Measure CO2 with a Node MCU microcontroller, if you don’t have a IoT Octopus

This article is a variation on the tutorial explaining how to make a CO2 measuring device using a Octopus microcontroller, plus CO2 sensors and optional displays.

As one might not always have an Octopus microcontroller at hand, people have asked me how to build a CO2Ampel – CO2 traffic light warning gadget – with a different microcontroller. Thankfully, such a device was recently assembled at Chaos Computer Club Freiburg.

To keep things inexpensive, we’re skipping the NeoPixel LED of the other tutorial, in this tutorial. Thus parts could be obtained for around 55 EUR.
Later, we’ll cover how to connect the measuring device described here, to various displays . Also, those interested in finding further tips and information, can find more information in the Octopus section of this blog.
(This post is for the most part identical with the CO2 Messen mit dem Octopus tutorial, also on this blog.)

Parts

I have provided links to the Mouser Onlineshop and to Tindie. You can also find the parts elsewhere, and my links aren’t affiliate links. 

  • Node MCU (microcontroller, controlling the other elements ), via Amazon or Mouser.
  • CO2 sensor SCD30 – these are available with different interfaces. Eg. With a Grove connector – although often sold out – as well as without. In the case of the CO2 sensors without a grove connector, one needs to solder or otherwise connect it to the microcontroller. Slightly cumbersome but manageable. (Digikey from 53 EUR, RS Online from 72 EUR, Mouser around 50 EUR – at time of writing these were sold out, but new ones are orderd)
  • LCD panel – To display the data from the CO2 sensor. There are several variants, also with Grove connectors. From 6 EUR. from Mouser.
  • A power source – Likely you already have one – a USB charger. Just make sure you  have  a Micro-USB cable. Powerbanks are an alternative, especially if you want to carry the device around. 
  • Grove connector cable – 2.5 EUR by Mouser.
  • I2C Hub – a hub connecting several Grove connector cables. Grove connector cable – 2.5 EUR by Mouser.
  • A case – There are many ideas around. From Ikea picture frames, to Bird houses.
  • A Data ready USB cable – You probably have one at home, but may have to try several USB cables before you find one that can transmit data as well as power. Please note, quite often the USB cables one gets with various bits of electronics can only carry power. So it makes sense to try different USB cables if USB cable one doesn’t work.

Programming

To program Arduino code with visual programming (Ardu)blocks, we need to modify the Ardunio IDE code editor a bit. (For those that prefer text-code, you’ll find the produced Ardublocks code, in text form, at the end of this tutorial).

The easiest way to get going is to use a Windows PC and install the software following the instructions (including download links ) from the Umwelcampus Birkenfeld website. Instructions for MacOS and Raspberry PI can also be found, via the website’s overview page. I’ve also made some tutorials for Mac OS here on my blog. There is a (German language) Tutorial for Raspberry Pi, too.

Windows: download the zip file with the ‘blocky’ Arduino IDE and then install the relevant hardware driver software. Install the Arduino into a very short File tree, et. C:/iotw. You may also have to take care if you have another Arduino Version already installed. Pay attention which do you start. Start by double clicking on the „IOTWerkstatt.bat“ file.

Raspberry Pi: Setup RaspberryPi Os (Raspbibian) for your Pi and then download the modified Arduino IDE from here.

Mac OS: this is a bit more complicated compared to Windows, but accomplishable using these instructions (in German, again), or the ones below. Here too, you need to install the relevant hardware driver software, and download the special Arduino IDE. This is done as follows:

  1. Download the Driver.
  2. Download and install the Arduino IDE.
  3. Following the installation of the Arduino IDE, right-click on the Arduino IDE icon, and select “Show package content” from the menu. This shows the files that make up the Arduino IDE.
  4. Open the “Contents” folder of the just-opened Aruduino package.
  1. Open the downloaded IoTW.zip file.
  2. Drag the “Portable” folder (of the expanded IoTW.zip file ) into the “Java” folder of the expanded Arduino IDE files.
  1. Now open the Arduino IDE.
  2. Open the “Tools” menu and go to Port submenu, and select “Dev/cu.SLAB_USBtoUART” option, to select the right port.
  3. Open the “Tools” menu, as before, and now open the “Board” submenu, and select the “Generic ESP8266 Module”, as our board.

Cabling

The ESP9266 is cheap and can be used as the microcontroller for the CO2 Traffic lights.

Connect yellow on the D1, white on the D2, black on the GND, and red on the 3V. The cables connect with the Node MCU as shown in the table below. Now we need to solder them into place.

