لقد زاد الاهتمام بأجهزة استشعار جودة الهواء واكتشاف المركبات العضوية المتطايرة (VOC) بشكل كبير في السنوات الأخيرة، مدفوعًا بالمخاوف بشأن الصحة والرفاهية في البيئات الداخلية. على وجه التحديد، أثبتت طرازات SGP30 وCCS811 نفسها كمعايير في مشاريع الأتمتة المنزلية، ومحطات الطقس المنزلية، ومراقبة البيئة، والإلكترونيات التعليمية.
ومع ذلك، هناك نقص كبير في المعلومات المتاحة والواضحة والمفيدة حقًا والتي تشرح وتقارن وتساعدك على اتخاذ خيارات مستنيرة بين المستشعرين.
في هذه المقالة، نقدم لك المعلومات الأكثر شمولاً وموثوقية وحداثة حول مستشعرات VOC SGP30 وCCS811. ستكتشف كيفية عملها، وميزاتها الفريدة، وتطبيقاتها العملية، ونصائح الاستخدام، والجوانب الفنية، والتفاصيل التي لا توجد عادةً في أوصاف المتاجر الأساسية. إذا كنت تبحث عن دليل مفصل للحصول على أقصى استفادة من قياس جودة الهواء، فهذا هو المكان المناسب لك...
لماذا يجب قياس المركبات العضوية المتطايرة وeCO2 في الأماكن المغلقة؟
غالبًا ما يرتبط وجود المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) في البيئات المغلقة بالسجاد والأثاث ومنتجات التنظيف والمواقد والدخان والعناصر المنزلية الأخرى. هذه المواد، على الرغم من أنها تبدو غير ضارة، يمكن أن تؤثر على صحة الإنسان على المدى الطويل، مما يسبب مشاكل في الجهاز التنفسي، والحساسية، أو الصداع.
يعد قياس مستويات مكافئ ثاني أكسيد الكربون (eCO2) والمركبات العضوية المتطايرة (TVOC) أمرًا ضروريًا لاتخاذ القرارات بشأن التهوية وتجديد الهواء وتحسين الراحة البيئية.
تقديم أجهزة الاستشعار SGP30 وCCS811
تعد أجهزة الاستشعار الرقمية SGP30 وCCS811 قادرة على قياس تركيزات المركبات العضوية المتطايرة وتوفير تقدير لثاني أكسيد الكربون، مما يسهل مراقبة جودة الهواء الداخلي في المشاريع الإلكترونية وإنترنت الأشياء. يتم تصنيع كلا النموذجين بواسطة شركات معروفة (Sensirion لـ SGP30 وAMS لـ CCS811) ومتوافقان مع أي متحكم حديث تقريبًا بفضل واجهاتهما الرقمية.
- SGP30: مستشعر متعدد البكسلات متكامل بالكامل، مع تقنية MOX (أكسيد المعدن) ووحدة التحكم الدقيقة الخاصة به. يتم استخدامه على نطاق واسع لدقته وسهولة التكامل.
- CCS811: مستشعر رقمي بتقنية MOX وتقدير انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، يستخدم على نطاق واسع في الأنظمة منخفضة الاستهلاك مع نسبة جودة/سعر ممتازة.
التشغيل والتكنولوجيا الأساسية
يستخدم كلا المستشعرين تقنية MOX، التي تتكون من شريحة صغيرة مطلية بمادة أكسيد معدني (عادة ثاني أكسيد القصدير). عندما تتلامس المركبات العضوية المتطايرة الموجودة في الهواء مع السطح النشط، فإنها تغير مقاومته الكهربائية، مما يسمح باستنتاج تركيز المركبات الموجودة.
تتميز SGP30 بقدرتها على دمج عناصر استشعار متعددة في حزمة واحدة. وهذا يمنحك قدرة أكبر على تحديد الاتجاهات ومقارنة جودة الهواء بطريقة أكثر استقرارًا. من ناحية أخرى، يستخدم CCS811 مبدأ قياس مماثل وهو قادر على إرجاع قراءات TVOC وeCO2 بدقة، على الرغم من بعض القيود مقارنةً بـ SGP30.
الميزات التقنية الرئيسية لـ SGP30
- رقمي بالكامل، اتصال I2C، متوافق مع 3.3 فولت و5 فولت.
- دقة القياس النموذجية 15% عند القيم الموضحة.
- قادرة على اكتشاف تركيزات ثاني أكسيد الكربون من 2 إلى 0 جزء في المليون.
- قياس TVOC من 0 إلى 60.000 جزء في المليار.
- لا يتطلب تمديد ساعة I2C، مما يسهل التواصل مع المتحكمات الدقيقة الأساسية.
- يتضمن متحكمًا داخليًا التي تدير التغذية والحساب والتعويض للقياسات.
- يسمح بالمعايرة بناءً على المصادر المعروفة، مما يسمح بالحصول على قيم أكثر موثوقية على المدى الطويل.
