DIY空気質モニター：コスト効率の良いEPA準拠検知器

このコンパクトな検知器は、周囲の空気質を評価するための予算に優しいソリューションを提供します。EPAの大気質指数で定められた5つの主要汚染物質（オゾン、粒子状物質、一酸化炭素、二酸化硫黄、窒素酸化物）を対象とし、二酸化硫黄を除くすべてで正確な測定値を提供します。現在のセンサースイートでは二酸化硫黄は監視されていません。

さらに、都市ガスセンサーが可燃性ガス漏れを警告し、温湿度モジュールがセンサー性能に影響を与える環境要因を考慮します。

デバイスはまだ完全なキャリブレーションを経ていませんが、メーカーデータシートから予備データを抽出して汚染物質濃度を推定しています。低コストセンサーは精度に大きなばらつきがあるため、既知ガス濃度によるキャリブレーションが信頼性のある結果には不可欠です。

ステップ1：材料

制御と電源

• Arduino Uno
• 5V電源
• RGB 16×2 LCDシールド

センサー

• Shinyei PPD42 粒子状物質検知器
• MQ-2 ガスセンサー
• MQ-9 ガスセンサー
• MiCS-2714 ガスセンサー (NO₂)
• MiCS-2614 ガスセンサー (O₃)
• Keyes DHT11 温湿度センサー

ボックスと組み立て

• 3Dプリンターへのアクセス
• はんだボード
• 5Vファン
• 10～15本 × 24ゲージワイヤー

ステップ2：全体回路図

上記の図は、汚染検知器に必要な完全な回路を示しています。ほとんどの接続は柔軟です。デジタルまたはアナログピンを再割り当てする必要がある場合は、付属のコードを調整するだけです。はんだボード用の詳細な回路図は後ほど示します。

ステップ3：粒子状物質センサー

微細および粗大粒子データを取得するため、2台のShinyei PPD42ダストセンサーを使用します。各センサーは2つのデジタル信号を出力します：1つは2.5µm未満の粒子用、もう1つはより大きな粒子用です。センサーは5V電源を受け、Arduinoのデジタル入力に接続します。フォトディテクターの出力は、粒子濃度と直接相関する低パルス占有率に変換されます。

Tracy Allen氏による包括的なリバースエンジニアリング分析はこちらで確認できます。

ステップ4：ガスセンサーサーキットボード

上記の図は、ガスセンサーと温湿度センサーを搭載するボードを示しています。物理的な形状は異なる場合がありますが、ピン配置と電力関係は同じです。表面実装デバイスにはPCBを推奨しますが、モジュール裏面への慎重な手はんだ付けも可能です。

ステップ5：オゾンとNO₂センサー

MiCS-2614とMiCS-2714表面実装センサーがそれぞれオゾンと二酸化窒素を検知します。センシング素子はピンGとK間の抵抗器（約10～20kΩ）です。別の加熱素子（約50～60Ω）がピンAとHを接続し、最適な動作温度を維持します。

PCBなしではんだ付けする場合は、低温はんだを使用し、細心の注意を払ってください。回路図では、MiCS-2614ヒーターに82Ω抵抗を直列に、MiCS-2714ヒーターに131Ω抵抗（または120Ω+12Ωの直列）を配置しています。センシング抵抗は22kΩ抵抗と分圧器を形成します：R_sen = 22kΩ × (5V / V_out – 1)。

ステップ6：MQ有毒ガスセンサー

MQ-2とMQ-9ユニットはプロパン、ブタン、LPG、一酸化炭素を測定します。MiCSセンサーと同様に、SnO₂ベースのガス感応抵抗と内部ヒーターを使用します。MQ-9はトランジスタでヒーター電力を制御し、MQ-2は固定抵抗を使用します。

はんだボード回路図の正確なピン接続を参照してください：MQ-2の場合、ピンAを5V、ピンGをグランド、ピンSを47kΩ抵抗経由でグランドに接続；MQ-9の場合、ピンAをトランジスタ、ピンBを5V、ピンGをグランド、ピンSを10kΩ抵抗経由でグランドに接続。

ステップ7：温湿度センサー

DHT11センサーは温度と湿度の両方を測定し、これらはガスセンサー読み取り値に大きく影響します。左ピンを5V、中央ピンをデジタルArduinoピン（コードではデフォルトでポート2）、右ピンをグランドに接続してマウントします。別のピンを使用する場合はコードを調整してください。

ステップ8：電源とファン

アセンブリ全体には単一の5V電源のみが必要で、一般的なUSBまたは壁面アダプターで供給可能です。5Vファンがエンクロージャー内の適切な気流を確保し、センサーの過熱を防ぎます。

ステップ9：容器

UP 3Dプリンターを使用してエンクロージャーを製作しました。最終プリントに使用したSTLファイルはダウンロード可能です。

ステップ10：コーディング

提供されるArduinoスケッチは、すべてのセンサーから生データを読み取り、センサー抵抗値、Shinyei低パルス占有率、温湿度読み取り値をシリアルモニターに出力し、これらの値をLCD画面で循環表示します。

コンパイル前に必要なライブラリをダウンロード：LCDシールドライブラリとDHTセンサーライブラリ。

ステップ11：データの解釈

現在、生センサー出力を行動可能な汚染物質濃度に変換するアルゴリズムを改良中です。精度のためには、既知の参照ソースによるキャリブレーションが不可欠です。

粒子状物質については、David Holstius氏の研究を用いてShinyei PPD42出力をEPA測定値と相関付けました：
PM₂.₅ = 5 + 5 × (低パルス占有率%)。

ガスセンサー抵抗は、データシートに提供される曲線を用いて解釈します。MQユニットの場合、ベースラインの50%未満への抵抗低下が対象ガスの存在を示唆し、10%未満への低下は規制限界に近い1,000ppm濃度を示します。

おおよその濃度が導き出されたら、EPA技術文書とCDCガイドラインを参照して健康リスクを文脈化します。

完全な解釈コードはキャリブレーション完了後に公開予定です。

出典: Air Pollution Detector