チープなCO2センサー

日誌, 開発

Aliexpress で安い CO2センサーモジュールがあったので、買って試してみた。メーカー製のアプリケーションで動作確認すると共に、M5Stack Atom Matrix と Atom Hub DIY Proto Board Kit と組み合わせて動作させてみた。

Aliexpress内で「Infrared carbon dioxide sensor Indoor Air 」のキーワードで検索できた(現在は売り切れのようで検索結果に出てこない)。センサーが１個400円ほど、送料が300円台であった。

販売ページにはセンサーの型番などは表示されておらず、技術的情報は提供できないと書いてある。ただ、Aliexpress のコメント欄から CM1106 であるようだ。検索すると Cubic Sensor and Instrument Co.,Ltd. の Single Beam NDIR CO2 Sensor CM1106-C を見つけることができた。このページから仕様書やアプリケーションがダウンロードできる。

Aliexpress の商品ページでは、Ver.1.0 と Ver.3.3 があり、いずれかが送られるとのことだったが、商品ページの写真と実際のセンサーの形状から判断すると手元に届いたものはすべて ハード的にはVer.3.3 であった。

正式な製品はI2Cインタフェースが使えるようであるが、届いたものではI2Cインタフェースで動作させる方法はわからなかった。I2Cでは動作しない古いファームウェアと考えるのが良さそうである。

メーカー提供アプリケーション

UART(シリアル)-USB変換ボードを介してセンサーモジュールとパソコンをつないで、センサーの測定値を取得したり、パラメータを変更できるWindows用アプリケーションが　https://en.gassensor.com.cn/CO2Sensor/info_itemid_86.html の Testing Software のところからダウンロードできる。

CO2 sensor test software.rar　がダウンロードできた。7-zip で解凍しようとするとエラーになったが、オンラインサービスで解凍したところ、Co2 Batch test software version 1 V1.2.6.rar　と The CO2 sensor testing software V1.1.8.rar の２つのアプリケーションが含まれていた。

 

単体テストのアプリケーションプログラムは、The CO2 sensor testing software V1.1.8.rar のようであり、解凍すると以下のファイルが含まれていた。

この中の The CO2 sensor testing software.exe をWindows10で実行した。

UART-USB変換モジュールを介して、仕様に書いてある通り次のように接続した。

  • センサーの4ピン並んでいるCON4側のPin1 (V2) に 5V、Pin2 (G) に GND
  • ５ピン並んでいるCON5側のPin2 (R) に UARTのTX、Pin3 (T) に UARTのRX、Pin4 (R/T)に GND

測定値表示

アプリケーションの使い方は、 https://en.gassensor.com.cn/CO2Sensor/info_itemid_86.html の Client Test Method のところからダウンロードできるファイルに書いてある。

センサーを接続した直後は次のようになった。測定値は5000ppmになっていた。

また、センサーのソフトウェアバージョンは、CM V1.1.01 であった。

しばらく経過すると1000ppm台になったが、手元のセンサーから判断すると400ppm～600ppmと思われるので大きすぎる。Auto-calibrationで自動的に校正されるようであるが、アプリケーションで設定することもできる。

パラメータ変更

Set value に値を設定して「Zeroing」をクリックすると設定できる。

 

ハードウェアの組み立て

M5Stack Atom Matrix と Atom Hub DIY Proto Board Kit と組み合わせて動作させてみた。

Atomの 21番pin、25番pin をそれぞれ Serial1の RX、TXとした。

CM1106の CON5側の R (Pin2) に 25番pin、T (Pin3) に21番pinを接続することになる。

以下の写真のラベルの21:Tや25:Rは ESP32側:CM1106側という対応 を意味している。

プログラム

PlatformIO IDE for VSCode で開発した。

Atom Matrix の LED に5×5のフォントを使用して、 ppm単位のCO2濃度の数値を１桁ずつ順番に表示するようにする。

ISO485_CM1106.ino

Serial の扱いは、 https://github.com/m5stack/M5-ProductExampleCodes/blob/master/Unit/ISO485/Arduino/ISO485/ISO485.ino を基にして作成した。

