RAKwireless Air Quality Node

Air quality is an essential issue in times of Corona and especially then. We have lower risks of infections during the summer, but we already get various prognoses for the following autumn and winter again.
Pollutants include fine dust, asbestos, Formaldehyde, PCB, radon, cleaning agents, mold, dust, tobacco smoke, VOCs (volatile organic compounds), and CO₂, which affect indoor air quality.
The proportion of carbon dioxide in the air we breathe today is approximately 415 ppm (corresponds to 0.04% of the air). The air breathed out by a person has a CO₂ content of around 40,000 ppm. Accordingly, in unventilated bedrooms, fully occupied classrooms, or meeting rooms, we can quickly measure up to 5,000 ppm. These high CO₂ concentrations harm attention, performance, and health in general.
NDIR sensors (non-dispersive infrared sensors) use the concentration-dependent absorption of electromagnetic radiation in the infrared range. At a wavelength of 4.3 μm, there is maximum absorption of CO₂ without much influence from other gases.
The CO₂ concentration can therefore be measured very selectively.
With MOX sensors, the gas flowing past causes a change in a gas-sensitive metal oxide layer (MOX). This change in resistance is thus a measure of the concentration of volatile organic components (VOC) recorded in their entirety and cannot be dissolved into a particular substance. The broadband VOC-measuring MOX sensors detect a spectrum of substances hazardous to health in specific concentrations.
Here I would only like to deal with the measured values of CO₂ and VOC recorded by the two sensor variants mentioned above, as these represent the dominant topic in the current situation of COVID-19 and are used in so-called CO2 traffic lights.
I am sure that you know that aerosols mainly transmit coronaviruses. Suppose we use the CO2 concentration as a measure of the air quality. Then we have a good indication of the air quality pollution by the air breathed out by the people present and the risk of infection from viruses transmitted via the aerosols.
Suppose we use more broadband measures of MOX sensors to measure the air quality. In that case, we have a good indication of air quality pollution by various pollutants, including human vapors and odors.
In an extensive study, I examined the behavior of NDIR and MOX sensors when measuring air quality. Sorry, the text is German, but the following graphic shows an important result.

Die Luftqualität ist in Zeiten von Corona und besonders dann ein wichtiges Thema. Im Sommer haben wir ein geringeres Infektionsrisiko, aber für den folgenden Herbst und Winter gibt es bereits wieder verschiedene Prognosen.
Zu den Schadstoffen gehören Feinstaub, Asbest, Formaldehyd, PCB, Radon, Reinigungsmittel, Schimmel, Staub, Tabakrauch, VOC (flüchtige organische Verbindungen) und CO₂, die die Luftqualität in Innenräumen beeinträchtigen.
Der Anteil von Kohlendioxid in der Luft, die wir heute einatmen, beträgt etwa 415 ppm (entspricht 0,04 % der Luft). Die von einem Menschen ausgeatmete Luft hat einen CO₂-Gehalt von etwa 40.000 ppm. In ungelüfteten Schlafzimmern, voll besetzten Klassenzimmern oder Besprechungsräumen können wir daher schnell bis zu 5.000 ppm messen. Diese hohen CO₂-Konzentrationen beeinträchtigen die Aufmerksamkeit, die Leistungsfähigkeit und die Gesundheit im Allgemeinen.
NDIR-Sensoren (non-dispersive infrared sensors) nutzen die konzentrationsabhängige Absorption elektromagnetischer Strahlung im Infrarotbereich. Bei einer Wellenlänge von 4,3 μm ist die Absorption von CO₂ am höchsten, ohne dass andere Gase einen großen Einfluss haben. Die CO₂-Konzentration kann daher sehr selektiv gemessen werden.
Bei MOX-Sensoren bewirkt das vorbeiströmende Gas eine Veränderung einer gasempfindlichen Metalloxidschicht (MOX). Diese Widerstandsänderung ist somit ein Maß für die Konzentration der flüchtigen organischen Bestandteile (VOC), die in ihrer Gesamtheit erfasst und nicht in eine bestimmte Substanz aufgelöst werden können. Die breitbandigen VOC-messenden MOX-Sensoren detektieren ein Spektrum von gesundheitsgefährdenden Stoffen in bestimmten Konzentrationen.
Ich möchte hier nur auf die Messwerte von CO₂ und VOC eingehen, die von den beiden oben genannten Sensorvarianten erfasst werden, da diese in der aktuellen Situation von COVID-19 das beherrschende Thema darstellen und in sogenannten CO2-Ampeln eingesetzt werden.
Sie wissen sicher, dass Coronaviren hauptsächlich über Aerosole übertragen werden. Nehmen wir an, wir verwenden die CO2-Konzentration als Maß für die Luftqualität. Dann haben wir einen guten Anhaltspunkt für die Luftverschmutzung durch die von den anwesenden Personen ausgeatmete Luft und das Risiko einer Infektion durch Viren, die über die Aerosole übertragen werden.
Angenommen, wir verwenden breitbandigere MOX-Sensoren zur Messung der Luftqualität. In diesem Fall haben wir einen guten Hinweis auf die Verschmutzung der Luftqualität durch verschiedene Schadstoffe, einschließlich menschlicher Dämpfe und Gerüche.
In einer umfangreichen Studie habe ich das Verhalten von NDIR- und MOX-Sensoren bei der Messung der Luftqualität untersucht.

