CO2 Messung mit MH-Z19 und Arduino (Teil 1)

Soda, hier geht es also um die CO2 Messung mit dem Arduino und dem MH-Z19.

Warum CO2 Messen?

Gestellt hat sich die Frage, wie wir unser neues Haus geplant haben. Wir standen vor der Entscheidung, ob wir eine zusätzliche Lüftung einplanen sollen oder nicht. Bei der Recherche zu diesem Thema stieß ich auf die CO2 Thematik. CO2 kann recht gut als Maß verwendet werden, wie verbraucht die Raumluft ist. Das ist doch interessant, oder? Aber wie hoch sind die CO2 Werte eigentlich derzeit im alten Haus? (ohne Lüftung aber mit „undichten“ Fenstern) – keine Ahnung!  Also Messen.

Welchen Sensor nehmen?

Messprinzip bei diesen Sensoren ist NDIR (= „nondispersive infrared“). Dabei wird ausgenutzt, dass bestimmte IR-Wellenlängen (4.26 µm) von CO2 absorbiert werden. Für die Messung braucht man eine IR Quelle, einen Filter, der nur die relevanten Wellenlängen durchlässt, ein „Stück Luft“ mit CO2 drinnen, das mehr oder wenige absorbiert und einen Detektor, der die durchgelassene IR-Strahlung misst. Je mehr CO2 in der Luft ist, desto weniger misst der Detektor. Gut wäre auch noch ein Referenzdetektor, der die IR-Strahlung direkt misst (damit Schwankungen in der Quelle herausgerechnet werden können). Dann brauchen wir noch ein wenig Mathematik und haben ein CO2-Signal.

Das alles gibt es fix fertig als CO2-Detektor zu kaufen! Brauchen wir also nur einen Sensor kaufen, den mit dem Arduino auslesen und dann können wir die Daten verarbeiten wie wir wollen!

So einfach?

Na schauen wir mal.

Die Sensoren die es da gibt sind zum Teil nicht ganz billig. Da ich aber später gerne dauernd in mehreren Räumen messen möchte sollte die Lösung nicht allzu teuer sein. Nach einiger Recherche bin ich auf den MH-Z19 von Winsen gestoßen (Die Seite des Herstellers mit dem entsprechenden Datenblatt ist hier).

Die Daten des Sensor schauen bei erster Betrachtung recht brauchbar aus und die Kosten für den Sensor liegen im Internet bei ca. € 20. Nicht extrem billig, aber auch nicht arg teuer.

Bei genauerer Betrachtung fällt auf, dass die Informationen im Datenblatt ein wenig dürftig sind. Es wird also ein wenig „Reverse-Engineering“ gefragt sein, aber das ist ja auch genau die Richtige Aufgabe für den DIYDonkey!!! Eine wenig Reverse-Engineering wurde auch schon hier und hier durchgeführt (letzteres ist in russisch – aber Google Translate hilft etwas). Aber so ganz verstanden scheinen die Funktion noch nicht zu sein. Es bleiben also noch Aufgaben für mich.

Für den Anfang habe ich mir mal 2 Stück von diesen Sensoren bestellt, die auch gestern (05.04.2017) gekommen sind.

Also frisch ans Werk!

Als erstes habe ich mir mal einen kleinen Testaufbau auf einer Lochrasterplatine gelötet, mit der ich beide Sensoren mit einem Arduino Mega auslesen kann. Für den Anfang verwende ich mal nur die serielle Schnittstelle (UART), d.h. man muß die Sensoren nur an 5V, GND anschließen und TXD vom Sensor mit RX am Arduine und RXD mit TX am Arduino verbinden.

UART funktioniert am Sensor mit 9600 Baud, 8 Datenbits, 1 Stopbit und ohne Parity Check (im Datenblatt sind hier wohl ein wenig die Bits und Bytes durcheinander gekommen – aber da das Stanardeinstellungen sind, ist klar was gemeint ist).

Ein Befehl für diesen Sensor besteht aus 9 Byte. Zuerst kommt ein Startbyte 0xFF dann die Nummer des Sensors, die standardmäßig 0x01 ist. Das dritte Byte enthält den Befehl, dann 5 Bytes  für Parameter und ein Byte Prüfsumme.

Der Befehl um die CO2 Gaskonzentration auszulesen ist 0x86. Der Ganze Befehl sieht also so aus:

Byte0	Byte1	Byte2	Byte3	Byte4	Byte5	Byte6	Byte7	Byte8
Startbyte	Sensornummer	Befehl	Parameter					Prüfsumme
0xFF	0x01	0x86	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x79

Der Sensor antwortet dann mit neun Bytes:

Byte0	Byte1	Byte2	Byte3	Byte4	Byte5	Byte6	Byte7	Byte8
Startbyte	Befehl	CO2-high	CO2-low	Temp	Status	Min-high	Min-low	Prüfsumme

Das Byte0 ist hier wieder das Starbyte 0xFF gefolgt von der Wiederholung das Befehls 0x85. Byte2 und Byte3 enthalten den aktuellen Co2 Wert. D.h. der aktuell gemessene CO2 Wert berechnet sich aus (CO2-high*256+CO2-low).

