Nasze zdrowie zależy od powietrza, którym oddychamy!

Bosch BME680 na ratunek - shield do Wemos D1 mini.

W Nettigo nic nie jest dziełem przypadku. Gdy rozpoczął się kolejny sezon grzewczy, a z kominów zaczęły unosić się gęste chmury, moje oczy zaczęły się wołać o pomoc. Korelacja była prosta - zaczerwienienie i łzawienie zawsze pojawia się u mnie jesienią, gdy rozpoczyna się sezon grzewczy, a żadna ze znanych roślin już nie pyli. To nie alergia, a spalane odpady, węgiel, itp. Popularnie nazywane smogiem. Działający na co dzień czujnik czystości powietrza SDS011 informował mnie o zwiększonym zapyleniu. Ale do tej pory nie miałem bladego pojęcia jak przekłada się to na moje zdrowie. A ja bardzo nie lubię nie wiedzieć. Skoro był problem, należało znaleźć rozwiązanie.

Tym razem postanowiliśmy zbudować inteligentny bezprzewodowy termostat, który badałby jakość powietrza, którym na co dzień oddychamy. Idealny do tego celu wydał nam się najnowszy czujnik od Boscha. BME680, bo o nim mowa, to nic innego jak BME280 na sterydach. Nadal nie wiemy jakim cudem Bosch na powierzchni 2.5 x 2.5 mm upchnął czujnik temperatury, ciśnienia, wilgotności i lotnych związków organicznych (VOC). Ale skoro to zrobił i działa to rewelacyjnie to postanowiliśmy to wykorzystać. W ten sposób powstało rozszerzenie do popularnej płytki z WiFi opartej na ESP8266.

Kilka słów o samym czujniku

BME680 jest ciekawym czujnikiem, bo oprócz standardowych danych środowiskowych mierzy też stężenie wspomnianych już lotnych związków organicznych. Nie będziemy się rozwodzić jak dokładnie to działa, bo na spektrofotometrii się nie znamy. W dużym uproszczeniu VOC to substancje unoszące się w powietrzu, których wyższe stężenie może wywoływać niepożądane efekty i być bardzo szkodliwe dla zdrowia. A VOC możemy znaleźć m.in w farbach (np: formaldehydy), lakierach, środkach czyszczących, meblach, wyposażeniu biurowym, klejach, alkoholu. Wymieniać można bardzo długo. Wśród nich znajdziemy takie perełki jak aceton, dichlorobenzen i tlenek węgla znany nam jako czad. Po pełną listę odsyłamy do Wikipedii.

BME680 w skrócie:

• Jest w stanie dokładnie zmierzyć:
  • Temperaturę
  • Ciśnienie
  • Wilgotność
  • Rezystancję gazów (lotnych związków organicznych)
• Na podstawie powyższych pomiarów oprogramowanie od Boscha może policzyć indeks IAQ
• Reaguje na niebezpieczne dla zdrowia substancje

Indeks IAQ

W oparciu o pomiary oprogramowanie od Boscha jest w stanie wyliczyć i podać nam współczynnik IAQ (Indoor Air Quality) - czyli jakości powietrza w pomieszczeniu.

IAQ jest liczbą która w prosty sposób informuje nas o jakości powietrza, którym oddychamy:

Wartość	Jakość powietrza	Opis
0-50	Dobra	Jakość powietrza powszechnie uznawana za satysfakcjonującą. Zanieczyszczenie powietrza na takim poziomie ma nikły lub żaden wpływ na zdrowie
51-100	Umiarkowana	Jakość powietrza jest akceptowalna dla większości ludzi. Najbardziej wyczulona grupa populacji może jednak odczuwać dolegliwości
101-150	Słaba	U wyczulonej części populacji mogą wystąpić negatywne skutki zdrowotne. Większa część populacji powinna czuć się relatywnie dobrze
151-200	Niezdrowa	Cała populacja zaczyna doświadczać negatywnych skutków zdrowotnych. U najbardziej wyczulonej części populacji taki poziom może być bardzo niebezpieczny dla zdrowia
201-300	Bardzo niezdrowa	Przebywanie w takich warunkach może skutkować poważnymi konsekwencjami zdrowotnymi u całości populacji
301-500	Szkodliwa	Poważne zagrożenie zdrowia. Przebywanie w takich warunkach jest definitywnie szkodliwe dla zdrowia.
500+	Toksyczna	W takich warunkach nie da się mieszkać. Jest to niezdrowe, niebezpieczne, nierozsądne i jeszcze kilka nie-. Zalecamy wyprowadzkę z Pekinu

Co to oznacza w praktyce?

