室内空気質(IAQ)センサー Renesas ZMOD4410 を試してみる

今年1月に、CO2センサーを探している中で、CO2相当(eCO2)の測定が可能なセンサーがいくつかあり、その中で室内の空気質の指標が取得可能な Renesas の 空気質(IAQ)センサー ZMOD4410 を搭載した エアクオリティセンサ基板(Crescent) を、スイッチサイエンスで購入。価格は 4,800円(税込)。

このキットにはセンサー基板(左側)に加えて、センサーからのデータを CO2等の値への変換を行うマイコン搭載の専用変換基板(右側)、2つの基板を接続する Grove互換のケーブルが含まれている。
製品の注意書きにもある通り、空気中の有機物から間接的に CO2 に換算するため、厳密な CO2 の測定には向かないとのこと。

センサー基板には Renesas の 空気質(IAQ)センサー ZMOD4410 と、温湿度センサー HS3001 が搭載されている。

ZMOD4410 は、室内環境の指標とされる総揮発性有機化合物(TVOC) を MOX(Metal Oxide)方式で測定、測定値から eCO2 や 空気質の指標をファームウェアで算出する。
昨年6月の ニュースリリース によると、ニューラルネットワークによる学習済みファームウェアの提供により、従来より精度の高い の測定が可能とのこと。また、硫黄系の臭気(トイレの悪臭など)とエタノール系の臭気(消臭剤の香りなど)の区別が可能になったとのこと。
エアクオリティセンサ基板の サポートサイト(GitHub) の概要には、このファームウェア(20/10/19リリース版)が使用されているとの記載あり。

早速、エアクオリティセンサ基板のサポートサイトのサンプルコードをベースに、今回一緒に購入した M5Stack CoreInk への表示処理と、データ蓄積のためのクラウドサービス ThingSpeak へのアップロード処理を追加して、測定値を確認してみた。

今回、CoreInk を扱うのは初めて、実際使ってみると見易く、EInk ディスプレイが手軽に扱えるのは嬉しい。更新頻度の少ないセンサーデータの表示や、ブザーを内蔵しているので、換気のタイミングなどを知らせたりするといったことも可能。
いつものように、レゴブロックで簡単なスタンドを作成、 エアクオリティセンサ基板は CoreInk の下に配置してみた。

CoreInk の表示は、取得可能なセンサーの値、温度、湿度、CO2、IAQ、TVOC、EtOH に加え、現在の時刻や WiFi接続状態なども表示しているので、文字は小さめ。

以下、左側のグラフが ThingSpeak にアップロードした CO2 の測定結果。
右側のグラフは同じ部屋にある空気質モニター Awair の NDIR方式の CO2センサーの結果。
測定環境としては、5.5畳の寝室で、0~7時までは閉め切った状態、7~17時はドアを開け部屋に誰もいない状態で確認。

  • 1時以降の就寝後、朝にかけて上昇、6時前に 1100ppm を超える
  • 7時過ぎには誰もいないこともあり 400ppm 近くまで大幅に下がる
  • Awair の結果と比較すると、大まかな傾向は同じような結果
    ただ、0時過ぎ辺りの比較では Awair が 1500ppm を超えているが、ZMOD4410 は 700ppm 以下と大きく異なることもある

次のグラフは空気質の指標 IAQ の値、2未満が非常に良く、5以上は非常に悪いとのこと。
6時ごろに 3.8まで上昇、10時以降は 3前半をキープ。

引き続き、他の CO2 センサーとの比較、また今回は違いが判らなかった TVOC と EtOH の値について、どういった環境で違いが出るのかなど気になるところもあるので、確認して行きたい。
また、今回 CoreInk ではあくまでも数値の確認がメインだったため、今後は空気質モニターとして見易く換気タイミングを知らせるなどの機能も追加して行きたい。

M5Stack PM2.5 大気質センサキット を試してみる

2月にスイッチサイエンスでの取り扱いが開始されて、すぐに購入。
製品詳細については、スイッチサイエンスの 製品ページ、M5Stack の 公式のページ を参照。

春になると花粉や黄砂が増え、室内の PM2.5 がどう変化するか、またほとんど気にせず標準のまま使用している24時間換気フィルターを PM2.5 対応にしたら効果があるのか気になったのが購入の大きな理由。

