RaspberryPi CO2Sensor

　様々なガスは、それぞれ特有の赤外線吸収波長を持っています。その特性を利用したガス計測の方法にNDIR方式（Non Dispersive InfraRed)があります。赤外光源より照射された赤外線は広域の波長を含んでいますが、ガスによる吸収で、そのガス特有の波長の赤外線は、ガス濃度に応じた割合で減衰します。このガスの吸収波長と吸収の影響を受けない参照波長でのセンサーからの信号を比較することにより、ppmレベルでの高精度な分析・検知ができるといいます。
　NDIR方式のCO2センサーは様々なものが市販されていますが、安価な中国製のMH-Z19をトライしてみましたが、値の信頼性がいまいちでした。あらたに農業分野でよく使われている、スウェーデン製のK30 CO2 Sensorを入手しリニューアルしました。

　計測してみると、一日の変化が大きく、日中に低下し、夜間に増加するのがみられます。木々の炭酸同化作用によるものと思われます。
　（2019/08/01公開）　

以前のMH-Z19版はこちら

K30 CO2 センサー

　K30 CO2 センサーは、スウェーデンのSenseair ABという会社の製品で、国内代理店があり、amazon.co.jpやmonotaro.comのサイトから、1万5000円くらいで入手できます。

型番：CO2 Engine K30
販売サイト：amazon.co.jp 　monotaro.com
メーカ：　Senseair AB 　
ホームページ（日本語）
製品仕様書（日本語）
Modbus on CO2 Engine　Document TDE2336

項目	CO2 Engine K30
CO2測定	非分散型赤外線吸収法（NDIR方式）
測定範囲	0～5000ppm
応答時間（T1/e）	２０秒、拡散時間
測定サイクル	2秒ごと
ウォームアップ時間	＜1分
出力インターフェース	2アナログ出力、2デジタル出力、UART（Ｍｏｄｂｕｓプロトコル）、I2C
精度	±30 ppm（5000ppm以下の場合）
動作範囲	０～＋５０℃　湿度０～９５％、結露なきこと
センサーの平均寿命	15年以上
メンテナンス間隔	センスエアＡＢＣアルゴリズム（Automatic Baseline Calibration）を使用することでメンテナンスフリー
自己診断	起動時の完全機能チェック
寸法	51×57×14 mm（長さ×幅×おおよその高さ）
電源入力	5.5～14 VDC（逆接に対して非保護）
消費電流	平均40mA 　IRランプ点灯時150mA 　初期IRランプ点灯時300mA

K30 CO2 センサー
接続図

赤丸のUARTを使う

RaspberryPiとの接続

K30 CO2 センサーは、アナログ、デジタル出力のほか、UART、I2Cインターフェースをもっています。拡張性のためにI2Cをトライしてみましたが、うまくいかず、MH-Z19の場合と同じく、UARTでRaspberryPiのGPIOにつなぎます。
また、電源は、RaspberryPiの５VをK30 CO2 センサーにつなぐ例が多いですが、規格表にあるとおり、かなりの間欠的な大きな電流がながれ、動作が不安定になりましたので、独立の１２Vから供給することとしました。手元に古い小型パソコンから取り出した電源があり、５Vと１２Vが出力でしたので、それを用いることとしました。（９Vを推奨しています。）下の図のように結線します。

	秋月電子のRaspberryPi用ユニバーサル基板にK30 CO2 センサーをのせ、ピンヘッダで接続このほかに固定はネジ１か所黒いピンは電源とFANの端子これをRaspberryPiのGPIOコネクタに差し込む
	上の写真の裏側の結線
	ケースはタカチのTW13-5-13を加工空気が左の穴から入り、蓋につけたFANで排気する花粉症用のマスクを適当にカットしフィルターとしている。
	上側が、K30 CO2 センサーをしょったRaspberryPi（旧型のモデルB）時々CO2 センサーの内部でLEDが発光するのが見える下側の基板が古いパソコン再利用の電源回路
	蓋に12V 50mm角ＤＣファン（5Vで駆動）をつけ、冷却をかね空気の流れをつくる屋外の雨が直接かからないところに設置ケーブルは、LANとAC100V

UARTの準備

RaspberryPiでシリアル通信UARTを使う準備をします。

OSは最新の　Raspbian Busterの場合

ステップ１　 /boot/cmdline.txtを次のように編集
$ sudo nano /boot/cmdline.txt

dwc_otg.lpm_enable=0 console=tty1 root=PARTUUID=399cd9a8-02 rootfstype=ext4 elevator=deadline fsck.repair=yes rootwait

