CO2濃度測定で「眠気倍率」を可視化する

必要な部品と材料

部品	数量	備考
Andium Anduino WiFiシールド	1	Arduino Due/Zero用WiFiシールド
Arduino Due	1	またはArduino Zero
CO2センサー（Cozir NDIRタイプ）	1	UART接続、3.3V動作

使用ソフトウェア・サービス

• Arduino IDE
• Adafruit IO（データ可視化・MQTT）

このプロジェクトについて

動機

午後の会議で眠くなったり、講義中に欠伸が止まらなかった経験はありませんか？睡眠不足が原因と思いがちですが、実は換気不足によるCO2濃度上昇が眠気の原因かもしれません！

このNDIR（非分散型赤外線吸収）CO2センサーを使えば、正確なCO2濃度をUARTシリアルで簡単に読み取れます。従来のCO2センサーは消費電力が大きく、ランプのウォームアップに時間がかかりましたが、このセンサーはLEDと赤外線検出器を用い、3.3Vで平均1.5mA以下の超低消費電力を実現。光学分散技術などを駆使した印象的なデバイスです（詳細はCozirデータシート参照）。

セットアップ

必要なもの：

• Arduino DueまたはZero
• Anduino WiFiシールド
• Cozir CO2センサー
• ジャンパーワイヤー数本

接続はシンプル。センサーは10ピンありますが、使用するのは4線のみ。

Arduino Due接続：

• 3.3V → センサー 3V3
• GND → センサー GND
• Rx (DIO19) → センサー Tx
• Tx (DIO18) → センサー Rx

※UARTはクロス接続（Tx↔Rx）してください。DIO0/DIO1（Serial）はシリアルモニタ用に残すため、センサー通信にはSerial1を使用します（他のUARTでも可）。

※Arduinoを介さず直接センサーをテストする場合：PuTTY等で9600bps、8N1、CR+LF送信設定で接続可能。

重要：このセンサーは3.3V TTLレベルです。5V系マイコンから制御する場合はロジックレベルシフター必須。

センサーのキャリブレーション

キャリブレーション方法はいくつかあります。最良は既知濃度ガス（窒素ガス＝0ppm CO2）でゼロ点合わせ。手元にない場合は「外気（約450ppm）」で実用十分な精度でキャリブレーション可能です。

屋外で添付スケッチを動かし、calibrateFreshAir()のコメントを外して実行。これによりセンサーに'G'コマンドを送り、現在の環境を450ppm（標準外気濃度）として基準設定します。会議室・教室レベルの濃度差（1000ppm以上）を検知するには十分な精度です。

基本スケッチ（シリアルモニタ出力）

char buffer[20] = {0};
int c = 0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  while(!Serial);
  Serial1.begin(9600);
  while(!Serial1);
  Serial.println("Begin reading CO2 Levels");
  // setOperatingMode(CZR_STREAMING);
  // setOperatingMode(CZR_POLLING);
  // calibrateFreshAir(); // 初回のみ有効化
}

void loop() {
  delay(10000);
  c = Request("Z");
  Serial.print("CO2 : "); Serial.println(c);
  Serial.println();
}

int Request(char* s) {
  buffer[0] = '\0';
  int idx = 0;
  Command(s);
  delay(250);
  while(Serial1.available()) buffer[idx++] = Serial1.read();
  buffer[idx] = '\0';
  uint16_t rv = 0;
  switch(buffer[1]) {
    case 'T': rv = atoi(&buffer[5]); if(buffer[4]==1) rv+=1000; break;
    default: rv = atoi(&buffer[2]); break;
  }
  return rv;
}

void Command(char* s) {
  Serial1.print(s); Serial1.print("\r\n");
}

uint16_t calibrateFreshAir() { return Request("G"); }

void setOperatingMode(uint8_t mode) {
  sprintf(buffer, "K %u", mode);
  Command(buffer);
}

初回キャリブレーション後はcalibrateFreshAir()をコメントアウトし、ポーリングモード（setOperatingMode(CZR_POLLING)）で運用します。シリアルモニタにCO2値が表示されれば次のステップへ。

クラウド（Adafruit IO）へデータ送信

Adafruit IOとAnduino WiFiの接続方法はこちらの記事を参照。以下は1分ごとにCO2濃度をAdafruit IOへ送信し、Anduino LCDにも表示するスケッチです。

#include <WiFi101.h>
#include "Adafruit_MQTT.h"
#include "Adafruit_MQTT_Client.h"
#include "AnduinoLCD.h"

#define WLAN_SSID "YOUR_SSID"
#define WLAN_PASS "YOUR_PASSWD"
#define AIO_SERVER "io.adafruit.com"
#define AIO_SERVERPORT 1883
#define AIO_USERNAME "YOUR_AIO_USERNAME"
#define AIO_KEY "YOUR_AIO_KEY"

WiFiClient client;
Adafruit_MQTT_Client mqtt(&client, AIO_SERVER, AIO_SERVERPORT, AIO_USERNAME, AIO_KEY);
Adafruit_MQTT_Publish carbonDioxide = Adafruit_MQTT_Publish(&mqtt, AIO_USERNAME "/feeds/co2");
AnduinoLCD LCD = AnduinoLCD(ST7735_CS_PIN, ST7735_DC_PIN, 13);

static int co2 = 0, co2Prev = 0;
#define CZR_STREAMING 0x01
#define CZR_POLLING 0x02
char buffer[20] = {0};

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(3000);
  Serial1.begin(9600);
  connectToWiFi();
  connectToAdafruit();
  LCD.begin(); LCDinit();
  // setOperatingMode(CZR_POLLING);
  // calibrateFreshAir();
}

void loop() {
  if(!mqtt.ping(3)) { if(!mqtt.connected()) connect(); }
  
  co2 = Request("Z");
  char b[20]; String str = String(co2);
  for(int i=0;i<str.length();i++) b[i]=str.charAt(i);
  b[str.length()+1]=0;
  
  if(!carbonDioxide.publish((char*)b)) Serial.println(F("Failed to publish co2"));
  else { Serial.print(F("co2 published: ")); Serial.println(co2); displayCo2(co2, co2Prev); }
  
  Serial.print("CO2 : "); Serial.println(co2);
  co2Prev = co2;
  delay(60000);
}

// 以下、WiFi/MQTT接続、LCD表示、センサー通信関数は省略（元コード参照）

完成！

このセンサーは非常に高感度で、換気の良い部屋でも人数変化に伴うCO2濃度変化を捉えられます。「眠いのは微分方程式のせいじゃない、換気のせいだ！」と教授に証明できます。授業をビーチに移しましょう！

ライブラリ

Anduinoライブラリ： ArduinoをAndium Nodeに変えるライブラリ。GitHub