Luftdaten selber messen mit der Citizen Sience Lösung von luftdaten.info
Die Idee hinter dieser Lösung ist es, ein möglich flächiges Netz von Luftdatensensoren über die Welt zu ziehen, aufgebaut und betrieben von Privatpersonen und freiwilligen Einrichtungen auf Basis einen quelloffenen Projektes. Die Beschreibung der Idee sowie die genaue Bauanleitung können direkt unter luftdaten.info abgerufen werden. Ich beschreibe hier lediglich kurz, wie ich in meinem speziellen Fall vorgegangen bin.
Die Lösung basiert auf dem Sensor SDS011, der als geschlossene Einheit Feinstaub mit 2,5um (PM2,5) und 10um (PM10) messen kann. Es handelt sich um kleinste Staubpartikel, die durch Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren, Reifenabrieb, Heizungen und sonstige Belastungen in die Umwelt gelangen. Für das Auge unsichtbar, können diese Partikel durch Einatmen in die Lunge gelangen. Aufgrund ihrer Größe können Sie dort aber nicht abgebaut werden, verbleiben über viele Jahre an ihrer Stelle und können zu Herz-Kreislauferkrankungen, asthmatische Atemwegserkrankungen bis hin zu Krebs führen (Wikipedia).
Die Bauteile
- Aufputzschaltdose IP65 12cm x 12cm als Gehäuse (anstatt der Rohre gemäß der original Bauanleitung)
- NodeMCU ESP8266 als Arduino-kompatibler Mikrocontroller inkl. WLAN Modul auf Basis des ESP8266 Chips
- SDS011 Feinstaubsensor
- DHT22 Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensor
- Diverse Kabel zur Verbindung, Kabelbinder
- Luftschlauch 6mm Innendurchmesser
- USB Netzteil 5V
Ich habe die Bauteile teilweise bei Amazon bestellt - siehe links. Aber man kann sie auch kostengünstiger direkt aus China und zur gleichen Qualität bestellen. Da lohnt sich eine Suche, wenn man die Geduld hat auf den Versand zu warten.
Die Montage
Bei der Wahl des Gehäuses bin ich von der Empfehlung abgewichen, zwei HT-Rohr-Winkel zu nehmen. Das wäre zwar einfacher gewesen, aber für meinen Geschmack nicht kompakt genug und optisch nicht kompatibel zum Ort, wo ich den Sensor montieren wollte. Stattdessen habe ich mit für eine Aufputzdose für die Elektroinstallation entschieden.
Dort ist genug Platz und diese Dose lässt sich besser verstauen. Zur Montage des SDS011 Sensors habe ich in das Gehäuse entsprechende Platinenabstandshalter aus Kunststoff eingeklebt (rote Kreise). Das ist wichtig, weil der SDS011 Feinstaubsensor zur Messung der Werte eine Luftströmung erzeugt und deshalb die Öffnungen nicht vom Gehäuse verdeckt sein dürfen. Für die Montage des ESP8022 Boards an der Seitenwand wurden weitere Abstandshalter eingeklebt (grüne Kreise).
Das Gehäuse wurde an zwei nebeneinander liegenden Stellen geöffnet und mit Kabeleinführungsmuffen ausgestattet. Wenn der Deckel später auf dem Gehäuse liegt, wird es luft- und wasserdicht verschlossen sein. Die beiden Kabeldurchführungen dienen zum Einlassen der Ansaugluft über den 6mm Schlauch (rechts) und zum Auslassen der Luft nach dem Durchströmen des Sensors (links). Auf dieser Seite werden auch die Kabel für den Temperatur-Sensor und die Stromversorgung nach außen geführt. Ich habe mich entschieden, den Temperaturfühler nicht ins Gehäuse zu nehmen, damit dort die Temperaturwerte nicht durch die Betriebswärme der Bauteile verfälscht werden.
Für die nächsten Schritte empfehle ich als Lektüre die original Bauanleitung bei luftdaten.info.
- Einspielen der Firmware über die Arduino Entwicklungsumgebung
- Konfiguration des Sensors inkl. Einbindung ins WLAN und Registrierung bei luftdaten.info
Zur Verschaltung der elektronischen Bauteile zeige ich hier den original-Schaltplan.
Quelle: luftdaten.info
Auf der Homepage gibt es auch weitere Tutorials und Videos für diejenigen, die beim Bau einer elektronischen Schaltung noch unsicher sind.
Als finalen Aufstellort habe ich mich für die Montage am Regenfallrohr unseres Hauses direkt neben der Haustüre entschieden. Dadurch messe ich den Feinstaub an der Stelle, die man täglich betritt. Der Sensor hängt in ca. 2 Meter Höhe, damit er nicht durch vorbeilaufende Passanten zu offensichtlich erfasst und beschädigt wird. Außerdem konnte ich das Stromversorgungskabel gut hinter dem Regenrohr verstecken und zu einer Steckdose in der Nähe führen.
Die Integration in mein Smart Home über den itemManager
Der Feinstaubsensor kann nun über verschiedene Wege angesprochen werden:
- Er hat ein eigenes User-Interface, auf das man mit einem Browser zugreifen kann. Dazu ruft man im Browser einfach die IP-Adresse des Sensors auf. Diese kann man zum Beispiel über den Router ermitteln.
- Wenn man den Sensor wie vorgesehen bei luftdaten.ino registriert, sendet er zyklisch seine Daten an deren Server. Dort werden sie anonym abgelegt und können für private wie auch wissenschaftliche Zwecke offen eingesehen werden. Dazu betreibt die Institution eine weltweite Landkarte.
- Der Sensor hat auch eine REST-Schnittstelle, über die man die Daten im lokalen Netz anziehen kann.
Über diese REST-Schnittstelle ziehe ich die Daten auch in meinen itemManager bei hundhome. Dazu habe ich ein neues Modul gebaut, welches sich mit dem Sensor verbindet.
Als Datenpunkte habe ich vier Werte:
- Der gemessene Feinstaubanteil für 2,5um Partikel
- Der gemessene Feinstaubanteil für 10um PArtikel
- Die gemessene Temperatur
- die gemessene Luftfeuchtigkeit
Die Messergebnisse
Das folgende Bild zeigt beispielhaft eine Messung über mehrere Tage.
Man sieht, dass die Werte durchaus über mehrere Tage schwanken. Besonders auffällig ist, dass im Winter die Werte höher steigen im Vergleich zum Sommer. Das liegt an dem Feinstaub, der durch die Heizungen der Wohngebäude entstehen. Weiter erkennt man, dass trotzdem an einigen Tagen die Werte sinken. Das ist in dem Fall dadurch begründet, dass es windig war und dadurch der Feinstaub schneller in die weitere Atmosphäre getragen wird. Im Bild bleiben die Messwerte unter den in Deutschland festgelegten Grenzwerten von 20ug/m^3 (PM2,5 ab 2020) bzw. 40ug/m^3 (PM10 ab 2020). Aber gerade an windstillen Wintertagen lassen sich Werte bis zu 400ug/m^3 messen.