のように編集。すなわちconsole=serial0,115200という部分を外します。

ステップ２　　config.txtを次のように編集
$ sudo nano /boot/config.txt
config.txtの最後に
enable_uart=1
を追加

ステップ３　リブートして/devディレクトリのなかに、ttyAMA0 があるのを確認します。このデバイス名は、後ほどプログラムに必要です。

ステップ４　つぎにPythonからUARTを使えるようにするために、シリアルポート操作ライブラリpython-serialをインストール
$ sudo apt-get install python-serial

Raspberry PiのCO2センサソフトの作成

Raspberry Piで動かす、CO2センサーのよみとりプログラムをＰｙｔｈｏｎで作ります。

K30 CO2 センサーは電源が入っているといつでも計測しており、レジスタに入っている最新の計測値を外部から読みに行きます。

K30 CO2 センサーには、センスエアABCアルゴリズムという自己校正機能があります。これは予め設定された時間インターバル（デフォルトは180時間）中のCO2センサの最小測定値を常に内部記録し、長期ドリフトを緩やかに補正する機能です。屋内アプリケーションを想定しており、デフォルトではこの機能はオンになっています。当方のように長期間同じ条件で計測したい場合は、オフとすべきと考えます。
サンプルプログラムががこちらにありますが、センスエアABCアルゴリズムを無効にすることを含め、 Modbusプロトコル仕様　Document TDE2336 にしたがって、あらたに作りました。

CO2sensor.py　をコメント番号にしたがって説明します。

(1)　 UARTを読めるようにserialをinclude

(2) 　/dev/ttyAMA0 にUARTの設定
Baud rate = 9600
timeout=0.5

(3)　　ABCアルゴリズムを無効にする

Document TDE2336 によると、ABCアルゴリズムの周期をゼロにすることにより無効にできます。そのためセンサーに次の８バイトを送ります。

<>はhexadecimal

<FE> <06> <00> <1F> <00> <00> <AC> <03>

ここで<FE> :Any address　<06> :Write Single Register　<00> <1F> :レジスタ・アドレス<00> <1F>にゼロ<00> <00>を書き込む　<AC> <03>:CRCコード

(4)　データの読み取りコマンド

データの読み取りの前にセンサーに次のコマンドを送ります。

<FE> <04> <00> <03> <00> <01> <D5> <C5>

ここで<FE> :Any address 　<04>: Read input registers 　<00> <03>:レジスタ・アドレス　　<00> <01>:Quantity of registers　<D5> <C5>:CRCコード

(5)　8バイトのreturn valueを読んでresultに代入
3バイト目と4バイト目にCO2濃度(ppm)が入る。CRCコードはドントケア

(6)　出力データは時刻、濃度

(7)　ファイル出力
CO2data.txtというCSV形式のファイルができる。たとえば
2019/07/23 14:51:19,437

(8)　1分に一度よみとる

　CO2センサーのよみとりプログラム 　CO2sensor.py

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-


# 2019/08/04　(C)Dr.H.Ishikawa

import serial  #(1)
import time
import datetime
   
s = None
def setup():
	global s
	s = serial.Serial('/dev/ttyAMA0',baudrate=9600,timeout=0.5) #(2)
	s.flushInput()	
	try:
		s.write("\xFE\x06\x00\x1F\x00\x00\xAC\x03") # (3) Disabele ABC function 
		time.sleep(0.5)
		result = s.read(8)
		ABC_PERIOD = ord(result[4])*256 + ord(result[5])
		print ("ABC_PERIOD = " + str(ABC_PERIOD) )
	except Exception as e:
		 print(e)
def readdata():
	try:
		s.flushInput()
		now = datetime.datetime.now().strftime("%Y/%m/%d %H:%M:%S")
		s.write("\xFE\x04\x00\x03\x00\x01\xD5\xC5") #(4) Document TDE2336 
		time.sleep(0.5)
		result = s.read(8) #(5)
		data = now + "," + str(ord(result[3])*256 + ord(result[4])) + "\n" #(6)
		filename = 'CO2data/' + datetime.datetime.now().strftime("%Y%m") + 'CO2data.txt'
		file_data = open(filename , "a" )
		file_data.write(data) #(7)
		print (data)
		file_data.close()	
	except Exception as e:
		 print(e)
   
if __name__ == '__main__':
	setup()
	while True:
		readdata()
		time.sleep(59.5) #(8)

起動は
$ sudo python ./CO2sensor.py とします。
ファイル　201908CO2data.txtを、親機のパソコンからよんで、適宜グラフ化します。

10分ごとに移動平均した結果をこちらに示します。
長期間のドリフト性能については、これから評価します。