DIY 공기질 모니터: 비용 효율적인 EPA 준수 검출기

이 소형 검출기는 주변 공기질을 평가하기 위한 예산 친화적 솔루션을 제공합니다. EPA 대기질 지수의 5대 오염물질(오존, 미세먼지, 일산화탄소, 이산화황, 아산화질소)을 대상으로 하며, 이산화황을 제외한 모든 항목에 정확한 판독값을 제공합니다. 현재 센서 제품군으로는 이산화황 모니터링이 불가능합니다.

또한 타운 가스 센서로 인화성 가스 누출을 경고하며, 센서 성능에 영향을 주는 환경 요인을 고려해 온습도 모듈도 포함했습니다.

아직 완전 보정은 거치지 않았지만, 제조사 데이터시트에서 예비 데이터를 추출해 오염물질 농도를 추정했습니다. 저가 센서들은 정밀도 편차가 커서 알려진 가스 농도로 보정하는 것이 신뢰할 만한 결과를 위해 필수적입니다.

1단계: 재료

제어 및 전원

• 아두이노 우노
• 5V 전원 공급기
• RGB 16×2 LCD 실드

센서

• Shinyei PPD42 미세먼지 검출기
• MQ-2 가스 센서
• MQ-9 가스 센서
• MiCS-2714 가스 센서 (NO₂)
• MiCS-2614 가스 센서 (O₃)
• Keyes DHT11 온습도 센서

박스 및 조립

• 3D 프린터 접근 권한
• 솔더 보드
• 5V 팬
• 10~15 × 24게이지 와이어

2단계: 전체 회로도

위 다이어그램은 오염 검출기에 필요한 전체 회로를 보여줍니다. 대부분 연결은 유연합니다—디지털 또는 아날로그 핀 재할당 필요 시 코드만 조정하면 됩니다. 솔더 보드용 상세 회로도는 나중에 나옵니다.

3단계: 미세먼지 센서

두 개의 Shinyei PPD42 먼지 센서로 미세 및 거친 입자 데이터를 캡처합니다. 각 센서는 두 디지털 신호 출력: 2.5µm 미만 입자용, 더 큰 입자용. 센서는 5V 전원 받고 아두이노 디지털 입력에 연결. 포토디텍터 출력은 저펄스 점유율 백분율로 변환돼 미세먼지 농도와 직접 상관관계가 있습니다.

Tracy Allen의 포괄적 리버스 엔지니어링 분석: https://takingspace.org/wp-content/uploads/ShinyeiP.pdf

4단계: 가스 센서 회로 보드

위 다이어그램은 가스 및 온습도 센서를 호스팅하는 보드를 보여줍니다. 물리적 형태는 다를 수 있지만 핀아웃과 전원 관계는 동일합니다. 표면 실장 디바이스용 PCB 사용 권장, 모듈 뒷면에서 신중한 손납땜도 가능합니다.

5단계: 오존 및 NO₂ 센서

MiCS-2614와 MiCS-2714 표면 실장 센서가 각각 오존과 이산화질소를 감지합니다. 센싱 요소는 핀 G와 K 사이 저항(≈10~20kΩ). 별도 발열체(≈50~60Ω)가 핀 A와 H 연결해 최적 동작 온도 유지.

PCB 없이 납땜 시 저온 납 사용과 각별한 주의 필요. 회로도에서 MiCS-2614 히터에 82Ω 직렬 저항, MiCS-2714 히터에 131Ω(또는 120Ω+12Ω 직렬) 저항 배치. 센싱 저항은 22kΩ 저항과 전압 분배 구성: R_sen = 22kΩ × (5V / V_out – 1).

6단계: MQ 유독 가스 센서

MQ-2와 MQ-9는 프로판, 부탄, LPG, 일산화탄소 측정. MiCS 센서처럼 SnO₂ 기반 가스 감지 저항과 내부 히터 사용. MQ-9는 트랜지스터로 히터 전력 조절, MQ-2는 고정 저항 사용.

솔더 보드 회로도에서 정확한 핀 연결 참조: MQ-2는 핀 A를 5V, 핀 G를 접지, 핀 S를 47kΩ 저항으로 접지 연결; MQ-9는 핀 A를 트랜지스터, 핀 B를 5V, 핀 G를 접지, 핀 S를 10kΩ 저항으로 접지 연결.

7단계: 온습도 센서

DHT11 센서는 온도와 습도 측정, 가스 센서 판독값에 큰 영향. 왼쪽 핀 5V, 중간 핀 아두이노 디지털 핀(코드 기본 포트 2), 오른쪽 핀 접지 연결. 다른 핀 사용 시 코드 조정.

8단계: 전원 및 팬

전체 조립에 단일 5V 공급만 필요, 일반 USB나 벽면 어댑터로 공급 가능. 5V 팬으로 인클로저 내 공기 순환 보장, 센서 과열 방지.

9단계: 인클로저

UP 3D 프린터로 인클로저 제작. 최종 출력용 STL 파일 다운로드 가능.

10단계: 코딩

제공된 아두이노 스케치는 모든 센서에서 원시 데이터 읽어 센서 저항값, Shinyei 저펄스 점유율 백분율, 온습도 판독값을 시리얼 모니터에 출력하고 LCD에 순환 표시.

컴파일 전 필수 라이브러리 다운로드: LCD 실드 라이브러리와 DHT 센서 라이브러리.

11단계: 데이터 해석

현재 원시 센서 출력을 실행 가능한 오염물질 농도로 변환하는 알고리즘 개선 중. 정밀도를 위해 알려진 참조 소스로 보정 필수.

미세먼지의 경우 David Holstius 연구로 Shinyei PPD42 출력을 EPA 측정치와 연관: PM₂.₅ = 5 + 5 × (저펄스 점유율 %).

가스 센서 저항은 데이터시트 제공 곡선으로 해석. MQ 유닛의 경우 기준선 50% 미만 하락 시 표적 가스 존재 신호, 10% 미만 하락 시 1000ppm 근접 농도, 규제 한계 근처.

대략적 농도 도출 후 EPA 기술 문서와 CDC 가이드라인 참조해 건강 위험 맥락화.

보정 완료 후 전체 해석 코드 공개 예정.

출처: Air Pollution Detector