoTclient.connected()) SerialUSB.print(“.”);

      SerialUSB.println();

      SerialUSB.println(URLClient);

    #else

      while(!IoTclient.connected()) delay(10);

    #endif

    IoTclient.fastrprint(F(“GET “));

    IoTclient.fastrprint(URLClient);

    IoTclient.fastrprintln(F(” HTTP/1.1″));

    IoTclient.fastrprintln(F(“Host: iot.robofun.ro”));

    IoTclient.fastrprintln(F(“Connection: close”));

    IoTclient.fastrprint(F(“\r\n”));

    IoTclient.println();

    #ifdef debug

        SerialUSB.println(F(“Upload data to the IoT Server”));

    #endif

    unsigned long lastRead = millis();

    while (IoTclient.connected() && (millis() – lastRead < TIMEOUT_MS)) {

          while (IoTclient.available()) {

            char c = IoTclient.read();

            #ifdef debug

              SerialUSB.print(c);

            #endif

            lastRead = millis();

          }

    }

    #ifdef debug

      SerialUSB.println();

      SerialUSB.flush();

    #endif

    IoTclient.close();

}

După configurarea serviciului cloud și încărcarea programului putem deja observa online datele înregistrate (eCO2 – valori între 400 și 8,192 ppm – părți per milion; tVOC – valori într 0 și 1,187 ppb – părți per miliard):

3

4