Dust sensor設置メモ

2021年9月15日2021年9月16日

ハウスダスト気になる

もともとハウスダストに弱く、一時期咳が本当にひどかったので、
埃を計測しようと軽い気持ちでやりました.
なお、コロってはいません。
どうせなら便利な代物があるだろうと思い、千石に出向いてPPD42NS購入しました。
下記はヨドバシですが、お値段1980と少々高め。まぁ普通の３軸とかに比べれば大したことはない。

センサーの仕様

こちらはseeed technology というメーカーが作っていて、公式サイトに製品紹介・使い方とか色々乗ってる
センサーは6軸とかしか使ったことないので、少し新鮮な気持ち。大きいし実感だけはある。
そこによると、、、

タバコ煙濃度や室内の粉塵濃度を敏感に正確に反映できます。
内蔵の空気加熱装置で自動的に空気を集めることができます。
メンテナンスは容易で、高感度は長持ちします。
アウトプットが二つあり、 1μm以上と、2.5μm以上の微粒子濃度を同時に出力できます。
軽便で、組み立ては簡単です
https://wiki.seeedstudio.com/jp/Grove-Dust_Sensor/

Grove-ダストセンサーは空気中粉塵濃度の測定によって、空気質を反映するモジュールです。
一定時間内のLowパルスの占有時間（Low Pulse Occupancy time:LPO time）によりParticulate Matterレベル(PMレベル)が分かります。PM濃度はLPO timeに正比例します。Grove-ダストセンサーは直径 1μmの微粒子までも検出でき、空気清浄機システムに信頼できるデータを提供できます。

調べたところ、ダストを測定する計測器は大きく２種類。Particle counter と粉じん計があるらしい。
仕組みは、こちらのように
①空気を吸ってトンネルに通す
②レーザで照射して
③射影で写った面積とる
④面積を電気信号に変換。
というかんたんな仕組み。

またレーザ照射方向をふやすことで、被測定物を捉える次元が上げるので、体積とか撮れるようになる！
両者の差分ですが、今回はそこまで深入りせず、
Particle counter：X個/(体積)
粉じん計：X mg/(体積)
という違いだけ抑えて、向き不向きは今回不問とします。
言い忘れましが、このセンサーはParticle counterです。

仕様書はこちらで大体1μmが測定粒度らしいです。
下記は真面目な別製品の比較表です。pm2.5は2.5μm以下らしいです。

更に仕様書をみると、こんなグラフたちがあります。解釈すると

DOWN( 0v) time = ホコリがある時間。これをLOPといい、30秒中の占有率で粉塵濃度がわかるよ
タバコの煙(とれないのでは？？)の粒子数(粉塵濃度)とLOPの関係グラフ。これを逆算したもんのはコード中に定義されている。　
- concentration = 1.1*pow(ratio,3)-3.8*pow(ratio,2)+520*ratio+0.62
- 粒子の種類に影響するのかはわからない

この分野に疎いのですが、pcs/ft3という単位で側庭するそうです。ftという単位に馴染みないので、一応補足

たぶんメーカーの公式だと思われるブログや公式に色々tipsがありました

暗い部屋でやろう。レーザー照射に影響出るよ
直立させてやろう。(たぶん空気を通過させるため)
ノイズがすごいので、平滑化しよう
抵抗につないだりすると敏感になるよ
扇風機回したり、30秒ではなくて15秒計測*2の平均とかとればより正確になるよ

Raspiにつないで計測してみる。

raspiへの接続ですが、公式見ると変換モジュールっぽいもの必用だと書いています
が、hi:4v, low:0ｖなので直でraspiにつないで問題なさそうです。高いし、、、、
データシートにも

1 : COMMON(GND)
2 : OUTPUT(P2)
3 : INPUT(5VDC 90mA)
4 : OUTPUT(P1)
5 : INPUT(T1)・・・FOR THRESHOLD FOR [P2]

で1,3必須で2,4,5は状況に応じてという感じ。P1はPM1用、P2は閾値設定できるらしいが、操作方法に記載がない？このあたりは時間あったら調べます。
raspiへの接続はかんたんにこんな感じにしました。配線はテキトーです。
本当はPPD42NSを基盤に直でつなげたかったのですが、
Connecterでいいのがなかったので、もとのコネクターを引っこ抜いて持ってたジャンプワイヤーでつなげた仕様です

早速計測を開始します。回したコードはこちら、単純に30秒ごとに計測。

mport RPi.GPIO as GPIO
import time
from datetime import datetime  as dt
import logging
import json
import sys

import logging
logger = logging.getLogger(__name__)

fmt = "[%(asctime)s][%(levelname)s] %(name)s :%(message)s"
logging.basicConfig(level=logging.DEBUG, format=fmt)

class ParticleCounter():

    def __init__(self,sampling_sec):
        self.sampling_sec = 30
        pass

    def set_pin_number(self, PIN=21):
        self.PIN = PIN
        GPIO.setmode(GPIO.BCM)
        GPIO.setup(self.PIN, GPIO.IN)
        GPIO.setwarnings(False)
                
