CO₂-Messung: Der „Müdigkeits-Faktor“ im Büro aufdecken

Benötigte Bauteile

Andium Anduino WiFi Shield	Für Arduino Due/Zero – WLAN & MQTT	1
Arduino Due	3,3 V Logik, mehrere UARTs	1
NDIR CO₂-Sensor (z. B. Cozir)	UART, 3,3 V, <1,5 mA Mittelstrom	1
Jumper-Kabel	Für Sensor-Verkabelung (4 Drähte)	1 Set

Software & Dienste

• Arduino IDE
• Adafruit IO (MQTT-Broker & Dashboards)

Projektbeschreibung

Motivation

Kennen Sie das? Nachmittags im Meeting kaum wach bleiben, ständig gähnen, in 3-Stunden-Vorlesungen einschlafen? Nicht immer ist Schlafmangel schuld – schlechte Belüftung und hohe CO₂-Konzentration machen müde! Mit einem NDIR-CO₂-Sensor lässt sich die „Schläfrigkeits-Konzentration“ präzise messen und per UART auslesen.

Frühere CO₂-Sensoren brauchten viel Strom und lange Aufwärmphasen (Glühlampe). Moderne NDIR-Sensoren (z. B. Cozir) nutzen eine LED und Infrarot-Detektor: optische Dispersion misst CO₂ bei 3,3 V und <1,5 mA Mittelstrom. Details im Cozir-Datenblatt.

Los geht’s

Verkabelung (4 Drähte):

• Sensor 3,3 V → Arduino Due 3,3 V
• Sensor GND → GND
• Sensor Rx → Arduino Due Tx (D18, Serial1)
• Sensor Tx → Arduino Due Rx (D19, Serial1)

Wichtig: UART-Kreuzen (Rx↔Tx)! Nicht Serial (D0/D1) nutzen, sonst kein Serial Monitor. Sensor ist 3,3 V TTL – bei 5 V Boards Logik-Level-Shifter nötig.

Direkt-Test per Terminal: Putty/Serial Terminal, 9600 Baud, 8N1, CR+LF senden. Befehle: „Z“ (CO₂ lesen), „G“ (Frischluft-Kalibrierung), „K 1“ (Polling-Modus).

Kalibrierung

Zwei Methoden:

1. Stickstoff (N₂): Sensor in CO₂-freiem Gas sättigen → echter Nullpunkt.
2. Frischluft (einfacher): Sensor nach draußen bringen, Sketch mit calibrateFreshAir() im setup() laufen lassen. Sendet „G“ an Sensor → kalibriert auf ca. 450 ppm (globaler Mittelwert). Genau genug für Innenraum-Schwellenwerte (1000+ ppm).

Beispiel-Sketch (Kalibrierung & Auslesen)

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

void setup() {
  Serial.begin(9600); while(!Serial);
  Serial1.begin(9600); while(!Serial1);
  Serial.println("CO2-Messung startet");
  // setOperatingMode(CZR_POLLING);
  // calibrateFreshAir(); // einmalig im Freien ausführen
}

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); }

Daten an Adafruit IO senden (MQTT)

Voraussetzung: Anduino WiFi mit Adafruit IO verbunden (siehe verlinktes Tutorial). Sketch sendet CO₂-Wert jede Minute per MQTT an Feed „co2“. Auf dem Anduino-LCD wird der Wert groß angezeigt (Vorheriger Wert schwarz überschreiben, neuer Wert weiß).

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

#define WLAN_SSID "DEIN_SSID"
#define WLAN_PASS "DEIN_PASSWORT"
#define AIO_SERVER "io.adafruit.com"
#define AIO_SERVERPORT 1883
#define AIO_USERNAME "DEIN_USER"
#define AIO_KEY "DEIN_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()] = 0;
  if(!carbonDioxide.publish((char*)b)) Serial.println("Publish fehlgeschlagen");
  else { Serial.print("CO2 published: "); Serial.println(co2); displayCo2(co2, co2Prev); }
  Serial.print("CO2: "); Serial.println(co2);
  co2Prev = co2;
  delay(60000);
}

// ... WiFi/MQTT/LCD-Hilfsfunktionen (connect, displayCo2, Request, Command, calibrateFreshAir, setOperatingMode) wie im Original ...

Ergebnis & Ausblick

Der Sensor ist extrem empfindlich – man kann quasi die Raumbelegung an der CO₂-Kurve ablesen (selbst in gut belüfteten Räumen). Beweisen Sie Ihrem Professor: Nicht die Differentialgleichung macht müde, sondern die schlechte Luft! Nächstes Mal: Vorlesung an den Strand verlegen.

Code-Bibliothek

Anduino Library (GitHub: andium/Anduino) – wandelt Arduino + Shield in AndiumNode um.