この大気質センサキットは、PM2.5 の測定を行う PLANTOWER の PMSA003 というユニットと、 温度・湿度センサー Sensirion SHT20 が一緒になった PM2.5ベースと、M5Stack Basic、表示が見易い角度で設置可能なスタンドがセット。
PM2.5ベース と M5Stack Basic を接続し、スタンドと M3ネジ 2本で組み立てて完成。
購入後そのまま電源を入れればセンサーの測定値が確認できるのはキットならではの良いところ。

USB Type-C で電源を供給すると、以下のように、画面上段に PM1.0/2.5/10 の測定値 μg/m3 と、下段に PM0.3/0.5/1.0/2.5/5.0/10 の粒子の数?、温度・湿度が表示される。
温度・湿度は内部の発熱のせいか、実際より温度が+5度、湿度が-10%くらいの値になってしまうのが少し残念。

購入後そのまま電源を入れた状態

以下は、背面の様子。黒い部分にあるファンにより銀色の金属部分の右側から空気を取り込み、取り込んだ空気に含まれる粒子をレーザー散乱法で検出するとのこと。

背面の様子、銀色の金属の部分が、PM2.5センサー PMSA003 のユニット
下のスタンド両側の脚の奥に見える M3ネジ で本体と固定されている

購入時のままだと、その場で確認するだけなので、元のプログラム をベースに、クラウドサービスでのデータ蓄積のためプログラムを作成。
今回対応したサービスは、ThingSpeakAmbient。ThingSpeak は以前から使っていたので、そのコードを流用。Ambient は今回初めて使うので、チュートリアル などを参考にしながら、以下のような感じで温度・湿度、PM1.0/2.5/10 を 5分おきに送信し保存できるように実装。

ThingSpeak のデータについては、スマホ(Android) の ThingShow というアプリのウィジェットで、ホーム画面で以下のような感じでいつでも確認できるように。
一番下の表示が今回の PM2.5 大気質センサキット の値、一番上は市販製品の空気品質モニター Awair のウィジェット表示、5つのセンサーの総合的な数値や、個別の数値を5段階の色で表示されるので直感的に分かり易い。
真ん中は別のセンサーで、こちらは別途レビューを書く予定です。

あと、住んでいる周辺の PM2.5 などがどう変化しているか、公開されている情報がないかを調べてみると、環境省大気汚染物質広域監視システム、愛称 そらまめ君 というサイトで公開されていることを知る。
気になって他にも公開されている情報がないか調べてみると、環境省黄砂飛来情報 (キャラクターは黄砂ライダー)や、花粉は 環境省花粉観測システム、愛称 はなこさん というサイトがあり、室内のデータとの比較などで色々と活用できそう。
さらにこれらのデータが WebAPI で扱えないかと調べたところ、MMソリューション という会社が開発・公開していて、無償利用可能とのこと。

今後は、蓄積データと環境省データとの比較、 PM2.5 対応フィルターの効果について確認進めて行く予定。

上モノフェス出展レポート

もう半年過ぎてしまいましたが、昨年2017年10月8日~9日に、長野県上田市で開催された「上モノフェス」への出展レポートをまとめてみました。イベント直後にまとめようと思いつつ、あっという間に半年が過ぎてしまいました、反省。

「上モノフェス」はものづくりを楽しむ人(メイカー)たちが集まり、地域や年代、企業の枠を超えて「ものづくり」での交流ができる展示やワークショップといった体験ができるイベント。

会場は、長野県上田市にある「サントミューゼ」と呼ばれる、劇場・ホール、美術館など、地域の人々が交流する場として整備された複合施設。近くには大型のショッピングセンターの「アリオ上田」があり、休日の交流芝生広場は多くの家族連れで賑わう場所です。

「上モノフェス」は 2016年2月に「上モノラボ」という名称で第1回目が開催され、今回が2回目の開催でした。出展者数は企業、個人合わせて30ほど。

MK Tech Lab として活動を開始してから、これまでこういったイベントには参加したことはなく、初めての試みでした。実際に作ったモノを多くの人に見てもらったり、他の出展者との交流など、色々と学ぶことができればと思い出展してみました。