// This program is based on https://github.com/m5stack/M5-ProductExampleCodes/blob/master/Unit/ISO485/Arduino/ISO485/ISO485.ino
#include <M5Atom.h>
#include <Wire.h>

#define LED_BRIGHTNESS 50

#define MEASUREMENT_INTERVAL (5 * 1000)
#define DISPLAY_INTERVAL (500)
#define BLANK_INTERVAL (50)

extern const unsigned long Font[];

void showChar(char c)
{
    int d = Font;
    M5.dis.clear();
    delay(BLANK_INTERVAL);
    CRGB color = {LED_BRIGHTNESS, LED_BRIGHTNESS, LED_BRIGHTNESS};
    for (int x = 0; x < 5; x++)
    {
        for (int y = 0; y < 5; y++)
        {
            if (d & 1)
            {
                M5.dis.drawpix(x, 4 - y, color);
            }
            d >>= 1;
        }
    }
}

unsigned long lastMeasured;
unsigned long lastDisplayed;

char str[128];
int charPos = 0;

void setCO2String(int co2)
{
    sprintf(str, " %d", co2);
}

void showNext()
{
    char c = str[charPos];
    if (c == '\0')
    {
        charPos = 0;
        c = str[charPos];
    }
    if (c == '\0')
    {
        c = ' ';
    }
    else
    {
        charPos++;
    }

    showChar(c);
}

String received = "";

void setup()
{
    M5.begin(true, false /* disable I2C */, true);
    Serial.begin(115200);
    Serial1.begin(9600, SERIAL_8N1, 21, 25);
}

void loop()
{
    unsigned long now = millis();

    if (M5.Btn.wasPressed() || now > (lastMeasured + MEASUREMENT_INTERVAL))
    {
        lastMeasured = now;
        Serial.print("send: ");
        String sendMessage = "\x11\x01\x01\xed"; // read CO2
        Serial.println(sendMessage);
        Serial1.write(sendMessage.c_str());
    }
    if (Serial1.available())
    {
        char ch = Serial1.read();
        String hex = String(ch, HEX);

        if (ch == 0x16)
        {
            received = String(ch);
        }
        else
        {
            received += ch;
        }
        Serial.print(hex);
        Serial.print(" ");

        if (received.length() == 8)
        {
            int df1 = received.charAt(3);
            int df2 = received.charAt(4);
            int co2 = df1 * 256 + df2;
            Serial.printf("\nCO2: %d\n", co2);
            setCO2String(co2);
        }
    }
    if (now >= lastDisplayed + DISPLAY_INTERVAL)
    {
        lastDisplayed = now;
        showNext();
    }

    M5.update();
}

font5x5.c

フォントは、http://shinh.hatenablog.com/entry/20060814/1155567183　のものを使わせていただいた。以下のプログラムではフォントデータは省略してある(使うためには上記のURLからのcopy-and-pasteが必要である)。

const unsigned long Font[] = {
    // http://shinh.hatenablog.com/entry/20060814/1155567183 のフォントデータをそのまま copy-and-paste
};

platformio.ini

使用した platformio.ini は以下の通りであった。

; PlatformIO Project Configuration File
;
;   Build options: build flags, source filter
;   Upload options: custom upload port, speed and extra flags
;   Library options: dependencies, extra library storages
;   Advanced options: extra scripting
;
; Please visit documentation for the other options and examples
; https://docs.platformio.org/page/projectconf.html

[env:m5stick-c]
platform = espressif32
board = m5stick-c
framework = arduino

lib_deps =
  m5stack/M5Atom @ ^0.0.1
  fastled/FastLED @ ^3.3.3
  
; Serial Monitor options
monitor_speed = 115200

動作確認

自動校正が15日で行われるとのことで新しいセンサーで動作させてみた。15日間で最小の値がベースラインの400ppmとなるように校正する仕様のようだ。

2週間は自動で校正がされることはなく、CO2の増減はわかるが、人がいないところでも1000ppm越えが続いた。手元のNetatmo Weather Stationの二酸化炭素濃度測定値は400～600ppmくらいであった。このため、自動校正行われないのではないかと思っていた。しかし、15日目に500ppmくらいになった。仕様通り自動校正が行われたようであり、手元のNetatmoの二酸化炭素濃度測定値との差が100ppm以下になった。