    def particle_count(self, count_times=10):
        self.count_times = count_times
        logging.info("Start")
        for i in range(self.count_times):
            logging.info("Rev:{0}".format(i))
            low_pulse_time_rst = self.get_low_pulse_time()
            concentration_rst = self.get_concentration(low_pulse_time_rst['during_low'],low_pulse_time_rst['t_end'])
            low_pulse_time_rst.update(concentration_rst)
            logger.info(" Rst:{0}".format(low_pulse_time_rst['concentration']))
            self.write_data(low_pulse_time_rst)
            
    def get_low_pulse_time(self):
        t_start = time.time()
        during_low,t_current = 0,0
        while True:
            during_low += self.time_low()
            t_current = (time.time() - t_start)
            if (t_current  > self.sampling_sec):
                break
        return {'during_low':during_low, 't_start':t_start, 't_end':t_current}
    
    def get_concentration(self,during_low_sec, sampling_sec):
        ratio = 100*during_low_sec/sampling_sec;
        concentration = 1.1*pow(ratio,3)-3.8*pow(ratio,2)+520*ratio+0.62        
        return {'ratio':ratio, 'concentration':concentration}
    
    def write_data(self,dict_obj):
        # dict_obj['write_time'] = dt.now().strftime("%Y%m%d%H%M%s%Z")
        dict_obj['write_time'] = dt.now().strftime("%Y%m%d%H%M%S")
        with open('file.txt', 'a') as file:
            file.write(json.dumps(dict_obj))
            file.write(',\n')


    def time_low(self):     
        t_start = time.time()
        t_end = time.time()

        if GPIO.input(self.PIN) == 1:
            return 0.0
        
        while GPIO.input(self.PIN) == 0:
            t_end = time.time()

        return (t_end - t_start)

mport RPi.GPIO as GPIO

import time

from datetime import datetime as dt

import logging

import json

import sys

import logging

logger = logging.getLogger(__name__)

fmt = "[%(asctime)s][%(levelname)s] %(name)s :%(message)s"

logging.basicConfig(level=logging.DEBUG, format=fmt)

class ParticleCounter():

def __init__(self,sampling_sec):

self.sampling_sec = 30

pass

def set_pin_number(self, PIN=21):

self.PIN = PIN

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

GPIO.setup(self.PIN, GPIO.IN)

GPIO.setwarnings(False)

def particle_count(self, count_times=10):

self.count_times = count_times

logging.info("Start")

for i in range(self.count_times):

logging.info("Rev:{0}".format(i))

low_pulse_time_rst = self.get_low_pulse_time()

concentration_rst = self.get_concentration(low_pulse_time_rst['during_low'],low_pulse_time_rst['t_end'])

low_pulse_time_rst.update(concentration_rst)

logger.info(" Rst:{0}".format(low_pulse_time_rst['concentration']))

self.write_data(low_pulse_time_rst)

def get_low_pulse_time(self):

t_start = time.time()

during_low,t_current = 0,0

while True:

during_low += self.time_low()

t_current = (time.time() - t_start)

if (t_current > self.sampling_sec):

break

return {'during_low':during_low, 't_start':t_start, 't_end':t_current}

def get_concentration(self,during_low_sec, sampling_sec):

ratio = 100*during_low_sec/sampling_sec;

concentration = 1.1*pow(ratio,3)-3.8*pow(ratio,2)+520*ratio+0.62

return {'ratio':ratio, 'concentration':concentration}

def write_data(self,dict_obj):

# dict_obj['write_time'] = dt.now().strftime("%Y%m%d%H%M%s%Z")

dict_obj['write_time'] = dt.now().strftime("%Y%m%d%H%M%S")

with open('file.txt', 'a') as file:

file.write(json.dumps(dict_obj))

file.write(',\n')

def time_low(self):

t_start = time.time()

t_end = time.time()

if GPIO.input(self.PIN) == 1:

return 0.0

while GPIO.input(self.PIN) == 0:

t_end = time.time()

return (t_end - t_start)

計測時の天気はこちら。
また平日は基本出社で不在。土日は窓を開けっぱにしてますね。
洗濯物は基本部屋干し。11日深夜から12日まで干しっぱ

15日はこちら

7日間計測した結果

まず、生データはこちら。

やはりノイズやボラがすごいので平滑化で回避します。
20期移動平均→10分移動平均で見てみます。
長いように見えますが、そもそもホコリは動きが遅いだろうと推測し、長めに取った次第です

9/9の14時が異常ですので、拡大します。

いくつか思ったこと

深夜から14時に向かって上昇。9, 10, 11 が特に顕著
帰宅時間帯は比較的落ち着いている
休日の11,12は窓を開けていたが、特段変わらず
- 洗濯物の影響も特になし。その後12日も特段上昇傾向なし
家に帰ってきた。起床した。→一時的に急激な上昇する
- たとえば12日の12時〜14時は一時帰宅
- 他5時起き、8時起きが言われてみればわかる(ここは言いたくないので詳しく言わない)
- 22時近辺はアニメ見ながら飯食っているのでボラが大きい。
- →とはいえ、早朝ほどではない
天候は若干の影響のみ？
- 部屋は基本締め切り。今週は天気は良くなく、humidity > 70%は普通で湿度高め
- 晴れ日の10,15は１日を通して変動がほか日よりも少ない

あくまで自分ちに限定すると