Добавляем WiFi к монитору качества воздуха: измеритель CO2 для умного дома
Измерители CO₂ от Даджет уже снискали некоторую популярность из-за своей доступности и достаточно низкой цены (да, до десяти тысяч за NDIR-измеритель это еще бюджетно).
И вот когда я в один прекрасный момент задумался о мониторинге в своем доме не только температуры и влажности, но еще и количества углекислого газа, я сразу же вспомнил об этой компании и ее приборах.
Как известно, датчиков у Даджет два — один подключаемый проводом к компьютеру, а к другому можно подключить контроллер (как было сделано тут) для считывания показаний. Меня больше интересовал второй вариант котроллера, так как я хотел, чтобы датчик не был привязан к компьютеру проводом, и его можно было разместить в любом месте квартиры.
Итак, решено: берем монитор CO₂ и прикручиваем к нему WiFi в виде ESP8266.
► WiFi Inside
Пациент готов к операции: 
Для вскрытия надо вытащить 4 резиновых заглушки: 
И выкрутить винты, скрывающиеся под ними. После этого можно осторожно разъединить две части корпуса (например пластиковой карточкой): 
Осторожно — потому что внутри они соединены трубкой, которую надо аккуратно отцепить и засунуть внутрь корпуса, чтобы не мешалась: 
На нижней части платы расположены 4 контактных отверстия: 
Люди, знакомые с электроникой, поймут их назначение по буквам рядом с ним. Остальные поймут это из моего объяснения: V (voltage) — питание, D (data) — данные, С (clock) — синхронизация, G (ground) — земля.
G, он же GND, он же «земля» — нулевая точка, от которой отсчитывается напряжение питание (то, которое V) и уровни сигналов данных. В обывательской практике можно сказать, что G — это «минус», а V — это «плюс», как в батарейках. Оно даже будет правдой… пока не появится еще одно напряжение, после чего условности вроде «минуса» полетят в тартарары.
С, он же clock, он же тактовый, он же синхросигнал — специальный сигнал, который указывает принимающей стороне, когда надо считывать сигнал с линии данных (которая D).
В отличии асинхронных протоколов (типа UART/RS-232), где такого сигнала нет, и синхронизация строится на точном указании одинаковой частоты (=скорости) на передающей и принимающей стороне (все эти 1200, 9600, 115200 бод), в синхронном протоколе есть отдельная линия, смена уровня на которой означает, что приемник должен измерить состояние линии данных поняв, какой бит передается в текущий момент.
Плюсом синхронного протокола является нечувствительность к разнице тактирования устройств (можно хоть ручками набирать байты, если не ограничений по времени), минусом — необходимость отдельного провода. В принципе, при одинаковой частоте передачи, можно разбирать синхронную передачу и без тактового сигнала, но такими извращениями мы страдать не будем.
Цепляемся осциллографом на контакты и видим посылки с данными: 
Приближаем, и вот уже можем разглядеть отдельные биты: 
Можем даже расшифровать сообщение, но не будем. Нам важно понять, что он действительно что-то отправляет, чтобы потом не думать «а почему у меня данные не приходят» по причине их отсутствия.
Вместо осциллографа припаиваем и клеим термоклеем платку с ESP8266: 
Подключаем ее по UART к компьютеру (на фото два провода, без земли, потому что измеритель питается от того же ноута) и начинаем писать код.
► Исходники
Пишется код в среде Arduino c включенной поддержкой ESP8266(как ее включить, можно прочитать вот тут). Как нажимать кнопочку для прошивки, думаю, разберетесь сами, или с помощью esp8266.ru.
Сам проект состоит из трех файлов: файла проекта, и подключенной библиотеки за авторством fedorro, который в свою очередь, использовал наработки отсюда.
#define PIN_CLOCK 14 // Пин, к которому подключен контакт "С" — тактовый сигнал
#define PIN_DATA 12 // Пин, к которому подключен контакт "D" — данные
#include
#include
#include "mt8060_decoder.h"
const char* ssid = "MikroTik-951"; //Имя сети
const char* password = "FAKEPASSWORD"; //Пароль сети
String co2_value = ""; //Значение содержания углекислоты в ppm
String tmp_value = ""; //Значение температуры в градусах цельсия
String hum_value = ""; //Значение влажности воздуха в процентах
int error_count = 0; //Счетчик ошибок контрольной суммы(кстати, можно не считать, неделями работает без ошибок)
ESP8266WebServer server(80); //Создаем обьект сервера
void setup()
{
Serial.begin(115200); //Настраиваем UART
WiFi.begin(ssid, password); //Подключаемся к WiFi
while (WiFi.status() != WL_CONNECTED)
{
delay(500);
Serial.print("."); // Усердно показываем в UART, что мы заняты делом
}
Serial.println("");
Serial.print("WiFi connected, IP ");
Serial.println(WiFi.localIP());
server.on("/co2", co2_show); // Устанавливаем адреса страниц и функции, этим адресам соотвествующие
server.on("/tmp", tmp_show);
server.on("/hum", hum_show);
server.on("/json", json_show);
server.onNotFound(NotFound_show); // Главная страница
server.begin();
pinMode(PIN_CLOCK, INPUT); //Настраиваем порты на вход
pinMode(PIN_DATA, INPUT); //Настраиваем порты на вход
attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(PIN_CLOCK), interrupt, FALLING); //Включаем прерывание на пине с тактовым сигналом
}
void interrupt() // По каждому прерыванию начинаем собирать данные
{
bool dataBit = (digitalRead(PIN_DATA) == HIGH);
unsigned long ms = millis();
mt8060_message* message = mt8060_process(ms, dataBit); //Отправляем текущее время и текущий бит в функцию, взамен получаем восхитительное ничего, если битов еще не набралось до полного сообщение, и расшифрованный пакет, если битов достаточно.
if (message) { //если в ответ получен пакет
if (!message->checksumIsValid) //то проверяем, правильно ли рассчитана контрольная сумма
{
error_count++;
}
else // и если правильно...
{
switch (message->type) //...то в зависимости от типа пакета...
{
case HUMIDITY:
hum_value = String((double)message->value / 100, 0); // сохраняем значение влажности
Serial.print("HUM:");
Serial.println(hum_value); // Выводим в UART
break;
case TEMPERATURE:
tmp_value = String((double)message->value / 16 - 273.15, 1); // конвертируем и сохраняем значение температуры
Serial.print("TMP:"); // Смотрите-ка! Сиськи! -> (. )(. )
Serial.println(tmp_value); // Выводим в UART
break;
case CO2_PPM:
co2_value = String(message->value, DEC); // сохраняем значение количества CO₂
Serial.print("CO2:");
Serial.println(co2_value); // Выводим в UART
break;
default:
break;
}
}
}
}
void co2_show() { //Функция, выводящая CO₂ простым текстом
server.send(200, "text/plain", co2_value);
}
void tmp_show() { //Функция, выводящая температуру простым текстом
server.send(200, "text/plain", tmp_value);
}
void hum_show() { //Функция, выводящая влажность простым текстом
server.send(200, "text/plain", hum_value);
}
void NotFound_show() { //Функция, выводящая красивую стартовую страницу с кнопочками
String form = "Dadget МТ8060 CO₂ monitor Dadget МТ8060 CO₂ monitor
";
form.replace("[co2]", co2_value); //подставляем текущие значения
form.replace("[hum]", hum_value);
form.replace("[tmp]", tmp_value);
server.send(200, "text/html", form); //отправляем форму клиенту
}
void json_show() { //Функция, выводящая все данные в виде JSON
String json = "[{\"co2\":"; //Формируем строку c JSON данными
json += co2_value;
json += ",\"tmp\":";
json += tmp_value;
json += ",\"hum\":";
json += hum_value;
json += ",\"serial\":";
json += ESP.getChipId();
json += ",\"errors\":";
json += error_count;
json += ",\"uptime_min\":";
json += String(millis()/60000);
json += "}]";
server.send(200, "application/json", json); //Отправляем
}
void loop()
{
server.handleClient(); //Ждем подключения клиентов по HTTP
}
Файл второй, mt8060_decoder.cpp
// Based on https://github.com/fe-c/MT8060-data-read code
// All rights for reading code owned https://geektimes.ru/users/fedorro/
// and https://github.com/revspace
#include "mt8060_decoder.h"
#define MT8060_MAX_MS 2 // Таймаут по которому считаем, что началось новое сообщение
#define MT8060_MSG_LEN 5 // В одном полном сообщении 5 байт
#define MT8060_MSG_TYPE_BYTE_IDX 0
#define MT8060_MSG_VAL_HIGH_BYTE_IDX 1
#define MT8060_MSG_VAL_LOW_BYTE_IDX 2
#define MT8060_MSG_CHECKSUM_BYTE_IDX 3
#define MT8060_MSG_CR_BYTE_IDX 4
#define BITS_IN_BYTE 8
static uint8_t buffer[MT8060_MSG_LEN]; // Буфер для хранения считанных данных
static int num_bits = 0;
static unsigned long prev_ms;
static mt8060_message _msg;
static mt8060_message *msg = &_msg;
void mt8060_decode(void) // Декодирует сообщение
{
uint8_t checksum = buffer[MT8060_MSG_TYPE_BYTE_IDX] + buffer[MT8060_MSG_VAL_HIGH_BYTE_IDX] + buffer[MT8060_MSG_VAL_LOW_BYTE_IDX]; // Вычисление контрольной суммы
msg->checksumIsValid = (checksum == buffer[MT8060_MSG_CHECKSUM_BYTE_IDX] && buffer[MT8060_MSG_CR_BYTE_IDX] == 0xD); // Проверка контрольной суммы
if (!msg->checksumIsValid) {
return;
}
msg->type = (dataType)buffer[MT8060_MSG_TYPE_BYTE_IDX]; // Получение типа показателя
msg->value = buffer[MT8060_MSG_VAL_HIGH_BYTE_IDX] << BITS_IN_BYTE | buffer[MT8060_MSG_VAL_LOW_BYTE_IDX]; // Получение значения показателя
}
// Вызывается на каждый задний фронт тактового сигнала, возвращает ссылку на структуру сообщения, если оно полностью считано
mt8060_message* mt8060_process(unsigned long ms, bool data)
{
if ((ms - prev_ms) > MT8060_MAX_MS) {
num_bits = 0;
}
prev_ms = ms;
if (num_bits < MT8060_MSG_LEN * BITS_IN_BYTE) {
int idx = num_bits / BITS_IN_BYTE;
buffer[idx] = (buffer[idx] << 1) | (data ? 1 : 0);
num_bits++;
if (num_bits == MT8060_MSG_LEN * BITS_IN_BYTE) {
mt8060_decode(); //Декодируем сообщение
return msg; //Возвращаем сообщение
}
}
return nullptr; //Ничего не возвращаем, если сообщение не полное
}
Файл третий, mt8060_decoder.h
// Based on https://github.com/fe-c/MT8060-data-read code
// All rights for reading code owned https://geektimes.ru/users/fedorro/
// and https://github.com/revspace
#include
#include
typedef enum
{
HUMIDITY = 0x41,
TEMPERATURE = 0x42,
CO2_PPM = 0x50,
} dataType;
typedef struct {
dataType type;
uint16_t value;
bool checksumIsValid;
} mt8060_message;
mt8060_message* mt8060_process(unsigned long ms, bool data);
Так же, код можно посмотреть на моем GitHub. Пулл-реквесты приветствуются, как и подсказки в комментариях, как можно сделать лучше!
Запускаем, заходим на страничку устройства…
Работает! Приводим провода в порядок, находим для платы свободное место в корпусе: 
Закрепляем каплей термоклея, и вот, операция закончена, остается зашить закрыть крышку (не забыв про трубочку), и установить в нужное место дома: 
► Собираем статистику
Однако, пока что ситуации «посмотрел на экран измерителя» и «посмотрел на веб-страничку» отличаются не очень сильно. Чтобы было интереснее, надо либо чем-то управлять, либо собирать статистику.
Конечно, можно еще поковыряться с ESP, использовав ее память под хранение графика, или сделав так, чтобы она управляла каким-нибудь WiFi-реле… Но я не поклонник распределённых систем, и считаю, что у умного дома должен быть как минимум один сервер.
Для того, чтобы сделать из единичных показаний график, я воспользуюсь возможностями Logic Machine — скриптами и трендами. Конечно, все тоже самое можно сделать и на любом компьютере, но раз инструменты есть у меня под рукой, почему бы не воспользоваться.
Создаем новый Sheduled-скрипт (выполняющийся по расписанию), настраиваем его на запуск каждую минуту: 
Внутри пишем что-то вроде этого:
local http = require('http')
local json = require('json')
local raw_data, code = socket.http.request('http://co2meter.lc/json') --Запрашиваем страничку. Говорим спасибо роутеру микротик за внутренние DNS-имена
if (code == 200) then --Если код ответа 200..
local data = json.decode(raw_data) --Пытаемся декодировать ответ из json в таблицы lua
if (data ~= nil) then --Если ответ являлся валидными json-данными...
if (data[1].uptime_min > 2) then --И если это не первые две минуты работы измерителя(после включения происходит "прогрев" и во время него значения могут плавать)
grp.update('S_CO2_CO2', data[1].co2) --Записываем в объекты значения CO₂, влажности и температуры
grp.update('S_CO2_TMP', data[1].tmp)
grp.update('S_CO2_HUM', data[1].hum)
end
end
end
Вуаля! Мы получили первые показания: 
Теперь надо их превратить в симпатичные графики. Нет ничего проще (да простит меня Dadget за бессовестную рекламу нашего контроллера, я уже заканчиваю)! Trends logs —> Add new trend log: 
Теперь осталось подождать недельку-другую для сбора данных, и вот они, наши графики: 
Ну и конечно, самый интересный график: 
Оказалось, наблюдать за уровнем CO₂ и проводить параллели между изменениями на графике и своими действиями оказалось очень интересно!
Факт №1: Газовая плита ОЧЕНЬ сильно повышает уровень CO₂.
Факт №2: При отсутствии людей и хотя бы чуть-чуть открытом окне (даже в режиме микропроветривания) уровень CO₂ быстро снижается до фоновых значений.
Факт №3: Люди в квартире (даже спящие) вносят существенный вклад в количество углекислоты. Важно открывать окна (можно в другой части квартиры) на ночь, чтобы не надышать до вредных значений.
Факт №4: Количество CO₂, выделяемое человеком, сильно зависит от его активности. Стоит проснуться и полуспящим походить по квартире, как количество углекислоты начинает расти.
Факт №5: Количество CO₂, выделяемое человеком, ОЧЕНЬ сильно зависит от его активности. И от типа активности. :)
► Управляем вентилятором
В качестве площадки для тестирования вентиляции, управляемой по уровню CO₂, я выбрал офис. В нем уже настроено управление вентиляцией с контроллера (как именно, смотрите по предыдущей ссылке), так что мне просто оставалось настроить реакцию на повышение уровня CO₂. В LM делается это так:
Создаем новый скрипт типа Event-based (выполняемый при изменении объекта), устанавливаем в качестве объекта мониторинга объект, в который мы записывает текущее значение CO₂: 
В коде скрипта пишем несложную логику, которая будет включать вентиляцию при уровне углекислоты выше 1000ppm, и выключать при уровне меньше 800, реализуя гистерезис для предотвращения частого включения-выключения вентиляции:
--Скрипт выполняет при любом изменении объекта
value = grp.getvalue("S_CO2_CO2") --Получаем значение обьекта с количеством углекислого газа
if (value > 1000) then --Если его больше, чем 1000ppm...
grp.write('HP-7.1', true) --..включаем вентиляцию
elseif (value < 800) then --Если CO₂ меньше, чем 800ppm...
grp.write('HP-7.1', false) --..выключаем вентиляцию
end
Таким образом, вентиляция включится при повышении уровня CO₂ до 1000ppm, и не выключится, пока не опустит его значение до 800ppm.
Жужжит! 
Ссылки:
Внутренности похожего устройства и описание протокола
Обзор прибора
Разбор прибора
Подключение измерителя к Arduino
Если вам интересны темы интернета устройств и умного дома, добро пожаловать в канал в телеграме: telegram.me/IOTandSmarthome
В течение 14 дней, со дня публикации данной статьи, вы можете приобрести «Монитор качества воздуха» с 10%-й скидкой, используя код GEEKT-MK.
