M5StackとTVOC/eCO2 ガスセンサユニットで部屋の二酸化炭素濃度をはかり、高かったらBeep音をならして換気を促す

伊藤と申します。

会社員で、週４回ペースでリモートワークしております。
12月半ばになって急に寒くなり、窓を開けると寒いので、なかなか換気ができません。しかし二酸化炭素濃度が上がってくると眠くなるといいますし、空気が悪いと頭痛になったりしますので、CO2センサーで測ってアラートを上げる事にしました。

1.機材

• M5Stack

• TVOC/eCO2センサー

  • TVOC = 総揮発性有機化合物。常温常圧で大気中に容易に揮発する有機化学物質の総称。シックハウス症候群の原因とも。
  • eCO2 = 二酸化炭素相当量。「eCO2はH2濃度に基づいて計算されるので、研究所で使用されるレベルのCO2センサと完全に置き換えることはできません。」との説明。

• Arduino IDE 1.8.10 ※最新版の方がいいと思います。

• Mac Book Air 11' High Sierra

M1 Mac Book Proで試したのですが、USBSerialポートに M5Stackを検出できなかったので、古いMBAを引っ張り出して使いました。

2.手順

初期設定

自分が当初お世話になった神記事
→@hmmrjn さんのMacでM5stackをはじめる

TVOC/eCO2センサーの公式サンプルを試す

• M5StackとTVOC/eCO2センサーをHY2.0ケーブルで繋ぐ

• M5Stack付属の短いUSBケーブルでMacとM5Stackを繋ぐ

Arduino IDEで作業

• File > examples > M5Stack > Unit > TVOC_SGP30を開く

• tools を設定

  • board: M5Stack-Core-ESP32
  • Port: /dev/cu.***USBほにゃらら

何も編集せずに 心を静かに「Upload」を押すと、以下のようにTVOCとeCO2の値が表示されました。

やったー。まずはセンサーが動く事がわかって安心(^p^)

二酸化炭素濃度が閾値を超えたらBeep音を鳴らす

新しいスケッチを作ります。

• File > New

さっきのサンプルにBeep音を鳴らす処理を付け加えてみます。
eCO2の値、つまり二酸化炭素濃度が1000ppmを超えたら、M5Stackの内蔵スピーカーを使って、コツン、コツン、というbeep音を鳴らすように、コードを書き加えました。

#include <M5Stack.h>
#include "Adafruit_SGP30.h"


//for beep
#define GPIO_PIN 25
uint32_t beep_last_time = 0;
uint8_t beep_volume = 50; //min 1, max 255
uint32_t beep_total_time = 0;
uint16_t eco2_threshhold = 1000;

Adafruit_SGP30 sgp;
int i = 15;
long last_millis = 0;
void header(const char *string, uint16_t color)
{
    M5.Lcd.fillScreen(color);
    M5.Lcd.setTextSize(1);
    M5.Lcd.setTextColor(TFT_WHITE, TFT_BLACK);
    M5.Lcd.fillRect(0, 0, 320, 30, TFT_BLACK);
    M5.Lcd.setTextDatum(TC_DATUM);
    M5.Lcd.drawString(string, 160, 3, 4); 
}

void setup() {
  M5.begin(true, false, true, true);
  header("SGP30 TEST",TFT_BLACK);
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("SGP30 test");
  if (! sgp.begin()){
    Serial.println("Sensor not found :(");
    while (1);
  }

  beep_total_time = millis();

  M5.Lcd.drawString("TVOC:", 50, 40, 4);
  M5.Lcd.drawString("eCO2:", 50, 80, 4);
  Serial.print("Found SGP30 serial #");
  Serial.print(sgp.serialnumber[0], HEX);
  Serial.print(sgp.serialnumber[1], HEX);
  Serial.println(sgp.serialnumber[2], HEX);
  M5.Lcd.drawString("Initialization...", 140, 120, 4);
}

void loop() {
  while(i > 0) {    
    if(millis()- last_millis > 1000) {
      last_millis = millis();
      i--;
      M5.Lcd.fillRect(198, 120, 40, 20, TFT_BLACK);
      M5.Lcd.drawNumber(i, 20, 120, 4);
    }
  }
  M5.Lcd.fillRect(0, 120, 300, 30, TFT_BLACK);