出展内容として、メインは Arduino により温湿度センサーでファンを制御し結露を抑えるための装置(ケースはレゴブロックで作成)を、実際に自宅で使用した成果や、木工で作成した結露発生環境での動作デモ、その他レゴと電子工作で楽しめるガジェットを展示しました。

会場は大ホールの入り口付近の大ホールホワイエと呼ばれる場所で、壁に沿って出展者スペースが並ぶレイアウト。スペースは 約 2m四方 で、1.8m x 0.6m の机が提供されました。机の半分を結露対策ファンのデモ、残り半分のスペースにその他のガジェットを展示、机の奥に説明用のパネルを立て掛けました。

 

今回メインの出展物の結露対策ファンのデモの様子。木工で作成した結露発生環境ボックス内中央にに加湿器を置き、右側に結露対策ファンを、左はファンなしでファンの効果が比較できるようにしました。ボックス内のセンサーから取得した温湿度データは WiFi(スマホのテザリング)経由で IoT向けクラウドサービス ThingSpeak にアップロードし、ボックス左にある iPad のブラウザで確認できるようにしました。結露対策ファンの仕組みは こちら で紹介しています。

その他の出展物としては3点、ケースをレゴブロックで作り、Arduino と各種センサーを組合わせ、LCDや音声で知らせるガジェットを展示しました。ケースがレゴブロックのため、家族連れのお子さんに人気でした。

 

 

結露対策ファンについては、最初は展示内容が伝わらない様子でしたが、直接説明をすると、実際に結露に困っている方が多く、興味を持って見てもらえました。2日間で直接説明をさせてもらった方は約50人、結露に関するアンケートも快く回答頂き、色々と学ぶことが多く、楽しい2日間でした。

実際に出展してみると、いかに展示内容を分かりやすく伝えるか、当日のレイアウトを考慮した展示物の見せ方をどうするか、展示物を説明するパネルやアンケートの作成など大変なこともありましたが、それもまた楽しかったです。他の出展者の方も、国内や海外の Maker Faire に出展するなど、モノづくりへの想いが強い方が多く刺激になりました。今後も今回のようなイベントがあれば是非参加したいと思いました。

アンケートは Googleフォームで作成し、iPad のブラウザで回答してもらいました。複雑なアンケートも作成可能で、集計までしてくれて大変便利でした。回答結果から、今回は上田市周辺で主に一戸建ての方が多かったのですが、約75%で結露が発生し、その内約80%の方が困っているという結果でした。

結露対策~試作その3(データ編)

前回までは結露対策ファンを試作するまでの紹介でしたが、今回は実際に、昨年2016年11月~今年の3月まで、北側の2部屋に1台ずつ設置した結果についてまとめてみました。

結露対策ファン 2016年12月 北側の窓 比較結果

まずは、結露対策ファンの効果について。
両部屋のファンを設置した窓について、窓全面が結露した日は0日、厳しい冷え込みの日でも一部(主に金属サッシ部)に結露が発生する程度(前年までは、10日以上全面結露が発生していた)だったため、かなり効果があったのではないかと思います。

右の写真は、毎年結露がひどかった北側の洋室(9畳)の出窓に設置した様子(2016年12月)。約90cm幅の窓2枚の左側にファンを設置してみました。

結露対策ファン 仕組み

ファンはカーテンの下に設置し、温湿度センサーのデータから結露になりそうな状態になったら自動でファンを回し、室内の暖かい空気を取り込みつつ、窓周辺の冷気が停滞しないようにすることで結露を抑える仕組み。

 

 

温度、湿度、ファンなどのデータは、WiFiモジュール経由で、5分間隔でIoTクラウドサービスの ThingSpeak にアップロード。
グラフは、2016/12/1~2017/3/31のデータを ThingSpeak からダウンロードし、Excelでグラフ化したもの。
グラフ上側は全期間、下側は2017/2/5夕方から1日の稼働状況。
温度は赤色、湿度は青色、露点温度は黄色、ファンの出力平均電圧は緑色。
1日の稼働状況からは、2/5夕方から湿度が上がることで露点温度が上昇し、ファンが稼働していることが分かる。21時頃から翌日6時頃まではファンが稼働することで部屋の空気を窓とカーテンの間に取り込むことで温度が上がり、湿度が下がることでファンが停止、また湿度が上がるとファンの稼働を繰り返していることが分かる。

