SENSIRION ファインダストセンサー SPS30

SENSIRION のダストセンサー SPS30 を使ってみたので紹介します．

背景
SENSIRION SPS30
必要な部品
1. 秋月電子で入手するもの
2. Amazon で入手するもの
設置例
I2C プログラム例
計測結果

背景

以前，シャープの PM2.5 センサを使ってみたのですが，以下の点が気になっていました．

測定ばらつきが大きい (ざっくり 10ug/m3 程度)
温度特性の補正が必要

実際の測定結果をみても下記のような感じで，ほぼノイズのような感じです．

そこで，温度センサーで有名な SENSIRION の SPS30 に手を出してみることにしました．

SENSIRION SPS30

SENSIRION の SPS30 は PM2.5 を計測できるセンサーで以下の特長があります．

超小型
40.6 x 40.6 x 12.2㎜なので，実物は写真よりもコンパクトに感じます．
補正不要
IF は UART もしくは I2C で，補正不要なデジタル値が出力されます．
長寿命
24時間の連続稼動で8年以上の耐用期間があります．

最初手に取った時，シャープのセンサーに比べてあまりにコンパクトでびっくりしました．

こちら[キャッシュ]に分解写真がありますが，方式としてはシャープと同様にレーザ光の拡散を計測しているようです．

必要な部品

秋月電子で入手するもの

ZHコネクタハウジング 5P ZHR-5: センサーにつなぐためのコネクタです．1.5mm ピッチなので，他の物で代替するのは難しいとおもいますので，ちゃんとこちらを使うのがお勧めです．
ZHコネクタハウジング用コンタクト SZH-002T-P0.5: ターミナルです．カシメる際は，エンジニアの PA-09 を使うのがお勧めです．

Amazon で入手するもの

パナソニック配線器具 スマートデザインシリーズ防雨入線カバー WP9671S

屋外にセンサーを設置するときに便利なカバーです．内部のリブを少しカットしてやれば，専用品のようにぴったり収まります．

設置例

物置に設置していますが，こんな感じの仕上がりになりました．設置後，風雨を何度か経験していますが，問題無く動作しています．

I2C プログラム例

SPS30 を使うのは簡単です．基本的には下記を行うだけです．

計測開始を書き込み
計測値を定期的に読み出し

ESP32 で行う場合のプログラム例は次の通りです．

#include "app.h"
#include "driver_sps30.h"

#include "driver/i2c.h"

#define SPS30_DEV_ADDR      0xD2

static uint8_t crc8(const uint8_t *data, uint8_t len)
{
    static const uint8_t poly = 0x31;
    uint8_t crc = 0xFF;

    for (uint8_t i = 0 ; i < len; i++) {
        crc ^= data[i];
        for (uint8_t j = 0; j < 8; j++) {
            if (crc & 0x80) {
                crc = (crc << 1 ) ^ poly;
            } else {
                crc <<= 1;
            }
        }
    }
    return crc;
}

static inline void be32_to_cpu(void *mem)
{
    uint32_t val = ((uint32_t *)mem)[0];

    val = ((val & 0x000000FF) << 24) |
          ((val & 0x0000FF00) <<  8) |
          ((val & 0x00FF0000) >>  8) |
          ((val & 0xFF000000) >> 24);

    ((uint32_t *)mem)[0] = val;
}

static esp_err_t sps30_write(const uint8_t *data, uint8_t len)
{
    i2c_cmd_handle_t cmd;

    cmd = i2c_cmd_link_create();
    ESP_ERROR_CHECK(i2c_master_start(cmd));
    ESP_ERROR_CHECK(i2c_master_write_byte(cmd, SPS30_DEV_ADDR|I2C_MASTER_WRITE, 1));

    for (uint8_t i = 0; i < len; i++) {
        ESP_ERROR_CHECK(i2c_master_write_byte(cmd, data[i], 1));
    }
    if (len > 2) {
        uint8_t crc = crc8(data+2, len-2);
        ESP_ERROR_CHECK(i2c_master_write_byte(cmd, crc, 1));
    }
    ESP_ERROR_CHECK(i2c_master_stop(cmd));
    ESP_ERROR_CHECK(i2c_master_cmd_begin(I2C_NUM_0, cmd, 1000/portTICK_RATE_MS));
    i2c_cmd_link_delete(cmd);

