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CO2センサユニット

コンセプト

低価格かつ再現性・保守性に優れたCO2センサユニット(環境センサ)を開発した。

現在は、USB経由で小型コンピュータ(Armadilloのような組込みLinux搭載機など) やPCに接続する形態を取っており、LANに直接するにはArduinoのEthernetシールドを 組み合わせればよい(Ethernetシールドを基板の間に挟み込む)。


企画時のコンセプトをまとめると次のようになる。

  1. 製造、出荷時の調整の手間や、ばらつきを減らすために、センサ(部品)とのインタフェースはできるだけデジタルにする。
  2. センサ(部品)の精度はそこそこのものを使用し、長期安定性としては5年くらいは無調整で保つようにする。
  3. 測定可能な気象情報は、CO2濃度、気圧、温度、湿度とする。
  4. 入力インタフェースとしては、プッシュボタンが1個以上とする。
  5. 出力インタフェースととしては、USB(シリアルポート)、フルカラーLED 1個、LCD表示器(オプション)とする。
  6. ホスト(PCなど)とのインタフェースはUSBでシリアルポートデバイスとして認識されるようにする。
  7. 電源はUSBからのDC 5V, 500mAで動くことが理想的。
  8. コントローラ(マイコン)は、開発環境ができれば無償で入手でき、教育目的にも使いやすいようにC言語などで簡単に開発できるものを使う。
  9. 量産時の価格は5万円以下。数に依るができるだけ3万円以下にはしたい。
  10. .将来は、ネットワーク(LAN)に直接接続できるような拡張性を考えておく。

CO2センサユニット

外観

実際のCO2センサユニット(ver.1)はこのようになっている。

P1150941.JPG


上面のCO2センサを取り外すと、その下にもセンサやEEPROM, RTCなどが並んでいる。
EEPROMは、512kビットのフラッシュメモリで、計測データなどを記録できる。 また、RTC(リアルタイムクロック)チップは、TCXO(温度補償型水晶発振器)を 内蔵しているので、かなり精度がよい。

P1150948.JPG


フルカラーLEDとプッシュスイッチのある側から見た写真。LCDを直接付けると、 逆向きになってしまうが、LCDは元々デバッグ&開発用なのでよしとする。

P1150935.JPG


裏側には、Arduino Duemilanove が実装されている。

つまり、今回開発したCO2センサの基板は、Arduioのシールドなのだ。

P1150954.JPG

実装イメージ

jissou-image.png

主要部品

センサなどの主要な部品について、一覧をまとめておく。

全てデジタルのインタフェースを持つものとなっており、精度および再現性や量産性 に優れている。

しかし、電子部品としてはかなり高価(CO2センサが2万円弱、温湿度センサが3000円強など) なものを使っている。


品名メーカ型番
CO2センサSenseAirK30
気圧センサBOSCHBMP-085
湿温度センサsensirionSHT15
フルカラーLEDoptosupplyOSTA71A1D-A
EEPROMマイクロチップ24LC512
RTCマキシムDS3231S
プッシュスイッチ(緑)アルプスSKHMQLE010
制御マイコンArduino Duemilanove 328
LCD表示器(option)SUNLIKESC2004CSLB

USBへの出力

PCからは、いわゆるRS232Cのシリアルポートとして認識される(Arduino上のFT232チップ)。

約5秒間隔でデータを測定し、以下のようなフォーマットでシリアルポートに出力する。

今回のプロジェクトでは、これをUSB経由でArmadillo-220が受け取り、 そのLinux上で動くプログラムが電文を解釈し、CO2センサからの値として Live E!サーバにインターネット経由で通知するようになっている。

# Starting CO2 Hiroshima Sensor v1 R0.8 09/12/15
T:2010/01/09-23:04:32
SHT_001:Temp:27.71
SHT_001:Humi:30.22
K30_001:CO2:1842
T:2010/01/09-23:04:38
SHT_001:Temp:27.70
SHT_001:Humi:30.33
K30_001:CO2:1845
T:2010/01/09-23:04:43
SHT_001:Temp:27.70
SHT_001:Humi:30.33
K30_001:CO2:1844
(空行)
…
…

資料

回路図や基板の大きさなどの資料をまとめておく。

基板外寸図

上記の写真は、第1バーションのものであり、次の版(v1.1)では、ユニバーサル基板部を LCD側に少し設けることで、追加のセンサを増設したり、独自の出力回路を付けたり ということが簡単にできるようになっている。教育目的にも使いやすくなると思われる。

universal-pcb.png

回路図

co2v1-schematic.png

入手方法について

ハードウェアを開発してもらった広島市の業者から直接購入できるように考えている。

CO2センサ本体とLCD表示器を除き、Arduinoを入れて3.5万円程度、CO2センサ本体が2万円弱、 LCD表示器が(5千円弱)くらいになります(30台程度作成するとして)。 WIDEのlive-e WGで時々募集しています。 また、メイン基板(部品の載っていない基板)だけであれば、私の手元に余分が少しあります。


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