Датчик углекислого газа в воздухе (CO2) "MH-Z19B" - головоломка

Чтобы окончательно решить исход вековечной вражды в офисе между «теми, кому дует» и «теми, кому душно» решил разориться на бюджетный датчик содержания CO2 в атмосферном воздухе и прикрутить к нему сирену. Поскольку цена на такие датчики — совсем негуманная, выбрал вариант «MH-Z19B», который оказался самым бюджетным.

К сожалению, датчик подарил головоломку. Подробности — под катом.

(Внимание — в обзоре много «программизма», ругани в адрес китайских даташитов, присутствует шестнадцатеричная математика — так что если тема DIY вам не близка, проходите мимо, иначе будете разочарованы).

Датчик «MH-Z19B» сделан китайской компанией «Winsen» (даташит, PDF) и неоднократно упоминался на Habrahabr и Geektimes. Это вторая ревизия, с буквой «b» в названии, по результатам китайской «работы над ошибками». Первую ревизию одним неверным движением можно было ввести в режим калибровки, для которой требовалась атмосфера с нулевым содержанием CO2. Бедолагам, которые в это влетали, приходилось искать баллон с чистым азотом или кислородом, чтобы её организовать. В ревизии «b» китайцы сделали так, что модуль «эталонной» считает смесь с 400ppm углекислоты — то есть его можно, теоретически, перекалибровать просто в лесу или в парке.

Модуль пришёл в паре с небольшим шлейфом, основная плата имеет надпил, позволяющий отломать кусок с разъёмом и вместо этого припаять гребёнки. Модуль работает в двух режимах — UART (передавая показания по последовательному порту на 9600 бод) и PWM, контакты слева и справа, соответственно:



Для удобства я обрезал шлейф и насадил на провода дюпоновские наконечники. Правда, выяснилось, что часть проводов вообще ни к чему не подключена. Напротив, PWM оказался не выведен на шлейф, к контакту пришлось дополнительно подпаиваться, завернув из предосторожности датчик в плёнку поплотнее:



Датчик работает по следующему принципу — он получает по UART девятибайтовые команды (последний байт — CRC) и отвечает также девятибайтовыми пакетами. Замер концентрации СО2 выполняется командой с байтом 0x86:



Также показания можно прочитать, померяв ширину PWM-сигнала:



Тут подстерегала первая проблема — как узнать текущую размерность измерений? Даташит упоминает, что датчик может мерять в диапазаонах от нуля как до 2000, так и от нуля до 5000ppm:



Запросить текущее значение у датчика нельзя, поэтому остаётся только явно задавать размерность при каждом старте. Даташит описывает формат команды, которая скажет модулю, в какой шкале работать:



Почему-то ни одна инструкция в интернете этого вопроса не касается — никто толком не интересовался настройками датчика и просто принимают их как данность. Кряхтим и пишем код для Ардуино, который пошлёт модулю нужную команду:

• 2000 ppm: «2000» в десятичной системе это «0x07 d0» в шестнадцатеричной, получается — третий байт команды будет 0x07, четвёртый байт — 0xD0, CRC (девятый байт) 0x8F
• 5000 ppm: третий байт 0x13, четвёртый байт 0x88, CRC (девятый байт) 0xCB

(CRC вычисляем по формуле из того же даташита, (NOT(Byte1 + Byte2 + Byte3 + Byte4 + Byte5 + Byte6 + Byte7)) +1)

Пробуем и так, и эдак, но в результате получаем на выходе дикие неправдоподобные значения концентрации СО2, вылетающие за паспортные диапазоны показаний датчика в разы. Уже испугавшись, что запороли дорогой прибор, через какое-то время нагугливаем ссылку revspace.nl/MHZ19 со словами

According to the MH-Z19B datasheet, you can configure the measurement range by putting the desired range in byte 3 and 4. However, unlike what the MH-Z19B datasheet says, you can set the range using the following command (in this case 0x07d0 = 2000 ppm in byte 6 and 7)

Замечательные китайцы ухитрились ошибиться в даташите! Материмся, и вместо третьего и четвёртого байта пишем в шестой и седьмой. Благодаря подсказке неизвестного голландца — модуль воскресает.

Поскольку теперь доверия модулю нет никакого, решил разобраться с его показаниями досконально и сравнить результаты по UART и PWM. Пишем код под Ардуино, который сначала, в блоке setup, даёт команду установки размерности, а потом в цикле loop делает замеры. Модуль располагаем на сквозняке у форточки.


Все замеры проводим, подключив модуль к питанию от 5 вольт; при 3.3 вольтах он выдаёт очевидно некорректные значения по верху диапазона.

В режиме PWM при заданном диапазоне значений от 0 до 2000ppm получаем, в условиях центра города, заполночь у форточки во двор, 1208ppm, что, безусловно, завышено. UART выдаёт нам близкое значение 1227ppm — различия вполне объяснимы ошибками оцифровки PWM-показаний.

Для сравнения, вот примерные дапазоны концентраций СО2, найденные в интернете:

— 350 — 450 ppm: Нормальный уровень на открытом воздухе.
— < 600 ppm: Приемлемые уровни. Уровень. рекомендованный для спален, детских садов и школ.

— 600 — 1000 ppm: Жалобы на несвежий воздух, возможно снижение концентрации внимания.
— 1000 ppm: Максимальный уровень стандартов ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) и OSHA (Occupational Safety & Health Administration).
— 1000 — 2500 ppm: Общая вялость, снижение концентрации внимания, возможна головная боль.
— 2500 — 5000 ppm: Возможны нежелательные эффекты на здоровье.

Переключаем датчик в диапазон 0 — 5000ppm. В режиме PWM у той же форточки во двор получаем 478ppm, что гораздо больше похоже на правду. Но вот в режиме UART наш датчик снова выдаёт совершенно неправдоподобное значение 1213ppm.

Десять раз перепроверив формулы, по близости показаний начинаю догадываться, что датчик считает с ошибками в арифметике. Модифицирую код, чтобы формула расчёта концентрации CO2 по данным PWM рассчитывалась с подстановкой всех вариантов верхнего предела значений. В момент какого-то озарения также дополнительно модифицирую код, чтобы значение, полученное по UART, дополнительно выводилось домноженным на 2000/5000:

диапазон 0 — 2000ppm

Range was set! (bytes 6 and 7)
1227 <- ppm (UART) 490 <- two fifths of it
606 <- Milliseconds PWM is HIGH
1208 <- ppm2 (PWM) with 2000ppm as limit
3020 <- ppm3 (PWM) with 5000ppm as limit

диапазон 0 — 5000ppm

Range was set! (bytes 6 and 7)
1213 <- ppm (UART) 484 <- two fifths of it
241 <- Milliseconds PWM is HIGH
478 <- ppm2 (PWM) with 2000ppm as limit
1195 <- ppm3 (PWM) with 5000ppm as limit

Делаем выводы:

• в качестве рабочего диапазона работы датчика надо задавать 0 — 5000ppm
• несмотря на это, для расчёта значений, полученных через PWM, надо в формулу подставлять константу 2000, а не 5000
• для получения правдивых показаний от UART надо полученное значение умножать на 2/5
• китайским даташитам, даже на вид добротным, верить нельзя
• готовые скетчи для Ардуино из интернета брать нельзя
• показания всех китайских «показометров» надо проверять хотя бы на соответствие здравому смыслу и внутреннюю непротиворечивость

После этого расследования датчик поселится в приборе в офисе, в компании с барометром, датчиком влажности воздуха, содержания пыли и ESP8266 для управления всем этим добром. Хоть я и вдохновился изначально приборчиками в переговорках московского Google, мой вариант не будет иметь цифр и экрана, а вместо этого получит более простую цветовую индикацию, как светофор — а подробные логи будет выкладывать по WiFi на сервер. Впрочем, это уже отдельная история.