To proste. Im wyższy numerek tym gorzej! Począwszy od poziomu pomarańczowego mogą pojawiać się pierwsze symptomy przebywania w niezdrowych środowisku. Każdy człowiek reaguje nieco inaczej. Trzeba zdawać sobie sprawę, że to czym oddychamy ma ogromny wpływ na to jak się czujemy.

Lista możliwych dolegliwości jest bardzo długa. Począwszy od podrażnienia nosa i gardła, kataru, kaszlu, pieczenia oczu, swędzenia skóry, zaczerwienień przez infekcje gardła i uszu, zapalenia oskrzeli, płuc, zatok, aż do utraty pamięci, nieostrego widzenia, przewlekłego bólu głowy, otępienia, zaburzenia funkcji płuc, na depresji kończąc.

Im wyższy poziom indeksu IAQ tym gorzej dla nas. W praktyce przebywanie w pomieszczeniach z IAQ powyżej 150 będzie miało odzwierciedlenie w stanie naszego samopoczucia i zdrowia. Będzie się też wiązało ze zwiększonym ryzykiem zachorowań. Jakość naszego życia w dużej mierze zależy od powietrza, którym oddychamy.

Było medycznie, teraz technicznie

Specyfikacja BME680:

• Zakres pomiarowy (pełna dokładność):
  • Ciśnienie: 300 - 1100 hPa
  • Wilgotność: 0 - 100%
  • Temperatura: -40 - 85C
• Interfejsy układu: I2C i SPI
• Średnie zużycie energii dla pomiarów co 1s:
  • 2.1 μA (wilgotność, temperatura)
  • 3.1 μA (ciśnienie, temperatura)
  • 3.7 μA (wilgotność, ciśnienie, temperatura, VOC)
• Średnie zużycie energii w trybie uśpienia: 0.15 μA
• Czujnik gazu (lotnych związków organicznych / VOC):
  • Czas reakcji (τ33-63%): <1 s (dla nowych czujników)
  • Przetwarzanie danych: możliwość wyliczenia IAQ
• Czujnik wilgotności:
  • Czas reakcji (τ0-63%): 8 s
  • Dokładność: ± 3 % względnej wilgotności
  • Histereza: ≤ 1.5 %
• Czujnik ciśnienia:
  • Szum RMS: 0.2 Pa (odpowiada 1.7 cm)
  • Błąd pomiaru: ± 0.25 % (odpowiada 1 m na 400 m zmiany wysokości)
  • Przesunięcie współczynnika temperaturowego: ±1.5 Pa/K (odpowiada ±12.6 cm przy 1°C zmiany temperatury)

Specyfikacja modułu:

• Rozszerzenie pasuje do:
  • Wemos D1 mini V2
  • Wemos D1 mini Pro
  • Wemos D1 mini lite V1
  • Wemos D1 mini V3
• Interfejs komunikacyjny: I2C
• Adres I2C: domyślnie 0x77 (0x76 po zlutowaniu zworki)
• Podłączenie do Wemos:
  • D1 - I2C SCK
  • D2 - I2C SDA
• Napięcie zasilania: 3.3V
• Logika: 3.3V
• Pole prototypowe: 4x6 w rastrze 2.54 mm
• Dodatkowe wyprowadzenia sygnałów do łatwego prototypowania

W zestawie:

• 1 szt x Moduł rozszerzenia (shield) z czujnikiem BME680
• 2 szt x Złącze przelotka, 8 pin

Uwagi dotyczące użytkowania i instalacji

• ESP8266 na pokładzie Wemosa D1 mini to mały “piekarnik”. Podczas ciągłej pracy i obsługi WiFi nagrzewa się na tyle znacząco, że potrafi zawyżać odczyty temperatury nawet o 2 stopnie. Miej to na względzie używając shielda. Propagacja ciepła następuje także przez złącza goldpin. Zalecamy umieszczenie shielda jak najdalej od Wemosa lub używanie trybu oszczędzania energii/uśpienia ESP8266 w celu redukcji wydzielanego ciepła.
• Na chwilę obecną index IAQ jest w stanie policzyć tylko binarna wstawka od Boscha. Jest ona częścią oprogramowania BSEC. Obsługiwane są platformy ESP8266, RL78 i ARM_CORTEX.

Linki:

• Strona producenta Bosch Sensortec BME680
• Biblioteka/driver od Boscha
• Oprogramowanie BSEC - binarny “blob” liczący IAQ
• Biblioteka Arduino od Adafruit
• Biblioteka Arduino of DFRobot
• Biblioteka Arduino od BlueDot
• Biblioteka Arduino od Vicatcu
• Biblioteka w Pythonie do Raspberry Pi od Pimoroni

Moduły ESP8266 / ESP32

Płytki rozwojowe ESP8266 / ESP32

Akcesoria i rozszerzenia: