Sensor Bosch BME680 als Thermometer, Barometer, Hygrometer und VOC-Meter nutzen und über den I2C-Bus auslesen

Bosch Sensortec hat ja inzwischen eine ganze Reihe von Sensoren herausgebracht. Für den Maker dürften besonders interessant sein:

• BMP280: Temperatur, Luftdruck, vielleicht auch als Kombimodul AHT20 plus BMP280 für genauere Temperatur, denn die vom BMP280 gelieferte Temperatur ist eine Kalibrierungstemperatur und nicht die Umgebungstemperatur (Erklärung siehe Artikel hinter Link)
• BME280: Wie der BMP280 plus Luftfeuchte
• BME680: Wie der BME280 plus VOC-Werte (Luftgüte bzgl. flüchtiger Gase)

Wobei der BME680 nicht so günstig ist, wie die beiden anderen Kandidaten, dafür aber auch einen VOC-Wert liefert. VOC steht für "Volatile Organic Compounds" bzw. auf deutsch "flüchtige organische Verbindungen". Was bei einer Größe von ca. 3 x 3 mm schon beachtlich ist.

Denn eigentlich kenne ich Gas-Sensoren eher in der Größe von 10 übereinander gestapelten 5 Euro Cent-Stücken. Ich habe einen Artikel zu diesen Gas-Sensoren geschrieben: Alkomat: LCD auf Prototype Shield und Ausgabe von Gassensor-Messdaten.

Der MQ-135 erkennt eher Stickoxide, Kohlendioxid, Ammoniak, Benzin, Alkohol und Rauch, sollte sich also gut für die Messung von Luft-Belastungen an Straßen durch PKW und LKW Verkehr eignen.

Der MQ-3 erkennt dafür besser Ethanol und die Gase des MQ-135 schlechter. Er ist prädestiniert für eine Atem-Alkohol-Messung.

Da diese Gas-Sensoren nur einen Wert liefern - genauso wie auch der BME680 - ist eine Abgrenzung wichtig. Den einen Sensor nimmt man für Lösungsmittel und Kohlendioxid und den anderen für Ethanol.

Technische Daten des BME680

Das Datenblatt nennt "Indoor air quality", also "Innenraum-Luftgüte" als Anwendung. Natürlich neben dem, was der BME280 schon kann: Messung von Luftdruck und Luftfeuchtigkeit. Und das ziemlich genau, denn es wird noch einmal die Temperatur im Sensorgehäuse zur Kalibrierung dieser Werte gemessen und herangezogen. Da der Sensor zur Messung aufgeheizt wird, liegen die mit einem BMP280, BME280 oder BME680 Temperaturen immer daneben, im Mittel ca. 2 °C über der Umgebungstemperatur.

Angesprochen werden kann der BME680 über SPI oder I2C, wobei I2C den einfacheren Zugriff bietet, SPI aber schneller ist. Ich werde I2C benutzen. Die I2C-Adresse des BMP280, des BME280 und des BME680 ist dabei immer die gleiche: 0x76 oder 0x77. So muss man ein bisschen mehr Aufwand investieren, um BMP280 und BME680 voneinander zu unterscheiden und richtig auszulesen. Auf der anderen Seite spart das natürlich I2C-Adressen, die nun einmal endlich sind.

Der "Stromverbrauch" des BME680 liegt bei 0.09 bis 12 mA, abhängig davon, was gemessen wird, wobei ich schätze, dass die VOC-Messung am meisten Strom braucht. Das ist eine kleine Revolution gegenüber den MQ-Gas-Sensoren, die sich gerne mal bis 800 mA, also das Fünfzigfache dessen "gönnen".

Auch brauchen die MQ-Sensoren eine Aufwärmzeit von ca. einer Minute. Diese scheint sich beim BME680 auch zu verkürzen. Im Ultra-low-power-mode (0.09 mA) auf 92 s, im Low-power-mode (0.9 mA) auf 12 s und im Continous-mode (12 mA) auf 1.4 s.

Bei der Spannung ist allerdings zu beachten: Der BME680 mag nur Versorgungsspannungen von 1.8 bis 3.6 Volt. Man sollte also keine 5 Volt-Mikrocontroller wie den Arduino Uno zur Ansteuerung benutzen, es sei denn, man benutzt einen BME680 auf einem Breakoutboard mit Spannungswandler.

Bei dem auf dem Foto abgebildeten Breakoutboard ist anzunehmen, dass es sich bei dem Bauteil 662K um einen Spannungsregler, genauer gesagt ein MIC5205-3.3 oder XC6206 (oder kompatibel) handelt, der die Versorgungsspannung ggf. von 5V auf 3.3V herunterregelt. Und das Bauteil "RK3" ist wohl ein Logik-Level-Shifter (vielleicht TXB0104 / PCA9306-ähnlich), der die I2C-Pegel zwischen 5 V und 3.3 V wandelt. Das Breakoutboard auf dem Foto sollte man also auch gefahrlos mit 5 Volt betreiben können - ohne Gewähr meinerseits.

