CO2-AMPEL Software-Installation & Programmierung - VR-DIGICATION

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Computer und Technik

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CO2-AMPEL Software-Installation & Programmierung - VR-DIGICATION

VR-DIGICATION | digitalisieren. fördern. Schulen.
Genossenschaftliche Förderung des Bildungssystems in Sachen MINT
Ein Projekt der BM Medien GmbH in Kooperation mit dem Gewinnsparverein
der Volksbanken und Raiffeisenbanken in Baden-Württemberg e. V.

                                         | digitalisieren. fördern. Schulen.

CO2-AMPEL
Software-Installation & Programmierung

VR-DIGICATION | digitalisieren. fördern. Schulen.
Genossenschaftliche Förderung des Bildungssystems in Sachen MINT
Ein Projekt der BM Medien GmbH in Kooperation mit dem Gewinnsparverein
der Volksbanken und Raiffeisenbanken in Baden-Württemberg e. V.

INHALT

    à Materialien ––––– 1

    à Anleitung ––––– 1

               ® Software installieren (Windows, Mac OS, Raspberry Pi) ––––– 1
               ® CO2-Ampel programmieren ––––– 5
               ® Ausblick ––––– 10
               ® Tipps ––––– 10
               ® Weitere Informationen ––––– 10
               ® *ppm-Grenzwerte ––––– 10

VR-DIGICATION | digitalisieren. fördern. Schulen.
Genossenschaftliche Förderung des Bildungssystems in Sachen MINT
Ein Projekt der BM Medien GmbH in Kooperation mit dem Gewinnsparverein
der Volksbanken und Raiffeisenbanken in Baden-Württemberg e. V.

MATERIALIEN
(IM LIEFERUMFANG ENTHALTEN)

• Octopus-Platine
• SCD30 Sensor von Sensirion
• LCD-Display
• Grove-Hub (IC2)
• 3x Grove-Kabel
• 1x Micro-USB-Kabel
• 1x USB-Netzteil
• 1x Ampel-Rahmen

ANLEITUNG
Die nachfolgende Anleitung erklärt schrittweise, wie du die CO2-Ampel von VR-DIGICATION
mit der nötigen Software bespielst und programmierst.

Software installieren
Die Software kann sowohl auf Windows, Mac OS wie auch Raspberry Pi installiert werden.

Windows

Lade die von der IoT-Werkstatt fertig konfigurierte Arduino-IDE für das Octopus-Board her-
unter (https://seafile.rlp.net/f/bb6bdbfe28034cd4861a/) und entpacke die Zip-Datei auf dei-
nem Rechner. Da die Zip-Datei recht groß ist (sie umfasst knapp 700MB), musst du etwas
Geduld mitbringen.

Lade den passenden USB-Treiber (https://www.silabs.com/developers/usb-to-uart-bridge-
vcp-drivers) für dein Betriebssystem herunter.

Lass das Betriebssystem des PCs das USB-Interface automatisch erkennen und einen virtu-
ellen COM-Port vergeben. Sollte die Meldung ausbleiben, kannst du den Port im Gerätema-
nager. Unter „Anschlüsse“ als Silicon Labs CP210x identifizieren.

Kopiere das entpackte Verzeichnis „IoTW“ möglichst direkt auf die Festplatte. Ein langer Pfad
kann Probleme machen.

Verbinde während der Installation dein Gerät nicht mit dem Octopus. Nach der Installation
fragt Windows, ob das Programm bestimmte Dinge tun darf, beantworte diese Fragen mit ja.

Starte die Arduino-IDE durch einen Doppelklick auf c:\IoTW\IoT-Werkstatt.bat und wähle den
COM-Port dort unter „Werkzeuge“ à „Port“ an. I. d. R. wird er „Com 3“ oder „Com 4“ ge-
nannt.

Wähle außerdem bei Boards den Port „Generic ESP8266“.

Starte den Ardublock (zu finden unter „Werkzeuge“ à „Ardublock“) und gib das erste kleine
Programm ein. (Das Neopixel-Symbol findest du auf der linken Seite unter Anzeigen/Aktoren.)

Im Erfolgsfall leuchtet das Neopixel rot.

Mac OS

[Anmerkung: Derzeit wissen wir noch nicht, ob die neue Version von Mac OS, „Big Sur“, kom-
patibel ist. Die Version 10.15.7 (19H2) ist es.]

Lade den passenden USB-Treiber für dein Betriebssystem herunter:
https://www.silabs.com/developers/usb-to-uart-bridge-vcp-drivers.

Lade die Arduino-IDE für Mac OS herunter: https://www.arduino.cc/en/software. Entpacke
die Zip-Datei und installiere die IDE.

Lade das Archiv „IoTW.zip“ herunter: https://seafile.rlp.net/f/bb6bdbfe28034cd4861a/. Öffne
nach dem Download das Archiv und gehe in das Unterverzeichnis „arduino-1.8.9“. Kopiere
den Ordner „portable“ aus dem Unterverzeichnis.

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Füge den Ordner „portable“ in das Java-Unterverzeichnis des Ordners der IDE ein.

Starte die Arduino-DIE mit einem Doppelklick.

Aktualisiere die ESP8266-Plattform mit dem Board-Verwalter:

                                                                 3

Wähle das „ESP Community“-Package und installiere das Update. Wähle als Board „Generic
ESP 8266“-Module aus.

Wähle den Kommunikationsport "/dev/cu.SLAB_USBtoUART".

Schließe die Octopus-Platine via USB an.

Nun kann es losgehen.

Anmerkungen:

• Sicherheitseinstellungen von Mac OS: Möglicherweise modifiziert der Treiber die Si-
cherheitseinstellungen oder verlangt die Erlaubnis, unter „Systemeinstellungen“ im
Menü „Sicherheit“ Änderungen vornehmen zu dürfen. Erteile diese.
• Verbinde während der Installation dein Gerät nicht mit dem Octopus.
• Gib dem Mac ggf. etwas Zeit, die Platine zu erkennen. Falls das nicht hilft, starte den
Mac neu.
• Im Falle folgender Fehlermeldung:

Arduino: 1.8.13 (Mac OS X), Board: "Generic ESP8266 Module, 80
MHz, Flash, Legacy (new can return nullptr), All SSL ciphers (most
compatible), dtr (aka nodemcu), 26 MHz, 40MHz, DOUT (compatible),
1MB (FS:64KB OTA:~470KB), 2, nonos-sdk 2.2.1+100 (190703), v2
Lower Memory, Disabled, None, Only Sketch, 115200"

à Installiere Arduino 1.8.13. Starte es einmal. Stoppe es. Entpacke dann die Zip-Datei
(https://drive.google.com/file/d/1FzLTpl3YpTWnwwCNyeyi0d9at84dYqlO/view) und
kopiere den Ordner unter arduino.app/java.

Raspberry Pi

Lade den Raspberry Pi Imager (32 Bit) herunter: https://www.raspberrypi.org/software/.

Lade die speziell eingerichtete Arduino-DIE für den Pi herunter: https://se-
afile.rlp.net/f/81d6e074b34c462eaf61/.

Entpacke die Datei und speichere den Inhalt auf dem Desktop.

Starte die Arduino-IDE durch einen Doppelklick auf die „arduino“-Datei.

Ein besonderer Treiber muss für Raspberry Pi nicht heruntergeladen werden. Wähle unter
„Werkzeuge / Ports“ einen bestehenden Treiber aus.

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CO2-AMPEL PROGRAMMIEREN
Öffne die Arduino-Benutzeroberfläche über „Werkzeuge / Ardublock“:

Die Blöcke für das grafische Programmieren findest du auf der linken Seite der Benutzerober-
fläche: Befehle, die du bei „Setup“ einträgst, führt der Octopus beim Hochfahren automatisch
aus. Befehle, die du bei „Schleife“ setzt, arbeitet der Octopus nacheinander ab.

Ein einfaches Programm zum Messen kannst du also wie folgt bauen:

Öffne bei „Sensoren“ die Leiste und ziehe den Block für „Grove LCD“ und den Block für
„Sensirion SCD30“ auf die graue Arbeitsfläche.

Um beide zu verbinden, ziehst du von „Kommunikation (M2M)“ einen „verbinde“-Block auf
die Arbeitsfläche. Dieser Block sollte links oben einen kleinen rechteckigen Überhang aufwei-
sen und rechts oben eine pfeilförmige Aussparung. So sollte die Benutzeroberfläche dann
aussehen:

                                                                 5

Jetzt liegt ein einfaches Programm vor, dass dir stets den aktuellen CO2-Wert anzeigt.

Tipp: Nenne den hellroten Block nicht „message“ (wie im Bild), sondern „CO2:_“, um Außen-
stehende darauf hinzuweisen, was das Programm misst.

Drücke „Hochladen auf Octopus“ und speichere den Sketch am vorgeschlagenen Ort.

–––
Die Programmierung der CO2-Ampel ist etwas komplexer:

Nimm den Block „setze Zahl-Variable“ aus „Variablen/Konstanten“ und verbinde ihn mit dem
Sensirion Umweltsensor. Taufe die Variable auf den einschlägigen Namen „CO2“ und setze
sie an den Beginn der Schleife.

Setze eine Wenn-dann-Struktur, um die verschiedenen Leuchtsignale der Neopixel auf dem
Octopus zu hinterlegen. Denn es gibt ja zwei Fallunterscheidungen: Wenn der Wert unter
700 ppm liegt, soll die Ampel grün leuchten, da die Luftqualität hoch und kein Lüften notwen-
dig ist. Liegt der Wert zwischen 700 und 1000 ppm CO2 soll sie gelb leuchten und so zum
Lüften aufrufen. Liegt der Wert über 1000 ppm, soll sie rot leuchten, um die schlechte Luft-
qualität zu signalisieren. In diesem Fall muss sofort gelüftet werden.*

Du wählst also den Block „Falls/sonst“ aus den „Kontrollstrukturen“ – und zwar gleich zwei-
mal:

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Aus den „Anzeigen Aktoren“ (blau) wählst du dann die „Neopixel“ und bei „logische Opera-
toren“ (lila) noch die Funktion „größer“ aus:

Die Funktion „größer“ fügst du in die beiden „teste“-Felder ein:

Kopiere nun den Block mit der Variablen, indem du per Rechtsklick „klonen“ wählst:

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Füge diese Variable in die pinken „größer“-Felder ein.

Entferne die Zahl bei „Variablen/Konstanten“ und ziehe sie auf die graue Arbeitsfläche. Wie-
derhole diesen Schritt einmal.

Stelle die Folgen (das „Falls“) so ein, dass die Neopixel ihre Farbe ändern:

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Klicke auf den nach unten gerichteten Pfeil in dem Farbe-Element, um eine Farbe auszuwäh-
len. Um die Auswahl zu sehen, musst du mit dem Mauszeiger auf dem Element verweilen.

Das fertige Programm sieht so aus:

Mit dem Button „Hochladen auf den Octopus“ überspielst du das Programm schließlich auf
die CO2-Ampel:

Achte beim Hochladen darauf, dass das korrekte Board ausgewählt ist: „Generic ESP 8266“.

Die CO2-Ampel ist nun einsatzbereit.

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AUSBLICK: WAS DU NOCH TUN KANNST…
• Die Arduino-IDE bietet noch viele interessante Möglichkeiten: Mit dem Access-Point-
Block und dem CO2-Server-Block kannst du dafür sorgen, dass jede Ampel ihren ei-
genen Access Point aufmacht, um vom Handy aus auf die Daten zugreifen zu können.
• Wer es digitaler will, kann die Werte auch per MQTT an ein Hausautomatisierungssys-
tem übertragen.

TIPPS
• USB-Kabel: Erstaunlich viele USB-Kabel übertragen nur Strom und keine Daten. Mit
einem solchen Kabel erkennt der Mac (und auch der PC) nicht, dass etwas ange-
schlossen ist. Lösung: Probiere es mit einem Kabel, das nachweislich auch Daten
überträgt.
• Wenn man mehrere Arduino-IDEs auf dem PC hat, kann es sein, dass die falsche ge-
startet wird. Beuge der Verwechslungsgefahr vor und ordne die IDEs eindeutig zu.
• Die Arduino-IDE für den PC sollte möglichst in einem Verzeichnis direkt auf der Fest-
platte liegen.

WEITERE INFORMATIONEN
• Sollte der SCD30 wider Erwarten kalibriert werden müssen, kannst du diese Anleitung
zu Rate ziehen: https://www.umwelt-campus.de/fileadmin/Umwelt-Campus/IoT-
Werkstatt/octopus/QuickstartKalibrierung.pdf

*PPM-GRENZWERTE
Die CO2-Ampel misst die Raumluftqualität in der Einheit ppm („parts per million“) und gibt
entsprechend dem Kohlendioxidgehalt im Raum ein gut sichtbares grünes, gelbes oder rotes
Leuchtsignal, wenn gewisse Grenzwerte erreicht und überschritten werden.

Doch wie kommen wir auf die in der Anleitung genannten CO2-Grenzwerte? Wir folgen den
offiziellen Bekanntmachungen des Umweltbundesamtes:

• Gemäß einer Bekanntmachung des Umweltbundesamtes von 2008 sollte grundsätz-
lich ab 1.000 ppm gelüftet werden (Tabelle 4, S. 1368): https://www.umweltbundes-
amt.de/sites/default/files/medien/pdfs/kohlendioxid_2008.pdf

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     •    Im Zuge der Corona-Pandemie hat die Innenraumlufthygiene-Kommission (IRK) am
          Umweltbundesamt im August 2020 ausdrücklich empfohlen, CO2-Ampeln für den Ein-
          satz in Schulen am Wert von 1.000 ppm auszurichten (S. 6): https://www.umweltbun-
          desamt.de/sites/default/files/medien/2546/dokumente/irk_stellungnahme_luef-
          ten_sars-cov-2_0.pdf

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