    return ESP_OK;
}
    
static esp_err_t sps30_read(const uint8_t *data, uint8_t len, uint8_t *buf, uint8_t buf_len)
{
    i2c_cmd_handle_t cmd;
    uint8_t read_len = buf_len / 2 * 3;
    uint8_t *read_buf = (uint8_t *)alloca(read_len);
    
    sps30_write(data, len);

    cmd = i2c_cmd_link_create();
    ESP_ERROR_CHECK(i2c_master_start(cmd));
    ESP_ERROR_CHECK(i2c_master_write_byte(cmd, SPS30_DEV_ADDR|I2C_MASTER_READ, 1));
    for (uint8_t i = 0; i < read_len; i++) {
        ESP_ERROR_CHECK(i2c_master_read_byte(cmd, &(read_buf[i]), (i == (read_len-1))));
    }
    ESP_ERROR_CHECK(i2c_master_stop(cmd));
    ESP_ERROR_CHECK(i2c_master_cmd_begin(I2C_NUM_0, cmd, 1000/portTICK_RATE_MS));
    i2c_cmd_link_delete(cmd);

    for (uint8_t i = 0; i < read_len / 3; i++) {
        uint8_t crc = crc8(read_buf+(i*3), 2);
        if (crc != read_buf[(i*3)+2]) {
            ESP_LOGW(TAG, "CRC unmatch (exp: 0x%02X, act: 0x%02X)", crc, read_buf[(i*3)+2]);
            return ESP_FAIL;
        }
        buf[(i*2)+0] = read_buf[(i*3)+0];
        buf[(i*2)+1] = read_buf[(i*3)+1];
    }

    return ESP_OK;
}

esp_err_t sps30_start()
{
    static const uint8_t SPS30_CMD_START[]      = { 0x00, 0x10, 0x03, 0x00 };

    ESP_ERROR_CHECK(sps30_write(SPS30_CMD_START, sizeof(SPS30_CMD_START)));
    vTaskDelay(100/portTICK_RATE_MS);

    return ESP_OK;
}

esp_err_t sps30_sense(sps30_sense_data_t *sense_data)
{
    static const uint8_t SPS30_CMD_READY[]      = { 0x02, 0x02 };
    static const uint8_t SPS30_CMD_MEASURE[]    = { 0x03, 0x00 };
    uint8_t buf[2];
    
    ESP_ERROR_CHECK(sps30_read(SPS30_CMD_READY, sizeof(SPS30_CMD_READY), buf, 2));

    if (buf[1] != 1) {
        ESP_LOGW(TAG, "Data is not ready");
        return ESP_FAIL;
    }

    ESP_ERROR_CHECK(sps30_read(SPS30_CMD_MEASURE, sizeof(SPS30_CMD_MEASURE),
                               (uint8_t *)sense_data, sizeof(sps30_sense_data_t)));

    // convert big endian to litte endian
    for (uint8_t i = 0; i < 10; i++) {
        be32_to_cpu(((uint32_t *)sense_data) + i);
    }

    return ESP_OK;
}

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#include "app.h"

#include "driver_sps30.h"

#include "driver/i2c.h"

#define SPS30_DEV_ADDR 0xD2

static uint8_t crc8(const uint8_t *data, uint8_t len)

{

static const uint8_t poly = 0x31;

uint8_t crc = 0xFF;

for (uint8_t i = 0 ; i < len; i++) {

crc ^= data[i];

for (uint8_t j = 0; j < 8; j++) {

if (crc & 0x80) {

crc = (crc << 1 ) ^ poly;

} else {

crc <<= 1;

}

return crc;

}

static inline void be32_to_cpu(void *mem)

{

uint32_t val = ((uint32_t *)mem)[0];

val = ((val & 0x000000FF) << 24) |

((val & 0x0000FF00) << 8) |

((val & 0x00FF0000) >> 8) |

((val & 0xFF000000) >> 24);

((uint32_t *)mem)[0] = val;

}

static esp_err_t sps30_write(const uint8_t *data, uint8_t len)

{

i2c_cmd_handle_t cmd;

cmd = i2c_cmd_link_create();