- يوفر تعويض الرطوبة لضبط القراءات بدقة، مما يتطلب مستشعر رطوبة نسبية خارجي.
وتتمثل إحدى التفاصيل المهمة في أن قياس eCO2، سواء في هذا المستشعر أو في CCS811، هو تقدير يعتمد في المقام الأول على تركيز الهيدروجين (H2) المكتشف. وهذا يعني أنه ليس قياسًا مباشرًا لثاني أكسيد الكربون، بل هو قيمة محسوبة يمكن استخدامها لمراقبة الاتجاهات البيئية ومقارنتها، ولكنها غير مناسبة للاستخدام المختبري أو البحث الدقيق.
مزايا وتطبيقات SGP30
- موثوقية القياس واستقراره بفضل بنيته متعددة المستشعرات.
- مثالي لمراقبة جودة الهواء في المنازل والمكاتب ومقصورات المدارس والمختبرات وما إلى ذلك.
- يستخدم على نطاق واسع في أنظمة الأتمتة المنزلية ومحطات الطقس DIY.
- التكامل السهل مع منصات مثل Arduino وESP32 وRaspberry Pi وما شابه ذلك.
- مكتبات البرامج متاحة لمعظم اللغات.
- يتضمن الرسم التخطيطي وأمثلة الاتصال والدعم على المنصات الفنية.
الاختلافات الرئيسية بين SGP30 وCCS811
على الرغم من أن كلا المستشعرين يتشاركان نفس المبدأ الأساسي، إلا أن هناك بعض الاختلافات المهمة التي يجب وضعها في الاعتبار عند اختيار المستشعر الذي تريد تنفيذه في مشروعك:
- لا يتطلب SGP30 إشارات تمديد الساعة.، وهي ميزة تعمل على تبسيط الاتصالات مع المتحكمات الدقيقة التي لا تدعم هذا النوع من الاتصالات بشكل كبير.
- قد يتطلب CCS811 بعض الاعتبارات المتعلقة بالأجهزة الإضافية لضمان اتصال I2C مستقر. سواء كنت تستخدم لوحات أساسية أو أنظمة بسيطة.
- من حيث الدقة، يقدم كلا المستشعرين قيمًا إرشادية ولكن موثوقة لمراقبة البيئة.، مع تقدم SGP30 قليلاً في الاستقرار وسهولة المعايرة بفضل المتحكم الداخلي الخاص به.
- في كلتا الحالتين، يتم حساب مرجع ثاني أكسيد الكربون الإلكتروني ولا يتوافق مع قياس ثاني أكسيد الكربون الفعلي. بناءً على أجهزة استشعار بصرية أو كيميائية خاصة بهذا الغاز.
نطاقات القياس والمعايرة
يوفر كلا المستشعرين قيمًا تفصيلية لـ TVOC (بالأجزاء في المليار) وeCO2 (بالأجزاء في المليون). يتراوح النطاق النموذجي لكليهما بين 0 و60.000، على الرغم من أنه في البيئات المنزلية والمكتبية النموذجية، غالبًا ما يتم تسجيل قيم TVOC أقل بكثير من 1.000 جزء في المليار وتتراوح قيم eCO2 بين 400 و2.000 جزء في المليون.
ولتحقيق أقصى قدر من الدقة، خاصة إذا تم استخدامه للدراسات البيئية، فمن الضروري معايرة المستشعر باستخدام مصادر معروفة. يقوم هذا المعايرة بالتعويض عن الانحرافات الصغيرة المرتبطة بعملية التصنيع وشيخوخة المستشعر.
تكامل المشروع وتوافقه
تم دمج كل من SGP30 وCCS811 في لوحات التطوير من العلامات التجارية الشهيرة مثل Adafruit وSparkFun وغيرها، مما يجعل دمجها في مشاريع DIY أسهل. يتم تركيبها عادة على لوحات دوائر مطبوعة صغيرة تتضمن منظم جهد ومحول مستوى منطقي، مما يسمح بالاتصال المباشر بأجهزة تحكم دقيقة 3.3 فولت أو 5 فولت.
تم اختيار بروتوكول I2C لكلا المستشعرين، مما يضمن التوافق مع أي منصة حالية تقريبًا. بالإضافة إلى ذلك، تضمن المجتمعات الكبيرة المحيطة بهم مكتبات جاهزة للاستخدام وأمثلة أكواد، بالإضافة إلى مخططات إلكترونية وموارد تعليمية على منصات مثل GitHub أو Fritzing.
مزايا تعويض الرطوبة
هناك جانب يتم تجاهله في كثير من الأحيان، ولكنه ذو أهمية كبيرة، وهو تأثير الرطوبة المحيطة على قياسات المركبات العضوية المتطايرة. لتحقيق أعلى دقة ممكنة، يسمح SGP30 بتعيين تعويض الرطوبة عن طريق إرسال قيم %RH (الرطوبة النسبية) عبر ناقل I2C.
بهذه الطريقة، إذا كان لديك مستشعر رطوبة إضافي، يمكنك ضبط القياسات وتقليل الأخطاء الناجمة عن التغيرات في الغلاف الجوي.
القيود وممارسات الاستخدام الجيدة
من المهم أن نتذكر أن أجهزة استشعار MOX، على الرغم من كونها ممتازة لتحديد الاتجاهات وقياس الأداء، إلا أنها تظهر بعض التنوع في القياسات. ولذلك، بالنسبة للاستخدامات الحرجة، فإن المعايرة الدورية ضرورية، وإذا كان الهدف هو مراقبة جودة الهواء على المستوى العلمي أو التنظيمي، فيجب استخدام أجهزة استشعار بصرية مخصصة خصيصًا لقياس ثاني أكسيد الكربون.
ومع ذلك، بالنسبة للغالبية العظمى من تطبيقات التحكم في المنازل والتعليم والبيئة، يقدم كل من SGP30 وCCS811 حلاً عمليًا وفعّالاً من حيث التكلفة وسهل الوصول إليه. استهلاكها للطاقة ضئيل ويمكنها العمل على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع مع الحد الأدنى من متطلبات الصيانة.
الوثائق والموارد المتاحة
ومن بين نقاط القوة العظيمة لهذه المستشعرات هو التوثيق الواسع النطاق المتاح لها. من أدلة الاتصال، والأدلة خطوة بخطوة، والأمثلة في لغات البرمجة المختلفة، إلى الموارد مثل Fritzing أو EagleCAD لإنشاء PCB الخاص بك. لقد عملت العلامات التجارية مثل Adafruit وSparkFun بجهد لجعل النظام البيئي أسهل في الاستخدام، من خلال توفير البرامج التعليمية ومنتديات الدعم ومقاطع الفيديو التوضيحية.
تتيح لك المكتبات المتوفرة لـ Arduino، وESP8266، وESP32، وMicroPython، وما إلى ذلك، الاستفادة من المستشعر عمليًا منذ الدقيقة الأولى، مع أمثلة للقياس في الوقت الفعلي، وتسجيل البيانات، والعرض الرسومي. كل هذا يسمح للمبتدئين والخبراء على حد سواء بتطوير مشاريعهم بسرعة دون استثمار الكثير من الوقت في التكوينات التقنية.
لمن يوصى بهذه المستشعرات؟
تعتبر هذه المستشعرات مثالية لمحبي الإلكترونيات، والمُصنّعين، والطلاب، والمعلمين، وحتى المتخصصين في الهندسة البيئية الذين يبحثون عن حل بسيط لمراقبة الاتجاهات والاختلافات في جودة الهواء الداخلي. كما أنها مثالية إذا كنت تريد دمج نظام تنبيه (على سبيل المثال، للتحكم في التهوية التلقائية)، أو تسجيل البيانات البيئية، أو إجراء دراسات في الفصول الدراسية، أو مراقبة الجو في المكتب.
بفضل حجمها الصغير وسهولة استخدامها، يمكن تركيبها بشكل سري في أي مكان، بدءًا من صندوق إلكترونيات وحتى حاوية مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. ونظرا لتكلفتها المنخفضة، فمن الممكن تركيب عدة أجهزة استشعار في نقاط مختلفة في المنزل أو المكتب أو الشركة للحصول على خريطة بيئية كاملة.
اختيار المستشعر المثالي لمشروعك
على الرغم من أن كلا المستشعرين أكثر من كافيين لمعظم المشاريع، فإن اختيار المستشعر الأنسب يعتمد على عدة عوامل:
- سهولة وقوة التكامل: غالبًا ما يتم تفضيل SGP30 في المشاريع التي تتطلب الحد الأقصى من الموثوقية ولا ترغب في حدوث مضاعفات مع I2C.
- التوفر والتكلفة: تتمتع CCS811 بشعبية كبيرة نظرًا لنسبة السعر إلى الأداء الجيدة والعدد الكبير من اللوحات الأم المتوافقة المتوفرة في السوق.
- احتياجات الدقة والمعايرة: إذا كنت تبحث عن أقصى قدر من الدقة والقدرة على التعويض عن التأثيرات البيئية، فإن SGP30 يتفوق على CCS811.
يمكن أن يتعايش كلا المستشعرين بشكل مثالي في نفس النظام، والاستفادة من نقاط القوة في كل منهما لإجراء دراسات مقارنة أو عمليات تحقق متبادلة.
وفي نهاية المطاف، نجح كل من SGP30 وCCS811 في إضفاء الطابع الديمقراطي على إمكانية الوصول إلى مراقبة جودة الهواء، مما يسهل المشاريع التي لا تعمل على تحسين الراحة فحسب، بل يمكن أن يكون لها أيضًا تأثير إيجابي على الصحة على المدى الطويل. إن فهم ميزاته وقيوده وقدراته هو المفتاح لتحقيق أقصى استفادة منه، والآن لديك كل المعلومات التي تحتاجها لاختيار ودمج النموذج الذي يناسبك بشكل أفضل.