Wenn man diese Bauteile abzieht wird klar, dass man so gut wie keine Bauteile neben dem BME680 braucht. Der funktioniert von sich aus, in seinem kleinen 3 x 3 x 1 mm-Gehäuse.

VOC-Sensor im BME680

Unter die "VOC"-Definition fällt eine ziemlich weitreichende Auswahl von Gasen. Wie schon erwähnt, ist eine Abgrenzung eines Sensors gegenüber anderen Gase nützlich, wenn man eine bestimmte Anwendung im Sinn hat, also einen Alkomat basteln will oder messen will, wie die Kohlendioxid-Konzentration im Schlafzimmer über Nacht durch ausgeatmete Luft ansteigt. Oder auch schauen will, ob die Luft im Büroabteil eines Lackierbetriebes durch die Lackierarbeiten belastet wird. Das eine will man man Alkohole / Ethanol, das andere mal Kohlendioxid oder das nächste mal die Lösungsstoffe im Lack wie Tuolol und Co. messen.

Ein VOC-Wert sagt einem eigentlich nur, dass ein flüchtiges, organisches Gas in einer gewissen Konzentration in der Luft ist. Aber nicht genau, welches. Und je nach Sensor hebt das eine Gas den Konzentrationswert als ein anderes.

Darum sollten wir einen tieferen Blick ins Datenblatt werfen, was das winzige "Wunderkästchen" denn messen will:

Unless mentioned otherwise, the specifications are deduced from new sensors that have been operated for at least five days mainly in ambient air and consequently have the same history (i.e. same power mode and exposed to the same environment). Besides ethanol (EtOH) as a target test gas, the sensors are also tested With breath-VOC (b-VOC). The b-VOC mixture, as listed in Table 5, represents the most important compounds in an exhaled breath of healthy humans. The values are derived from several publications on breath analysis studies. The composition does not contain species which would chemically react to ensure that the mixture is stable for at least 6 months. Furthermore, the composition is also limited to species which can be manufactured in one mixture.

Ins Deutsche übersetzt:

Sofern nicht anders angegeben, basieren die Spezifikationen auf neuen Sensoren, die mindestens fünf Tage lang überwiegend in Umgebungsluft betrieben wurden und somit die gleiche Vorgeschichte (d. h. im gleichen Betriebsmodus und in der gleichen Umgebung) aufweisen.

Neben Ethanol (EtOH) als Testgas werden die Sensoren auch mit flüchtigen organischen Verbindungen (b-VOC) getestet. Das b-VOC-Gemisch, wie in Tabelle 5 aufgeführt, repräsentiert die wichtigsten Verbindungen in der ausgeatmeten Luft gesunder Menschen. Die Werte stammen aus verschiedenen Veröffentlichungen zu Atemanalysestudien. Die Zusammensetzung enthält keine chemisch reagierenden Verbindungen, um eine Stabilität von mindestens sechs Monaten zu gewährleisten. Darüber hinaus ist die Zusammensetzung auf Verbindungen beschränkt, die in einer Mischung hergestellt werden können.

Das Testmittel b-VOC soll folgende Bestandteile enthalten: Man sieht: im b-VOC Mix ist so allerlei enthalten.

Die Messung erfolgt physikalisch, indem das Heizelement auf ca. 380°C aufgeheizt wird. Wahrscheinlich generiert das die nötige Reaktionsenergie, um die gewünschten chemischen Reaktionen (Oxidation und Reduktion) möglich zu machen und das Ergebnis zu messen. Das Ergebnis schlägt sich durch einen veränderten elektrischen Widerstand nieder, der ausgelesen werden kann.

Welche Gase genau vorkamen und sehr sich der Widerstandswert mit den einzelnen Gasen verändert, darüber schweigt sich das Datenblatt leider aus. Hier scheint es sich um eine Black Box zu handeln, in die uns Bosch nicht hinein schauen lassen möchte. Es heißt nur:

4.2 Indoor air quality

... This enables the BME680 to detect e.g. outgassing from paint, furniture and/or garbage, high VOC levels due to cooking, food consumption, exhaled breath and/or sweating.

As a raw Signal, the BME680 will output gas sensor resistance values and its changes due to varying gas concentrations (the higher the concentration of reducing VOCs, the Iower the resistance and vice versa). Since this raw signal is influenced as well by parameters Other than VOC concentration (e.g. humidity level), the raw values are transformed to an index for air quality (IAQ) by smart algorithms inside BSEC.

The IAQ scale ranges from O (clean air) to 500 (heavily polluted air). During operation, the algorithms automatically calibrate and adapt themselves to the typical environments where the sensor is operated (e.g., home, workplace, inside a car, etc.). This automatic background calibration ensures that users experience consistent IAQ performance. The calibration process considers the recent measurement history (typ. up to four days, adjustable by BSEC config String) to ensure that IAQ - 50 corresponds to "typical good" air and IAQ - 200 indicates "typical polluted" air.

Ins Deutsche übersetzt:

4.2 Raumluftqualität

... Dadurch kann der BME680 beispielsweise Ausgasungen von Farbe, Möbeln und/oder Müll sowie hohe VOC-Werte durch Kochen, Essen, Ausatmen und/oder Schwitzen erkennen.

