Hardware | CO2 센서인 MH-Z14A 를 활용해 보자

1. 이산화탄소

이산화탄소는 지구로 들어 왔다가 빠져나가는 태양광 복사열을 차폐하여 온실효과를 내는 주범 입니다.

매년 기온이 상승하고 있습니다. 기온 상승으로 인하여 지구에서는 지금까지 겪지 못했던 일들이 일어나고 있죠.

전 지구적으로 본다면, 과거로부터 CO2 의 농도 변화는 일정한 주기를 가져 왔습니다.

하지만, 현재의 CO2 농도는 과거의 주기적인 범위에서 한참을 벗어나 있습니다.

측정 데이터를 가지고 본다면, 산업혁명 이후 꾸준히 증가 중 이라는 것을 알 수 있습니다.

산업혁명 이전은 280 ppm 이하였고, 그 이후 약 300년 사이에 140 ppm 정도 늘었습니다.

옛날과 비교하면 150% 가 되어있는 셈 입니다. 수백만년동안 일정한 주기를 가지던 패턴이 300년 동안 완전히 붕괴된 것이죠.

예전 개그 프로에서 봤던, 공기좋은 알프스에서 채집한 공기를 깡통에 넣어 팔아도 되는 시대가 올지도 모르겠습니다.

참고로, 현재 우리가 살고 있는 "요즈음" 은, 410 ppm 정도가 일반적인 수치임을 위의 그래프를 통해 알 수 있습니다.

2. MH-Z14A

생활 공간의 쾌적한 조성은, 삶에 있어서 행복감을 줄 수 있는 요소 중 하나 입니다.

이를 위해, 산소 발생기를 만들어 볼 생각이 났습니다.

다만, 산소 발생기를 만들더라도, 현재의 상황 - 농도 - 를 알고 있어야 조정이 가능하니, CO2 측정 방법을 찾아 봅니다.

CO2 센서로는 몇 가지가 존재하나, MH-Z14A 라는 것이 심심치 않게 사용되고 있네요.

거의 2만원이 넘는 가격이지만, 구입합니다. 기체 포집 센서들은 꽤나 가격이 높게 형성되어 있습니다.

* Free shipping NDIR CO2 SENSOR MH-Z14A infrared carbon dioxide sensor module,serial port, PWM, analog output with cable MH-Z14

- https://www.aliexpress.com/item/Free-shipping-NDIR-CO2-SENSOR-MH-Z14A-infrared-carbon-dioxide-sensor-module-serial-port-PWM-analog/32617820781.html

센서의 스펙은 다음과 같습니다.

Product Name: MH-Z14A infrared type, carbon dioxide detection sensor

1. the working voltage: DC 4.5-5.5V

2. Working current: Mean < 60mA; peak 150mA

3. the detection range: 0-5000ppm

4. the detection accuracy: ± (50ppm + 3% reading value)

5. Warm-up time: 3min

6. the output signal:

   1) analog output voltage: (D1 port 0V-2.5V) (D2 port 0.4-2V) linear output

   2) serial port (UART) (TTL level)

   3) PWM

7. response time: T90 < 120s

8. the working temperature: 0-50C

9. Humidity: 0-95% RH

10. life: 5 years

11. size: 57mm X 35mm X 15mm

12. weight size: 17g

Package Including: 1pcs X CO2 sensors

3. 도착

도착샷은 예의.

평범하게 배달.

리본 케이블이 딸려 있습니다만, pin hole 로도 연결이 가능합니다.

뒷면은 레귤레이터와 신호 처리 chip 이 달려 있습니다. 그리고 방수 코팅도 되어 있네요.

4. 통신 과 연결 방법

메뉴얼과 스펙 문서를 첨부합니다.

mh-z14a_co2-manual-v1_01.pdf

mh-z14_co2.pdf

문서를 보니, 이 센서와 통신할 수 있는 방법은 3가지가 됩니다. 각각의 사용법은 밑에서 다뤄 보겠습니다.

Analog

PWM

UART (RX/TX)

Pin header 정보 입니다.

리본 케이블을 사용할 경우, 각 선의 의미는 아래 그림과 같습니다.

새로 납땜해야 하는 pin header 말고, 리본 케이블을 사용하여 깔끔하게 연결해 보도록 하겠습니다.

5. 리본 케이블용 커넥터

리본 케이블을 이용하여 예쁘게 연결하고 싶으니, 리본 케이블 커넥터나 연장을 생각해 봅니다.

일단 측정해 봅니다. 대략 1mm 정도 되겠네요. 아래 규격일 듯 합니다.

* JST SH 1.0mm

- http://www.jst-mfg.com/product/detail_e.php?series=231

알리에서 검색해 보니, 아래 제품이 맞을 듯.

* 10 sets 1.0mm 1.25mm 1.5mm 2.0 2.54mm 2PIN /3/4/5/6/12P Pin Male & Female PCB Connector SH JST ZH PH XH 2 Pin
    - https://www.aliexpress.com/item/32733307616.html

잘 도착 했습니다.

커넥터의 female / male 이 짝으로 도착했습니다.

도착한 커넥터와 센서에 딸려 나온 커넥터를 비교해 보니... 덴장.

기존 커넥터의 pin 피치를 비교해 보면, 좀더 조밀합니다.

빵판이나 일반적인 연결 용도로 사용되는 (2.54mm) Pin connector 도 주문 했더랬습니다.

빵판에 prototype 회로를 만드려면, pin 이 필요하니까요.

* 100PCS 2.54mm Dupont Jumper Wire Cable Housing Female/Male Pin Connector Terminal Kit
    - https://www.aliexpress.com/item/32908083223.html

암수 모양 한세트를 주문 했습니다.

이걸 제대로 사용하기 위해선는 찝는 툴이 필요하다는 것을, 물건 받아보고 나서야 깨닫습니다.

한가지 아쉬운건, 캐스팅 된 핀이 아니라, 프레스된 철판을 구부려서 만든 모양 입니다.

프레스로 된 pin 은 잘 구부러질 뿐만 아니라, 빵판 안에서 부러져 버리면 꺼낼 수가 없어, 죽은 소켓이 되어버리기 때문입니다.

(그래 뽰자 큰 영향은 없지만...)

6. 연결은 결국...

결국 빵판에 연결 방법으로는, 선 끝을 자르고, 기존 pin 을 이식하는 것으로 정했습니다.

Female 소켓에서 한 땀 한 땀 분리합니다.

혹시? 하고 이것 그대로 직접 연결하면 어떨까 하여 연결해 보니, 진동에 의한 결선 이탈이 쉽게 일어나므로 포기.

원래 생각했던 대로, pin 달린 jumper 에서 pin 만을 잘라 이식합니다.

선을 서로 꼬아준 다음, 납땜해 주고, 수축튜브 이용하여 마무리 했습니다. (완벽)

드디어 arduino 와 연결하여 측정이 가능하게 되었습니다.

7. UART

우선 아래 blog 를 많이 참고했습니다.

* Dr. Monk's DIY Electronics Blog

- http://www.doctormonk.com/2018/03/review-and-test-of-mh-z14a-ndir-co2.html

다만, 위의 링크에서 제시한 UART (Software Serial) 포트를 Arduino 의 digital pin 로 측정하는 것은 잘못된 방법입니다.

Analog pin 에 RX/TX 를 접속 시켜야 하며, PWM / Analog 입력을 동시에 받으면, 모든 값이 뒤틀립니다.

그래서 UART 따로, PWM / Analog 를 따로 측정해 봤습니다. (많은 삽질의 결과)

우선 UART. 센서에 3.3V 를 먹이고, TX/RX 를 analog pin 에 연결하여 데이터를 받습니다.

처음으로 센서를 동작시켜본 기념으로 동영상을 올립니다.

센서 가동중에는 네 귀퉁이에 어렴풋이 불이 켜졌다가 꺼지기를 반복합니다.

참고로, TX / RX 에 접속시킨 채로 sketch 를 upload 하면 error 가 나는군요.

#include "SoftwareSerial.h"

const long samplePeriod = 10000L;

SoftwareSerial sensor(A2, A3); // RX, TX
const byte requestReading[] = {0xFF, 0x01, 0x86, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x79};
byte result[9];
long lastSampleTime = 0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  sensor.begin(9600);
}

void loop() {
  long now = millis();
  if (now > lastSampleTime + samplePeriod) {
    lastSampleTime = now;
    int ppmS = readPPMSerial();
    Serial.println(ppmS);
  }
}

int readPPMSerial() {
  sensor.flush();
  for (int i = 0; i < 9; i++) {
    sensor.write(requestReading[i]); 
  }
  
  while (sensor.available() < 9) {}; // wait for response
  for (int i = 0; i < 9; i++) {
    result[i] = sensor.read(); 
  }
  int high = result[2];
  int low = result[3];
  return high * 256 + low;
}

결과 입니다. UART 는 값 보정이 필요해 보입니다.

보정을 위해서는 기준값을 알아야 하는데, 기준값을 도출하기 위해서는 정확히 조성된 환경에서 보정작업이 이루어져야 합니다.

저는 그런 환경이나 챔버가 없으므로, calibration 은 무시.

8. Analog / PWM

그나마 현실적인 값을 도출하는 Analog 와 PWM 값 확인 입니다.

#include "SoftwareSerial.h"

const int analogPin = A0; // analog pin
const int pwmPin = 6; // digital pin

const long samplePeriod = 10000L;

long lastSampleTime = 0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(pwmPin, INPUT_PULLUP);
}

void loop() {
  long now = millis();
  if (now > lastSampleTime + samplePeriod) {
    lastSampleTime = now;
    int ppmV = readPPMV();
    int ppmPWM = readPPMPWM();
    Serial.print(ppmV); 
    Serial.print("\t"); 
    Serial.println(ppmPWM); 
    }
}

int readPPMV() {
  float v = analogRead(analogPin) * 5.0 / 1023.0;
  int ppm = int((v - 0.4) * 3125.0);
  return ppm;
}

int readPPMPWM() {
  while (digitalRead(pwmPin) == LOW) {}; // wait for pulse to go high
  long t0 = millis();
  while (digitalRead(pwmPin) == HIGH) {}; // wait for pulse to go low
  long t1 = millis();
  while (digitalRead(pwmPin) == LOW) {}; // wait for pulse to go high again
  long t2 = millis();
  long th = t1-t0;
  long tl = t2-t1;
  long ppm = 5000L * (th - 2) / (th + tl - 4);
  while (digitalRead(pwmPin) == HIGH) {}; // wait for pulse to go low
  delay(10); // allow output to settle.
  return int(ppm);
}

결과값은 다음과 같습니다. 왼쪽이 Analog 값, 오른쪽이 PWM 입니다.

위에서 알 수 있듯, 값의 변화나 지구의 CO2 농도를 참고했을 때, PWM 이 좀더 현실적인 값이 아닌가 합니다.

9. WiFi 연결

일반적으로 센서를 가지고 변화 추이를 확인하려면, 상당히 긴 시간동안의 데이터를 수집해야 합니다.

지금까지는 PC를 켜 놓고 Arduino IDE 의 Serial Monitor 를 사용하여 측정 했었습니다.

Cloud 시대인 만큼, 이번에는 WiFi 를 이용하여 ThingSpeak 에 측정 데이터를 보내주기로 합니다.

ThingSpeak 등록 및 기본 사용법은 아래 포스트에서 다뤘습니다.

* Software | ThingSpeak 등록하여 IoT 데이터 펼처보기
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Software-ThingSpeak-IoT-monitoring

힘들었던 것은, ESP-01 의 WiFi command 를 이용하여, 필요한 command 를 하나씩 확인하는 작업이었습니다.

위 스샷은 "AT+CIPMUX" 를 통하여 single channel / multi channel 통신을 정의하는 것 입니다.

값에 "0" 을 정의하면 single 이고, 1~4 숫자면 multi channel 입니다.

참조한 블로그 처럼, Multi Channel 을 이용하면 좋을 듯 하지만,

다른 명령어에서 channel 번호를 명시해야 하는 등 번거로워서 Single Channel 설정으로 "AT+CIPMUX=0" 이용.

이외 명령어들은, 연결할 호스트 정의 및 HTTP data 전송에 관련한 부분입니다.

AT+CIPMUX=0
AT+CIPSTART="TCP","api.thingspeak.com",80
AT+CIPSEND=49
GET /update?api_key=XXXXXXXXXXXXXXXX?field1=351
AT+CIPCLOSE

- AT+CIPMUX=0 > Single Channel 로 통신 시작

- AT+CIPSTART="TCP","api.thingspeak.com",80 > 연결할 host 명과 port 정의
- AT+CIPSEND=49 > 전송할 데이터 사이즈를 미리 정의
- GET /update?api_key=XXXXXXXXXXXXXXX?field1=351 > HTTP GET request
- AT+CIPCLOSE > session close

위는 FTDI 를 이용하여, 직접 Serial Monitor 를 이용하여 WiFi 통신"만" 테스트해 보는 스샷입니다.

FTDI 를 이용한 자세한 활용 방법은 아래 글에서 다뤘습니다.

* Hardware | ESP-01 or ESP8266 사용기 - 2
    - https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-ESP01-or-ESP8266-using-2

참고한 blog 의 소스에는 ">" 캐릭터가 나오면 send 명령어를 실행하게끔 되어 있습니다만, 실패가 계속 나더군요.

테스트 해본 결과, 제가 가지고 있는 ESP-01 모듈은 ">" 이 나오기 전, "OK" 가 먼저 뜨므로, 기준을 "OK" 문자로 해야 합니다.

이렇듯, 소스를 하나하나 검증하면서 제대로 동작하는 command 들을 끼워 맞추기까지 오래 걸렸습니다.

없는 시간 쪼개어 가며 테스트하고 삽질하였더니만 2개월 정도 걸린 듯 합니다.

10. 최종 버전

아래는 arduino / MH-Z14A / ESP-01 간의 pin 연결표 입니다.

 MH-Z14A | Arduino Nano
------------------------
   PWM   |     D6
   GND   |     GND
   VCC   |     5V
------------------------


  ESP-01 | Arduino Nano
------------------------
   TX    |     D10
   RX    |     D11
   VCC   |     3.3V
   GND   |     GND
  CHPD   |     3.3V
------------------------

아래는 layout 입니다. 추가 전원을 위해 MB102 도 사용했습니다.

아래는 실제로 연결한 arduino nano / MH-Z14A / ESP-01 / MB102 입니다.

지금까지 확인한 내용이 모두 담긴 소스 입니다.

#include "SoftwareSerial.h"

// HM-Z14A
const int pwmPin = 6; // digital pin

// ESP-01
#define RX 10
#define TX 11
SoftwareSerial AT(RX, TX);

// WiFi
String ssid = "XXXXXXXXX"; //Wifi SSID
String password = "XXXXXXXXX"; //WiFi Pass
String apiKeyIn = "XXXXXXXXX"; // API Key
const unsigned int writeInterval = 25000; // write interval (in ms)

// ThingSpeak
String host = "api.thingspeak.com"; // API host name
String port = "80"; // port

int AT_cmd_time;
boolean AT_cmd_result = false; 

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(pwmPin, INPUT_PULLUP);
  
  // WiFi status
  Serial.println("---------- Program Start");
  AT.begin(115200);
  Serial.println("Initiate AT commands with ESP8266 ");
  sendATcmd("AT",5,"OK");
  sendATcmd("AT+CWMODE=1",5,"OK");
  Serial.print("Connecting to WiFi:");
  Serial.println(ssid);
  sendATcmd("AT+CWJAP=\""+ ssid +"\",\""+ password +"\"",20,"OK");
}

void loop() {
  // get CO2 data
  int ppmPWM = readPPMPWM();
  
  // Create the URL for the request
  String url = "GET /update?api_key=";
  url += apiKeyIn;
  url += "&field1=";
  url += ppmPWM;
  url += "\r\n";
  Serial.println("---------- Open TCP connection");
  sendATcmd("AT+CIPMUX=0", 10, "OK");
  sendATcmd("AT+CIPSTART=\"TCP\",\"" + host +"\"," + port, 20, "OK");
  sendATcmd("AT+CIPSEND=" + String(url.length()), 10, "OK");
  
  Serial.print("---------- requesting URL: ");
  Serial.println(url);
  AT.println(url);
  delay(2000);
  sendATcmd("AT+CIPCLOSE", 10, "OK");
  
  Serial.println("---------- Close TCP Connection ");
  Serial.println("");
  
  delay(writeInterval); // delay
}

// PWM function
int readPPMPWM() {
  while (digitalRead(pwmPin) == LOW) {}; // wait for pulse to go high
  long t0 = millis();
  while (digitalRead(pwmPin) == HIGH) {}; // wait for pulse to go low
  long t1 = millis();
  while (digitalRead(pwmPin) == LOW) {}; // wait for pulse to go high again
  long t2 = millis();
  long th = t1-t0;
  long tl = t2-t1;
  long ppm = 5000L * (th - 2) / (th + tl - 4);
  while (digitalRead(pwmPin) == HIGH) {}; // wait for pulse to go low
  delay(10); // allow output to settle
  return int(ppm);
}

// sendATcmd
void sendATcmd(String AT_cmd, int AT_cmd_maxTime, char readReplay[]) {
  Serial.print("AT command:");
  Serial.println(AT_cmd);
  
  while(AT_cmd_time < (AT_cmd_maxTime)) {
    AT.println(AT_cmd);
    if(AT.find(readReplay)) {
      AT_cmd_result = true;
      break;
    }
    
    AT_cmd_time++;
  }
  
  Serial.print("...Result:");
  if(AT_cmd_result == true) {
    Serial.println("DONE");
    AT_cmd_time = 0;
  }
  
  if(AT_cmd_result == false) {
    Serial.println("FAILED");
    AT_cmd_time = 0;
  }
  
  AT_cmd_result = false;
}

참조한 blog 에서는, URL 을 만들 때, 단순히 4 bytes 를 추가한 size 를 CIPSEND 하라고 했지만, 제대로 동작하지 않습니다.

Line feed / carriage return 을 GET method 뒤에 추가되어야 정상 동작 합니다. (아래 소스의 제일 마지막 줄)

...
  String url = "GET /update?api_key=";
  url += apiKeyIn;
  url += "&field1=";
  url += ppmPWM;
  url += "\r\n";
...

성공한 결과물을 Serial Monitor 로 확인해 보면 다음과 같습니다.

WiFi 연결 및 HTTP Get method 로 REST API 동작을 확인 할 수 있어요.

11. 결과

ThingSpeak 사이트에서 확인한 결과 입니다.

거실에 설치 후, 외출하면서 CO2 농도가 떨어짐.

외출에서 귀가하면서 농도가 한번 급등하고, 그 후에 지속적으로 오름.

취침시간을 기점으로 점점 떨어지다가 기상과 더불어 다시 올라가는 그래프를 보여 줬습니다.

우리 집은 CO2 농도가 꽤나 높은 것으로 나오네요.

12. Update - 20200328

약 10일간 측정한 데이터 입니다.

feeds.csv

잘못 들어간 쓰레기 값들을 조금 조정했습니다. 전원 문제도 있고, 빵판의 접점 문제 등으로 가끔 쓰레기값이 나오는 듯 해요.

5일 그래프를 겹쳐 봤습니다.

1000 ppm 이상의 값에 대해 비정상임을 의심해 봤으나, 전체적으로 보면 정상 수치임을 알 수 있습니다.

저녁에 가족 4명이 거실에 있으면, 대략 1300대의 값을 보여 줬습니다. 모두 잠든 새벽에는 400 언저리 수치를 보여줘, 전 지구의 값과 동일하다는 것을 확인 할 수 있었어요.

요일별로 늦게 일어나는 주말에는 점심 언저리부터 값이 증가하고, 외출해 있을 때에는 거의 값의 변화가 없었으며, 저녁 12시 취침시간을 기점으로 아침 기상까지 수치가 떨어지는 그래프를 보여 줬습니다.

산소 발생기와 연동한다면, 새벽 외에는 하루 종일 틀어놔야 겠군요. 물론, 400 수치로 돌아오면 멈추는 루틴이 필요하겠지만.