본 절은 [CCS811 TVOC(총휘발성유기화합물) 아두이노 센서]를 사용하기 위해 알아야 할 내용과 실습 방법에 대해 설명한다. TVOC 센서의 특징, 동작원리, 사양, 연결 핀 배열, 출력 값, 주의사항을 알아본다. 아두이노와 미세먼지 센서를 연결하고, 라이브러리를 이용해 쉽게 실습한다.
목차
TVOC 아두이노 센서
실내공기질 관리법 시행규칙, 실내공기질 권고기준(제4조 관련)에 따르면, TVOC는 이산화질소, 라돈, 석면, 오존과 함께 권고기준으로 분류되어 있다. TVOC 정의는 [환경분야 시험ㆍ검사 등에 관한 법률] 제 6조 제 1 항 제 3호에 따른 환경오염공정시험기준에서 정한다.
실내오염으로 발생되는 아토피성 피부염은 소아기에 주로 발생하는 만성 염증성 피부질환으로 오랜 기간동안 심한 가려움증을 일으킴으로써 삶의 질 저하와 경제적 부담 증가를 초래한다. 아토피피부염 환자를 대상으로 증상 변화와 대기오염물질 농도 변화를 장기추적한 연구에서는 VOCs 가 아토피피부염 증상 악화를 높이는 것으로 나타났다.
VOCs에 해당하는 물질은 수천가지이고, 실내환경에서는 900여 가지가 확인되며 대표적으로 벤젠, 포름알데히드, 툴루엔, 자일렌, 에틸렌, 스틸렌, 아세트알데히드 등이 있다.
국내에서는 대기환경보전법 제2조 제10호에 따라 관리대상 휘발성유기화합물을 37가지로 고시[ ]하고 있다. 온도가 내려간다고 해도 이미 방출된 VOCs는 사라지지 않는다.
VOCs는 비점(끊는 온도)이 50 ~ 100 ℃에서 240 ~ 260 ℃ 사이로 가스뿐만 아니라 액체와 고체로도 존재 가능하다. 끊는 온도와 관련이 있다 보니 실내온도에 따라 농도가 달라질 수 있다. 즉, 온도가 높아지면 VOCs가 더 많이 방출될 수 있다.
VOCs는 공장, 석유제조, 주유소, 세탁소, 인쇄소, 자동차, 항공기, 선박, 각종 생활용품, 장식 및 건자재 등에서 다양하게 배출된다.
TVOC 인체에 미치는 영향
TVOC(총휘발성유기화합물) 창 닫고 공기청전기 돌리미 미세먼지 대시 의외의 복병이다. TVOC는 유형(독성 정도), 농도, 노출 시간에 따라 인체에 나쁜 영향을 미친다. 발암성을 지니고 있고, 피부 접촉이나 호흡기 흡입을 통해 신경계 장애를 발생시킨다.
TVOC의 유형 (독성 정도), 농도, 노출 시간에 따라 인체의 건강에 나쁜 영향을 미칠 수 있다. VOCs 물질이 인체에 미치는 영향은 주로 호흡기관의 자극과 두통의 원인이 되고, 신경 생리학적 기능장해 등을 유발하는 것으로 알려지고 있다. 인체의 직접적인 영향이 나타나는 농도나 오염물질에 대한 인체의 반응 정도는 개인에 따라 큰 차이를 보인다. 따라서, 이러한 물질에 대하여 실내에 있는 사람이 불쾌감을 호소해야만 실내 VOCs 물질에 대한 오염특성을 측정해서는 안된다.
공기 중에는 건강에 영향을 주지 않는 VOCs가 많이 있지만, 독성 VOCs도 있다. 미국 질병통제예방센터(Centers for Disease Control and Prevention, CDC)에 따르면, 1,2-디클로로에탄, 벤젠, 사염화탄소, 포름알데히드, 스틸렌, 테트라클로로에틸렌, 자일렌 등이 오늘날 알려진 가장 위험한 VOC에 해당된다. 또한 환경부에서 고시한 37가지 VOCs 물질에 대해 [인체에 위험하고 해로운 성질인 위해성]을 설명하고 있다.
발암성을 지니고 있고, 피부접촉이나 호흡기 흡입을 통해 신경계 장애를 발생시킨다. 높은 농도의 VOCs에 단기간 노출되면 두통, ,현기증, 어지러움, 졸음, 구역질, 눈 및 호흡기 자극, 알레르기 반응 등을 일으킬 수 있다. 인체에 직접적인 영향이 나타나는 농도나 오염물질에 대한 인체의 반응 정도는 개인에 따라 큰 차이를 보인다. 또한 동물 실험실에서 높은 수준의 VOC에 장기간 노출된 결과 암, 간에 영향, 신장에 영향, 신경계에 영향을 주는 것으로 나타났다.