結露対策ファン稼働実績: 2016/12/01-2017/3/31

今回利用したクラウドサービスの ThingSpeak は、データの蓄積だけでなく、分析するためのツールなども充実しているので、今後活用できればと思います。

今回の試作での材料費は、約7,000円(※レゴブロック代除く、ファン:3,500円、回路部品他:3,500円)、電気代は推定月80円(0.006kWx16(時間/日)x30日x27(単価))でした。

結露対策~試作その2(レゴブロックケース編)

2016年10月末に、段ボールケースで作った結露対策ファンを約2週間稼働させ、温湿度が安定して計測できていることを確認。本格的な冬に備え、改良を加えることにしました。
まずは、実際にファンを動作させると発生する回転音や振動を抑えるため、レゴブロックでケースを作成(写真右側)。全体的に白で統一し、ファンをしっかり固定し振動を抑えるために、ファンとレゴブロックの間に「日本特殊塗料 防音一番オトナシート(300mm x 400mm x 厚さ1.5mm が5枚入り  2,149円)」という振動を抑えるシート1枚分をカットし貼り付けて固定。また、ファンを制御するブレッドボード用ケースも作成(写真左側)。

センサーボックス内部の様子。試作その1から基本的な構成は変わっていませんが、温湿度センサーを DHT11 からより精度の高い DHT22(450円) に変更しました。

 

 

 

ファンを上から見た様子。銀色に光っているのがクロスフローファンの羽の部分。
ファンは、カーテンと窓の間に設置します。空気の取り込み口は上面ですが、上面をレゴブロックで吹き出し口とは反対方向から取り込めるようにし、カーテンの室内側からの空気を取り込むようにしました。
音や振動については、段ボールの時に比べ抑えられましたが、寝室に設置するにはさらに音を抑える必要があります。

実際に窓際に設置した様子。ファンの下には先ほど紹介した防音用オトナシートを1枚敷いています。

次回は、2016年12月~2017年2月まで、実際にこのレゴブロックケースで作成した結露対策ファンの効果をまとめた内容を紹介する予定です。

結露対策~試作その1

2016年10月末に最初の試作機を作成。写真は、毎年結露で悩まされる北側寝室の出窓に設置した様子。
窓ガラスのパッキン部分の黒いものは、これまでの結露により発生したカビです。何とかこの原因となる結露を防ぎたい思ったのが、この結露対策装置を作り始めたきっかけになります。

ファンは、窓に対してある程度の幅で均一の風を得られるクロスフローファンを使用することにしました。インターネット上で色々と調べていたところ、Amazonで条件に合うものを見つけたので購入。
「uxcell クロスフローファン 冷却ファン クールターボ 散熱器 アンプクーラー DC 12V 0.27A 」、購入当時(2016/10/3)で3,458円。
ファン用のケースは、とりあえず段ボールで作成。 

ファン制御部は、Arduino ベースで、温湿度センサーから露点温度を計算し、一定の条件でモータードライバを制御する回路をブレッドボードベースで作成。
また、計測データをいつでもどこでも確認できるように、IoT向けクラウドデータサービス ThingSpeak にデータを送信するため WiFiモジュールも搭載。
使用したパーツは以下の通り。
※購入先はいずれも Amazon で、価格は2016年10月頃のため、現在は取り扱っていなかったり、価格が変わっている可能性があります

  • Arduino:HiLetgo Mini USB Nano V3.0 ATmega328P CH340G 5V 16M (320円)
  • 電源モジュール+ブレッドボード:MB102ブレッドボードと 電源モジュール(DC12V to 5V、3.3V)セット (600円)
  • 温湿度センサー:DHT11 (以前購入したセンサーセットに含まれていたもの、単体購入だと200円程度)
  • モータードライバ:TA7291P(TOSHIBA) (480円※2個セットで購入)
  • ロジックレベル変換モジュール:MM-TXS01(サンハヤト) (810円)
  • ESP-WROOM-02ピッチ変換済みモジュール《T型》(スイッチサイエンス) (909円)
  • ACアダプタ:12V 1.5A ACアダプター(Kaito Denshi) (1,850円)

結局、クロスフローファンと制御部、ACアダプタも含めると結構な金額になってしまいました・・・