Die Bytes 4-7 sind im Datenblatt nicht dokumentiert. In weiser Voraussicht habe ich hier mal die Namen Temp, Status, Min-high und Min-low vergeben. Was es damit für eine Bewandtnis hat, werden wir später sehen. Der Wert Temp enthält die vom Sensor gemessene Temperatur plus 40°C. Um die wahre Temperatur zu ermitteln müssen wir also (Byte4-40) rechnen (das haben schon viele herausgefunden – siehe die beiden Links oben).

Jetzt brauchen wir noch ein kleines Programm für den Arduino, der die Werte der beiden Sensoren ausließt und an den Computer weitergibt. Ich habe das mal aus ausgeführt:

/* Programm zum Auslesen der CO2-Konzentration aus 2 Sensoren MH-Z19 an einem Arduino Mega
 * Die Sensoren befinden sich an den seriellen Schnittstellen 1 und 2.
 * Die Werte werden dann an im Klartext an den Computer übergeben.
 * Geschrieben von: Norbert Huber
 * Datum:           08.04.2017
 */


byte com[]={0xff,0x01,0x86,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x79};  //Befehl zum Auslesen der CO2 Konzentration
byte return1[9];                                            //hier kommt der zurückgegeben Wert des ersten Sensors rein
int concentration1;                                         //CO2-Konzentration des ersten Sensors
int minimum1;                                               //Minimum-Wert des ersten Sensors
int temp1;                                                  //Temperatur-Wert des ersten Sensors
byte status1;                                               //Status des ersten Sensors
byte return2[9];
int concentration2;
int minimum2;
int temp2;
byte status2;

void setup() {
  Serial.begin(9600);   //Initialisierung Serielle Schnittstelle zum Computer
  Serial1.begin(9600);  //Initialisierung der seriellen Schnittstelle für den ersten Sensor
  Serial2.begin(9600);  //Initialisierung der seriellen Schnittstelle für den zweiten Sensor
}

void loop() {
   while (Serial1.available() >0) {     //Hier wird der Buffer der Seriellen Schnittstelle gelehrt 
    Serial1.read();
   }
   while (Serial2.available() >0)  {
    Serial2.read();
   }
                                                //Sensor 1:
   Serial1.write(com,9);                        //Befehl zum Auslesen der CO2 Konzentration
   Serial1.readBytes(return1,9);                //Auslesen der Antwort
   concentration1 = return1[2]*256+return1[3];  //Berechnung der Konzentration
   temp1 = return1[4]-40;                       //Berechnung der Temperatur
   minimum1 = return1[6]*256+return1[7];        //Berechnung des Minimums
   status1 = return1[5];                        //Berechnung des Status
   Serial.print("Zeit = ");                     //Senden der Werte an den PC 
   Serial.print(millis());                      //Am Angfang wird die Zeit in ms gesendet, die der Arduino in Betrieb ist
   Serial.print(" ; Sensor 1: CO2 = ");
   Serial.print(concentration1);
   Serial.print(" ; Temp = ");
   Serial.print(temp1);
   Serial.print(" ; Minimum = ");
   Serial.print(minimum1);
   Serial.print(" ; Status = ");
   Serial.print(status1);
                                                //Sensor2: siehe oben
   Serial2.write(com,9);
   Serial2.readBytes(return2,9);
   concentration2 = return2[2]*256+return2[3];
   temp2 = return2[4]-40;
   minimum2 = return2[6]*256+return2[7];
   status2=return2[5];
   Serial.print(" ; Sensor 2: CO2 = ");
   Serial.print(concentration2);
   Serial.print(" ; Temp = ");
   Serial.print(temp2);
   Serial.print(" ; Minimum = ");
   Serial.print(minimum2);
   Serial.print(" ; Status = ");
   Serial.println(status2);
   
   delay(10000);                              //10s warten
}

Das Programm auf den Arduino hochladen und schon werden die CO2-Werte gemessen und angezeigt. Bei mir hat das auf Anhieb funktioniert.

Die nicht dokumentierten Werte sehen wir jetzt auch – aber mit denen beschäftigen wir uns im nächsten Artikel – da geht es dann mit dem Reverse-Engineering richtig los!

Wenn es euch das interessiert, dann müsst ihr etwas Geduld haben.

Ich hoffe, der Artikel hat euch gefallen, und vielleicht auch ein wenig geholfen. Über einen Kommentar würde ich mich freuen.

Liebe Grüße

Euer DIYDonkey