Node MCU pinI2C / Grove Cable
3.3 Vred
GNDblack
D1yellow / SCL
D2white / SDA

Here and now is a good time to solder the (Grove) cables to the Node MCU.
Then we can do fun things like connect a Grove LCD and a SCD30 CO2 sensor to the Node NCU, via a I2C hub. As the grove Cables have preset colours, this should be simple.

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Send data from the Octopus using Thingsspeak

Now it’s time to have a look at sending the data the Octopus microcontroller has measured, through its own sensors or attached ones, over the net.
For this tutorial, we’ll use the Octopus microcontroller’s on-board Bosch BME680 sensor.

Note for Mac and Pi users: Unfortunately, there’s an incompatibility with the Mac OS compiler and the Bosch BME680 BEC driver. Things fail in the compilation stage. A workaround is to read a single BME680 value at a time, or use a different BME680 driver, without BSEC. Sometimes it works, just try or use a windows system

The BME680 BSEC is a great sensor, which can measure:

  • Air pressure
  • Relative humidity ( rH )
  • Temperature
  • VOC – Volatile Organic Compounds.
  • IAQ – Air Quality Index (AQI). AQI values between 0-100 means the air is relatively ok. AQI values between 100 and 200 means it’s a good idea to ventilate regularly. Values above 200 indicate one needs to ventilate urgently.

The AQI value is calculated based on several factors. Thankfully we don’t need to worry about performing the calculations oursleves. The BME680 BSEC library does the complex calculations, and simply delivers us an AQI number. Simply select things relevan in the BSEC Block (the red arrow) and get the AQI value.


Thingsspeak Block with Bosch BME680 SEC in ArduBlocks


Sending measured data with Thingsspeak

Data can be sent from the Octopus, using the free Thingsspeak open source project and service. One can use the Thingsspeak website for free, for personal or educational purposes. Alternatively, one could also install the Thingsspeak software on a Raspberry PI, and use it as a Thingsspeak data receiving server. Using a Raspberry PI with Thingsspeak provides a low cost and low power solution.

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Besser lüften mit CO2 Ampel

Nach der Anleitung von Guido Burger im Make Magazin habe ich mir eine CO2 Ampel gebaut. Meine Octopus Platine zeigt nun nicht nur eine Warnung an (gelb ab 700, rot ab 1000) sondern überträgt die Daten nicht nun auch noch per Thingsspeak (Anleitung im Link).

Damit habe ich nun daheim und im Büro ein wenig die Luft ausgewertet und auch schöne Dashboards gebaut.

Was man an meiner kleinen Wohnung gut sieht: Nachts steigt der CO2 Wert auf über 2000 ppm – im Winter wenn es kalt ist, mache ich beim Schlafen die Fenster zu – sobald morgens gelüftet wird ,sinkt aber der Wert wieder deutlich.

Diesen Wert Messe ich in der Nähe der Wohnungstür, denn da war noch eine Steckdose frei. Auch das Öffnen der Wohnungstür, senkt den Wert deutlich. Querlüften ist übrigens effizienter, wenn ich entweder die Wohnungstür offen lasse oder aber auch den Lüfter im Bad angeschaltet.

Gleichzeitig messe ich auch noch Werte aus dem BME680 Sensor von Bosch: Den Indoor Air Quality Index (IAQ), das CO2 Äquivalent (rechnet der aus dem IAQ raus) und auch noch die Volatilen Organischen Komponenten. Optisch verlaufen die im gleichen Trend, sogar mit dem CO2 aus der Ampel.

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Ocotopus mit dem Internet verbinden und Daten empfangen: Der Energiemarktmonitor

Und wieder ein Artikel zur Ocotopus Platine von  Guido Burger und den Umweltcampus Birkenfeld. Während wir in anderen Artikeln bereits geschaut haben, wie wir CO2 messen, will ich nun die Meßwerte nicht nur lokal anzeigen sondern vielleicht sogar in die „Cloud“ übermitteln.

Leider ist die Verbindung von Ocotopus und Mac keine sehr glückliche, seit letztem Mittwoch geht es trotz Neuinstallation von Treiber und der speziellen Arduino IDE einfach nicht. Dass die Kombination von Mac und Ocotopus eine ist, die die Macher eine offene Baustelle ist, haben sie mir bereits in einer E-Mail bestätigt. Aber gut, sie machen dieses Projekt in ihrer Freizeit und auch scheinbar ohne Fördermittel!