TVOC 농동 기준은 다음과 같다.
CCS811 TVOC 아두이노 센서란?
AMS사의 CCS811은 금속 산화물(MOX) 가스 센서를 통합하여 실내 공기질을 감시한다. 디지털 가스 센서로 광범위한 휘발성 유기 화합물(VOCs)을 감지하는 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU)으로 구성된다. CCS811 센서의 통합 MCU는 VOCs를 감지하는 동안 측정된 센서 드라이브 모드 및 원시 센서 데이터를 관리한다.
CCS811 동작원리
CCS811은 금속산화물 센서(MOX)와 플레이트로의 전력을 제어하고 아날로그 전압을 읽고 I2C 인터페이스를 통해 판독 할 수있는 소형 마이크로 컨트롤러를 갖추고 있다. 대략적인 온도를 계산하기 위해 CCS811에서 읽을 수 있는 평형 저항과 일치하는 10K NTC 서미스터를 포함하고 있다.
모든 금속산화물 센서(MOX)와 마찬가지로 CCS811은 주변 공기에 노출된 영역의 저항을 측정한다. 이 영역은 히터 소자 (저항)로 최대 수백 ºC까지 가열 되며 일부 산화 반응이 발생한다. 측정 영역의 특성은 센서마다 그리고 시간이 지남에 따라 다양한 화학 성분 및 주변 조건에 대한 노출에 따라 달라진다. 이러한 이유로 개별 센서 특성은 매우 까다 롭고 센서 의 기준 저항 (즉, 깨끗한 공기에 노출 될 때 민감한 층의 저항)을 모니터링하는 내부 처리를 사용하여 상대적 측정이 사용됩니다. 센서는 일반적으로 센서 기판에서 산화 될 수 있는 오염 물질을 대상으로 한다. 이 산화 과정은 센서의 저항을 변경하고, 산화 반응이 많을수록 저항이 낮아진다. 이러한 의미에서 기준 저항의 개념은 혼란 스러울 수 있지만 기본적으로는 저항이 높을수록 환경이 더 깨끗해진다.
센서가 실제 저항과 청정 공기 저항 (기준선)을 비교하고 보정시 주변 조건을 입력하므로 온도 및 습도는 내부적으로 판독 값을 보상하는데 사용된다.
CCS811 센서 사양
CJMCU-811(CCS811) TVOC 센서는 3.3V로 동작한다.
CCS811 센서 핀 배열
센서의 핀 배열은 다음과 같다.
CJMCU-811 Schematic 은 다음과 같다.
CCS811 작동 모드
CCS811에는 다음과 같은 5 가지 작동 모드가 있다.
CCS811 TVOC 아두이노 센서 구입하기
[모두의 아두이노 환경 센서] 책에서 사용한 [CCS811 TVOC 아두이노 센서]는 알리익스프레스, 네이버 쇼핑몰, 아마존 등에서 센서를 구입할 수 있다
[알리익스프레스]
[네이버]
[아마존]
CCS811 TVOC 아두이노 센서 동작 확인
[모두의 아두이노 환경 센서] 책에서 소개하는 [CCS811 TVOC 아두이노 센서]는 라이브러리를 사용하여 간편하게 동작 확인을 할 수 있다.
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개발환경 : WINDOWS 10
아두이노 IDE : 1.8.13
------------------------------------------------------
01 라이브러리 복사
libraries\Steamedu123_Sensor-master 폴더는 아래 폴더에 복사
* 아두이노 설치 후 자동으로 생기는 폴더
C:\Users\s\Documents\Arduino\libraries
02 *. ino 파일 실행
- 아두이노와 PC 연결
- 아두이노 IDE 실행
- 메뉴 → 툴 → 보드:아두이노 UNO 확인
- 메뉴 → 스케치 → 확인/컴파일
/*
@타이틀 : CCS811 TVOC 센서
*/
#include <C304_Steam_Air_CCS811_TVOC.h> // 내부 라이브러리 헤더 파일
SteamCCS811 ccs811; // 인스턴스
void setup() {
Serial.begin(9600); // 9600bps의 속도로 시리얼 통신을 시작한다.
ccs811.begin(); // (1) 센서를 초기화한다.
}
void loop() {
ccs811.read(); // (2) 센서의 값을 측정한다.
ccs811.display(); // (3) 센서의 값을 출력한다
delay(1000); // 1초 동안 대기한다.
}
03 컴파일 확인
스케치>확인/컴파일(CTRL+R) 를 선택해서 컴파일을 진행한다.