In one of the experiments, I measured with two CO₂ sensors and one MOX sensor.
The CO₂ sensors used were SCD30 (NDIR) and SCD41 (PASense), developed by the Swiss company Sensirion. The MOX sensor was an SGP30, also from Sensirion.
Because there were no additional substances in addition to the human vapors, the measured values of the MOX sensor SGP30 also follow the two CO₂ sensors SCD30 and SCD41.
The air quality measurement with the more cost-effective MOX sensors shows results comparable to the pure CO₂ concentration everywhere where the breathing air and human vapors dominate. Deviations occur in polluted environments (e.g.,
with formaldehyde), but this general problem requires a separate solution.
RAKwireless WisBlock offers all required components to build an Air Quality Node.

In einem der Experimente habe ich mit zwei CO₂-Sensoren und einem MOX-Sensor gemessen.
Bei den verwendeten CO₂-Sensoren handelte es sich um den SCD30 (NDIR) und den SCD41 (PASense), die von der Schweizer Firma Sensirion entwickelt wurden. Der MOX-Sensor war ein SGP30, ebenfalls von Sensirion.
Da neben den menschlichen Ausdünstungen keine weiteren Stoffe vorhanden waren, folgen die Messwerte des MOX-Sensors SGP30 auch denen der beiden CO₂-Sensoren SCD30 und SCD41.
Die Luftqualitätsmessung mit den kostengünstigeren MOX-Sensoren zeigt überall dort, wo die Atemluft und die menschlichen Ausdünstungen dominieren, mit der reinen CO₂-Konzentration vergleichbare Ergebnisse. Abweichungen treten in verschmutzten Umgebungen (z.B., mit Formaldehyd) auf, aber dieses generelle Problem erfordert eine separate Lösung.
RAKwireless WisBlock bietet alle erforderlichen Komponenten für den Aufbau eines Luftqualitätsknotens.

From the hardware side, there are some issues:
– I had to change the orientation of the base due to the used core. Therefore, I cannot use all screws for fixing the baseboard RAK19007.
– The USB Type C needs more room than the enclosure offers. Therefore, powering via USB is impossible, and I power the device via the solar connector and 5 V DC.

The following libraries support the sensors and the RGB LED:

Was die Hardware betrifft, so gibt es einige Probleme:
– Ich musste die Ausrichtung des Baseboards aufgrund des verwendeten CPU-Moduls ändern. Daher kann ich nicht alle Schrauben zur Befestigung des Baseboards RAK19007 verwenden.
– Der USB Typ C benötigt mehr Platz als das Gehäuse bietet. Daher ist eine Stromversorgung über USB nicht möglich, und ich versorge das Gerät über den Solaranschluss und 5 V DC.

Die folgenden Bibliotheken unterstützen die Sensoren und die RGB-LED:

For SGP40, there are different libraries available. I want to use the VOC index (iVOC) supported by the Sparkfun library above.
The color of the RGB LED signalizes different ranges of iVOC as defined in the following note from Sensirion.
In my program RAK11200_sensors.ino, the iVOC controls the color of the LED inside the enclosure. The four images of the RAKBox-B3 Enclosure show the signalization of the iVOC ranges:

Für SGP40 gibt es verschiedene Bibliotheken. Ich möchte den VOC-Index (iVOC) verwenden, der von der obigen Sparkfun-Bibliothek unterstützt wird.
Die Farbe der RGB-LED signalisiert verschiedene Bereiche von iVOC, wie in der folgenden Notiz von Sensirion definiert.
In meinem Programm RAK11200_sensors.ino steuert der iVOC die Farbe der LED im Inneren des Gehäuses. Die vier Bilder des RAKBox-B3-Gehäuses zeigen die Signalisierung der iVOC-Bereiche:

Additionally, the Air Quality Node sends messages to WhatsApp, signalizing the need for ventilation or not.
This way, you will have a visual signalization of the air quality near the Air Quality Node and a message about the need for ventilation on your smartphone everywhere.

Außerdem sendet der Luftqualitätsknoten Nachrichten an WhatsApp, die signalisieren, ob
gelüftet werden muss oder nicht.
Auf diese Weise haben Sie eine visuelle Signalisierung der Luftqualität in der Nähe des Air Quality Node und eine Nachricht über die Notwendigkeit des Lüftens auf Ihrem Smartphone überall.

WiFi is used for the HTTP POST request to send
messages to Whatsapp.

For communication, RAKwireless offers BLE, and LoRaWAN as alternative solutions.

Adding a relay can control a ventilator depending on
the iVOC.

WiFi wird für die HTTP POST-Anfrage zum Senden von Nachrichten an Whatsapp.

Für die Kommunikation bietet RAKwireless BLE und LoRaWAN als alternative Lösungen an.

Das Hinzufügen eines Relais kann einen Ventilator in Abhängigkeit vom iVOC steuern.

As an alternative to the hardware used here RAKwireless offers the Air Quality Kit based on Bosch BME680.

Als Alternative zu der hier verwendeten Hardware bietet RAKwireless das Air Quality Kit auf Basis des Bosch BME680 an.