Allerdings habe ich vorerst kapituliert und nutze nun einfach die Version für Windows, die es bereits als fertige Zip File zum Download auf der Website des Umweltcampus gibt.

der Ocotopus kann sich ins WLAN einwählen

Aber nun zu den Internet Blöcken. Es finden sich links in der ArduBlock Übersicht ein blauer Block mit dem Namen „IoT: Internet Zugang“, da finden wir einen „WLAN“. In den können wir den Namen unseres Netzwerks und das Passwort eintragen. Es empfiehlt sich diesen Block bei „Setup“ einzutragen, daher dass der Ocotopus das WLAN aufmacht, sobald er sich einschaltet und verbindet, das dauert ein paar Sekunden. Deshalb habe ich mir ein Neopixel als Kontrolle programmiert.

Standardmäßig sucht es ein Netzwerk mit „hackathon“ und ein PW: IoTWerkstatt. Wenn wir einen Hackathon machen, dann können wir tatsächlich ein solches WLAN aufmachen, dann muss keiner die Einwahldaten ändern. Sonst tragen wir hier einfach unsere Daten ein.

Ganz praktisch ist auch der AcessPoint Block. Mit dem kann man den Ocotopus dazu bringen ein eigenes WLAN Netz aufzumachen und mit dem HTTP Server Block kann man direkt darauf zugreifen. Einfach in das WLAN gehen, etwa mit dem Smartphone und im Browser die Adresse http://192.168.4.1 eingeben. Dann kommt auf eine kleine Website auf der Daten angezeigt werden. Was leider nicht geht, ist das man über diese runde Kopplung mit einem der Verbinden Blöcke andere Sensoren dran hängt.

so sieht dann die Website aus

Wir bauen eine Green Energy Anzeige

Nun können wir uns damit eine ganz einfache Anzeige bauen, mit der wir sehen wieviel grünen Strom es gerade im deutschen Stromnetz gibt. Die Daten stammen von der SMARD, der Informationsplattform der Bundesnetzagentur über den deutschen Strommarkt (Strommarktdaten). Netterweise haben uns die Macher vom Umweltcampus bereits ein eigenes Blöckchen gemacht, so dass der Bau einer kleinen Anzeige einfach ist. Zur Sicherheit habe ich zu Beginn noch den Neopixel eingeschaltet und jeweils Farbewechsel nach durchlaufen einer Schleife programmiert. Es scheint, als ob das Gerät, dann doch einige Zeit brauchen würde um sich den richtigen Wert zu holen.

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CO2 Ampeln basteln ?

so sieht das CO2 Meßgerät aus

Die Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung empfiehlt in Schulen CO2-Ampeln bzw. -Messgeräte:
„Tipp: CO2-Ampeln oder Messgeräte zur Bestimmung der CO2-Konzentration in der Luft in Klassenräumen einsetzen; die max. CO2- Konzentration darf 1.000 ppm nicht über- schreiten; in der Zeit der Epidemie ist ein Zielwert von 700 ppm anzustreben.“

Auch das Bundesumweltamt empfiehlt dies und weißt darauf hin:
„Das Risiko einer Übertragung von SARS-CoV-2 in Innenräumen lässt sich durch geeignete Lüftungsmaßnahmen reduzieren (…) In Räumen mit hoher Personenbelegung, wie z. B. Schulen, können sogenannte CO2-Ampeln als grober Anhaltspunkt für gute oder schlechte Lüftung dienen. Kohlendioxid (CO2) gilt seit langem als guter Indikator für den Luftwechsel, eine CO2-Konzentration von höchstens 1000 ppm (0,1 Vol-%) zeigt unter normalen Bedingungen einen hygienisch ausreichenden Luftwechsel an. CO2-Ampeln können somit einen raschen und einfachen Hinweis liefern, ob und wann Lüftung notwendig ist. (…) Umgekehrt weisen aber CO2- Konzentrationen deutlich oder dauerhaft größer als 1000 ppm in Schulen, aber auch in Büros und Privathaushalten, auf ein unzureichendes Lüftungsmanagement mit potenziell erhöhtem Infektionsrisiko hin.“

Vor diesem Hintergrund bietet Sebastian Müller am 24.9.2020 von 17:00 – 19:00 im Innenhof des Chaos Computer Club einen Workshop zum Basteln von CO2 Ampeln an.

Der Sensor

„Wir verwenden einen CO2 Sensor des Schweizer Herstellers Sensirion und die Ocotopus Platine von Guido Burger. Diese Platine kann mit einer grafischen Oberfläche programmiert werden, so dass auch Menschen ohne Kenntnisse von Programmiersprachen ein eigenes Program, zugeschnitten auf ihre Bedürfnisse entwickeln können“, erklärt Sebastian Müller.

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