ESP_ERROR_CHECK(i2c_master_start(cmd));

ESP_ERROR_CHECK(i2c_master_write_byte(cmd, SPS30_DEV_ADDR|I2C_MASTER_WRITE, 1));

for (uint8_t i = 0; i < len; i++) {

ESP_ERROR_CHECK(i2c_master_write_byte(cmd, data[i], 1));

}

if (len > 2) {

uint8_t crc = crc8(data+2, len-2);

ESP_ERROR_CHECK(i2c_master_write_byte(cmd, crc, 1));

}

ESP_ERROR_CHECK(i2c_master_stop(cmd));

ESP_ERROR_CHECK(i2c_master_cmd_begin(I2C_NUM_0, cmd, 1000/portTICK_RATE_MS));

i2c_cmd_link_delete(cmd);

return ESP_OK;

}

static esp_err_t sps30_read(const uint8_t *data, uint8_t len, uint8_t *buf, uint8_t buf_len)

{

i2c_cmd_handle_t cmd;

uint8_t read_len = buf_len / 2 * 3;

uint8_t *read_buf = (uint8_t *)alloca(read_len);

sps30_write(data, len);

cmd = i2c_cmd_link_create();

ESP_ERROR_CHECK(i2c_master_start(cmd));

ESP_ERROR_CHECK(i2c_master_write_byte(cmd, SPS30_DEV_ADDR|I2C_MASTER_READ, 1));

for (uint8_t i = 0; i < read_len; i++) {

ESP_ERROR_CHECK(i2c_master_read_byte(cmd, &(read_buf[i]), (i == (read_len-1))));

}

ESP_ERROR_CHECK(i2c_master_stop(cmd));

ESP_ERROR_CHECK(i2c_master_cmd_begin(I2C_NUM_0, cmd, 1000/portTICK_RATE_MS));

i2c_cmd_link_delete(cmd);

for (uint8_t i = 0; i < read_len / 3; i++) {

uint8_t crc = crc8(read_buf+(i*3), 2);

if (crc != read_buf[(i*3)+2]) {

ESP_LOGW(TAG, "CRC unmatch (exp: 0x%02X, act: 0x%02X)", crc, read_buf[(i*3)+2]);

return ESP_FAIL;

}

buf[(i*2)+0] = read_buf[(i*3)+0];

buf[(i*2)+1] = read_buf[(i*3)+1];

}

return ESP_OK;

}

esp_err_t sps30_start()

{

static const uint8_t SPS30_CMD_START[] = { 0x00, 0x10, 0x03, 0x00 };

ESP_ERROR_CHECK(sps30_write(SPS30_CMD_START, sizeof(SPS30_CMD_START)));

vTaskDelay(100/portTICK_RATE_MS);

return ESP_OK;

}

esp_err_t sps30_sense(sps30_sense_data_t *sense_data)

{

static const uint8_t SPS30_CMD_READY[] = { 0x02, 0x02 };

static const uint8_t SPS30_CMD_MEASURE[] = { 0x03, 0x00 };

uint8_t buf[2];

ESP_ERROR_CHECK(sps30_read(SPS30_CMD_READY, sizeof(SPS30_CMD_READY), buf, 2));

if (buf[1] != 1) {

ESP_LOGW(TAG, "Data is not ready");

return ESP_FAIL;

}

ESP_ERROR_CHECK(sps30_read(SPS30_CMD_MEASURE, sizeof(SPS30_CMD_MEASURE),

(uint8_t *)sense_data, sizeof(sps30_sense_data_t)));

// convert big endian to litte endian

for (uint8_t i = 0; i < 10; i++) {

be32_to_cpu(((uint32_t *)sense_data) + i);

}

return ESP_OK;

}

計測結果

計測したデータをプロットすると次のようになります．ノイズがほとんど無く，精度良く計測できていることが分かります．

また，雨量計の計測結果とならべると，雨が降ることで PM2.5 が大きく減っていることが確認できます．

花粉の季節になったら活躍が期待できそうです．

背景

SENSIRION SPS30

必要な部品

秋月電子 で入手するもの

Amazon で入手するもの

設置例

I2C プログラム例

計測結果

コメント

秋月電子で入手するもの