  if (! sgp.IAQmeasure()) {
    Serial.println("Measurement failed");
    return;
  }
  M5.Lcd.fillRect(100, 40, 220, 90, TFT_BLACK);
  M5.Lcd.drawNumber(sgp.TVOC, 120, 40 , 4);
  M5.Lcd.drawString("ppb", 200, 40, 4);
  M5.Lcd.drawNumber(sgp.eCO2, 120, 80, 4);
  M5.Lcd.drawString("ppm", 200, 80, 4);
  Serial.print("TVOC "); Serial.print(sgp.TVOC); Serial.print(" ppb\t");
  Serial.print("eCO2 "); Serial.print(sgp.eCO2); Serial.println(" ppm");

 if (sgp.eCO2 > eco2_threshhold){
  M5.Lcd.drawString("over1000", 200, 100, 4);
  Serial.print("over500");   
  dacWrite(GPIO_PIN, 0);
  delay(1); //約500Hz
  dacWrite(GPIO_PIN, beep_volume); 
  delay(1); //約500Hz
 } 

  delay(1000);
}

※ M5Stackの内蔵スピーカーでBeepを鳴らすやり方は、
mgo_tecさんの「M5Stack の内蔵スピーカーから Beep 音（電子音）を出す実験」を参考にさせていただきました！
https://www.mgo-tec.com/blog-entry-beep-sound-speaker-m5stack.html

Verifyをクリックし、保存場所を聞かれたら適当に保存します。

また、先ほどのサンプルに入っていた、Adafruitの2つのファイル(以下のスクショの2個目と3個目のタブ)をコピーしてきます。

Arduinoのインストールディレクトリが「/Users/ユーザー名/Documents/Arduino/」の場合、コピー元とコピー先は以下となります。

• FROM : /Users/ユーザー名/Documents/Arduino/libraries/M5Stack/examples/Unit/TVOC_SGP30/
• TO : /Users/ユーザー名/Documents/Arduino/sketch_スケッチ名/

• スケッチをUpload後、TVOC/eCO2センサーユニットに向かって息をふきかけて二酸化炭素濃度を上げると、1000ppmを超えているい間は、1秒毎に、タン、タン、という控えめなBeep音が鳴ります。息は拡散して薄まるので、数秒後にはBeepはとまります。

https://www.youtube.com/watch?v=JmfcTXhLIT0

補足

二酸化炭素濃度の閾値について

1000ppmで良いのか？ですが、東京都地球温暖化防止活動推進センター（愛称：クール・ネット東京）という組織が書いてる説明によると、「外気はおおよそ400ppm、室内はおおよそ1,000ppmがCO2濃度の目安」だそうですので、参考にさせていただきました。

課題

部屋を締め切って1時間くらいたったらBeepが鳴ったのですが、その後さらに1時間たったら、eCO2は"400ppm"で止まってしまいました。
息をふきかけるとちゃんと1000ppm以上に上がってBeepが鳴るものの、その後またすぐ"400ppm"に戻ってしまいます。
精度は特に良くはないとの事なのですが、検出が止まるというのはちょっと意味が違うような。。
TVOC(総揮発性有機化合物)のほうは値が動いているので、eCO2の方だけの問題のようです。
　
(→12/26 追記)
「2020年忘年会！アドベントカレンダー振り返りラジオ - IoTLT オンライン vol5」にて、偉い方からアドバイスをいただきました！

• 表示される最低値が400ppmであり、実際はそれ以下の値でも400ppmが表示される仕様。
• 正常に動かすにはベースラインをとってキャリブレーションすることが必要 (サンプルコードがAdafruitのSGP30のサイトで公開されてるらしい） →おそらくここのp.12　https://cdn-learn.adafruit.com/downloads/pdf/adafruit-sgp30-gas-tvoc-eco2-mox-sensor.pdf 後でやってみます(^p^)

3. まとめ

野望リスト

• どこかにアップしてグラフ化するといいやも
• 家では限界があるため、会社のオフィスに勝手に設置して測ってみようかな
• Raspberry Pi用にMH-Z14Aも買ってみたので、M5Stack + TVOC/eCO2センサーと比較してみたい
• 当初Apple SiliconのMac Book Proを使って作業を始めたのだが、USBSerial port接続でM5Stackを認識せず。いずれ情報を仕入れて再チャレンジするぞい

感想

室内に人が多く換気が悪く澱んでいる状態だと、二酸化炭素濃度が高くなるなら、コロナ対策にも役立つやも。

以上でぃす! (^p^)