04 아두이노 우노 업로드
스케치>확인/컴파일(CTRL+R) 를 선택해서 컴파일을 진행한다.
05 동작 확인
다음과 같이 동작을 확인할 수 있다.
마무리
본 절에서는 TVOC가 인체에 미치는 영향과 기준 농도 및 간이측정기의 측정 범위와 측정기에 사용되는 센서들을 알아보고, CCS811 센서와 아두이노를 이용해 직접 TVOC를 측정해보았다.
TVOC가 꽉 찬 실내 공기는 눈/코/목구멍 따가움, 숨 가쁨, 두통, 피로감, 구역, 어지럼증, 피부 문제, 폐의 염증, 간/신장/중추신경계 손상 등 인체에 나쁜 영향을 미친다.
공기청정기로는 TVOC 제거할 수 없으니 CCS811 센서로 측정된 TVOC 4단계 상태를 확인하고, 나쁨, 매우 나쁨 상태라면 창문을 열어 신선하고 깨끗한 공기가 집안에 충분히 들어오게 해야 한다. 또한, 설치식 또는 분무식 방향제, 탈취제, 향초, 향 등 인공 향이 첨가된 제품을 되도록 자제할 것을 권장한다.
참고문헌
다음과 같이 [모두의 아두이노 환경 센서] 책에서 사용한 [CCS811 TVOC 아두이노 센서]의 참고 문헌은 다음과 같다.
[57] Naoki Kunugita, Keiichi Arashidani, Investigation of air pollution in large-scale buildings and of employees’ personal exposure level, 2007
[58] Volatile Organic Compounds, Indoor Air Quality and Health, Lars Mølhave, December 1991
[59] WAVERTON ANALYTICS (2016) Survey reports: VOCs and hidden mould, Waverton Analytics Limited, Cheshire,
[60] 환경부, 실내공기질 관리법 시행규칙, 실내공기질 권고기준(제4조 관련) [시행일 : 2020. 4. 3.]
[61] David Fujiwara, “Indoor air quality assessment”, safetech environmental limited, 2014
[62] Ludmila Meciarova, Silvia Vilčeková, Analysis of VOCs in the indoor environment, Engineering Journal of Civil Engineering, Environment and Architecture, 2015
[63] Gabriel Yurko, Real-Time Sensor Response Characteristics of 3 Commercial Metal Oxide Sensors for Detection of BTEX and Chlorinated Aliphatic Hydrocarbon Organic Vapors, 2019,
[64] CCS811 Datasheet,
[65] sensirion_Gas_Sensors_Datasheet_SGP30,
[66] 알리익스프레스 CCS811,
[67] 알리익스프레스 SGP30,
[68] 알리익스프레스 TGS2602,
[69] Ams사 홈페이지,
[70] Adafruit CCS811,
[71] SparkFun CCS811
[72] AMS 홈페이지,
[73] CCS811-Datasheet, “Pin Assignment”, p3
[74] Smart Citizen Docs, eCO2 and TVOC sensor,
[75] Comparison of CO2 sensors MH-Z19B and CCS811,
[76] Quinnell, R., Siloxane-resistant MOX gas sensor brings smartphones one step closer to Star Trek’s tricorder. Electronic Products Magazine, 2017
[77] WAVERTON ANALYTICS, Survey reports: VOCs and hidden mould, Waverton Analytics Limited, Cheshire,
[78] David Fujiwara, “Indoor air quality assessment”, safetech environmental limited, 2014
[79] 휴마아이(HI-150A),
[80] 코아미세S3,
[81] 에어람(SAP-500H),
[82] 리사홈(IAQM3000),
[83] 에이오((EG-AO-V10),
+ 이 글도 읽어보세요.
모두의 아두이노 환경 센서 책
[모두의 아두이노 환경 센서] 책은 예스24, 인터넷 교보문고, 알라딘, 인터파크도서, 영풍문고, 반디앤루니스 , 도서11번가 등에서 구입할 수 있다. 이 책에서는 PMS7003, GP2Y1010AU0F, PPD42NS, SDS011 미세먼지 센서, DHT22 온습도 센서, MH-Z19B 이산화탄소 센서, ZE08-CH2O 포름알데히드 센서, CCS811 총휘발성유기화합물 TVOC, GDK101 방사선(감마선) 센서, MQ-131 오존(O3) 센서, MQ-7 일산화탄소, MICS-4514 이산화질소 센서, MICS-6814 암모니아 센서, DGS-SO2 아황산가스(SO2) 센서, BME280 기압 센서, GUVA-S12SD 자외선(UV) 센서, MD0550 기류 센서, QS-FS01 풍속 센서(Wind speed) 를 사용한다.
모두의 아두이노 환경 센서
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