Als Rohsignal gibt der BME680 die Widerstandswerte des Gassensors und deren Veränderungen aufgrund unterschiedlicher Gaskonzentrationen aus (je höher die Konzentration reduzierender VOCs, desto geringer der Widerstand und umgekehrt). Da dieses Rohsignal auch von anderen Parametern als der VOC-Konzentration (z. B. der Luftfeuchtigkeit) beeinflusst wird, werden die Rohwerte durch intelligente Algorithmen im BSEC* in einen Index für die Luftqualität (IAQ) umgewandelt.

Die IAQ-Skala reicht von 0 (saubere Luft) bis 500 (stark verschmutzte Luft). Während des Betriebs kalibrieren sich die Algorithmen automatisch und passen sich an die typischen Umgebungen an, in denen der Sensor eingesetzt wird (z. B. zu Hause, am Arbeitsplatz, im Auto usw.). Diese automatische Hintergrundkalibrierung gewährleistet eine gleichbleibende IAQ-Leistung. Der Kalibrierungsprozess berücksichtigt den aktuellen Messverlauf (typischerweise bis zu vier Tage, einstellbar über den BSEC-Konfigurationsstring), um sicherzustellen, dass IAQ-50 typisch guter Luftqualität und IAQ-200 typischer Luftverschmutzung entspricht.

*BSEC ist die Bosch Sensortec Environmental Cluster (BSEC) Software Library.

Die BSEC-Lib endet in einem File namens libalgobsec.a, was wohl ein Gnu-C-Compiler-Kompilat ist, das für Menschen nicht lesbar ist. Auch habe ich den Source-Code für diesen Teil nicht gefunden. Das Geheimnis, wie aus einem Widerstandswert ein Luftqualitätswert (IAQ, Index Air Quality) wird, ist also in einer Black Box versteckt.

Leider ließ sich die Library in meinem Setup (RP2040, PlatformIO) nicht ohne zahlreiche Fehler installieren, so dass ich wohl mit dem Widerstandswert leben muss und auf den ominös errechneten IAQ verzichten muss.

Ich empfehle die Library von Adafruit (lib_deps = adafruit/Adafruit BME680 Library @ ^2.0.5), die hingegen keine Probleme bei der Einbindung bereitet, aber auch nur einen Widerstandswert liefert.

Der IAQ wird eh nur den Widerstandswert umrechnen und auf eine Skala abbildet von 0 ("reine Luft") bis 500, wobei > 351 "extrem verunreinigt" bedeutet. Wobei hier als Maßstab die Vorgaben des deutschen Umweltbundesamtes herangezogen werden, wonach eine Konzentration höher als 25 mg/m³ von VOCs für Kopfschmerzen sorgt.

Zum Thema Luftqualität empfehle ich auch meinen Artikel Luftqualität / Feinstaub-Messgerät mit Panasonic SN-GCJA5 Partikel-Sensor zu lesen.

Und wie ist denn nun die Luftqualität bezogen auf VOCs?

Da Bosch Sensortec nicht einmal genau angibt, auf welche Gase ihr Sensor nun chemisch reagiert, ist es schwer, das gelieferte Ergebnis einzuordnen und zu gewichten.

Da bleibt nur das praktische Experimentieren und die bisherigen Erfahrungen mit Gas-Sensoren dabei zu berücksichtigen:

• Wir haben nur einen Widerstandswert. Je geringer der Widerstand, desto schlechter die Luft.
• Als erstes sollten wir die Grenzen herausfinden. Wie ist der Maximalwert für R_VOC (so will ich den Wert mal nennen), was für reine Luft steht. Und wie ist der Minimalwert für R_VOC, also für möglichst verpestete Luft.
• Ein frisch gelüftetes Zimmer sollte einen guten Basiswert geben für R_VOC-max
• Danach werde ich Lösungsmittel, die üblicherweise anschlagen, ausprobieren und damit R_VOC-min herausfinden. Dafür teste ich Ethanol, Tuolol, Aceton, Butan bzw. Propan, Ausatemluft etc.
• Dann haben wir einen Bereich von R_VOCmin (schlechte Luft) bis R_VOC-max (reine Luft). Bleibt noch zu überprüfen, ob dieser Wert eher linear oder nichtlinear, und wenn ja, mit welcher Kurve dieser verläuft.
• Damit können wir dann selbst eine passende Funktion ableiten, die R_VOC auf einen Luftqualitätsindex (IAQ) abbildet.
• Nebenbedingungen: Nicht öfter als einmal pro Sekunde messen. R_VOC ist stark von Temperatur und Feuchtigkeit abhängig. Um nicht auch das noch einzuberechnen, gehe ich von den üblichen Temperaturen und Luftfeuchtigkeit bei mir aus (22°C, 40-50 %RH). Und normalerweise sollte ein neuer Sensor schon min. 5 Tage gelaufen sein, um sich selbst kalibriert zu haben.

Experimente und deren Ergebnisse

Experimentale Abläufe lassen sich schwierig beschreiben, Experimente muss man sehen, besonders, wenn es um deren Verlauf geht:

Bezüglich der Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck-Werte ergibt sich folgendes Bild: