Homematic IP Feinstaubsensor HmIP-SFD
Luftqualität im Smart Home messen mit dem Homematic IP Feinstaubsensor
In jeder Minute holt ein erwachsener Mensch etwa 12 bis 18 Mal Luft ‒ pro Atemzug atmen wir dabei einen halben Liter Luft ein und aus, das sind rund 10.000 Liter pro Tag. Je nach Belastung beispielsweise bei Sport oder schwerer Arbeit liegt dieser Wert noch deutlich darüber. Wir sollten daher genau darauf achten, wie es um die Qualität dieses lebensnotwendigen Mediums in unserer Umgebung bestellt ist.
Mit unserem neuen Homematic IP Feinstaubsensor-Bausatz können wir eine der wichtigsten Schadstoffarten in der Luft genau analysieren und diese Messwerte in unserem Smart Home System auswerten.
Infos zum Bausatz
Smarter Feinstaubsensor
Grundlage für den Homematic IP Feinstaubsensor-Bausatz HmIP-SFD ist der hochwertige SPS30-Feinstaubsensor von Sensirion. Er hat vor Kurzem als erster Feinstaubsensor für den Massenmarkt die MCERTS-Zertifizierung erhalten. Der hochpräzise und langzeitstabile Laser-Feinstaubsensor ist in der Lage, Feinstaubpartikel (PM = Particulate Matter) aus der Umgebungsluft massen- und mengenmäßig in den Partikelgrößen PM10, PM4, PM2.5 bis hinunter zu PM1 zu erfassen und zu messen. Ein integrierter Sensorlüfter sorgt dabei für eine definierte Luftmenge im Erfassungszeitraum und die automatische Sensorreinigung. Unser Bausatz wurde zudem speziell dafür entwickelt, dass die Möglichkeit des passgenauen Einbaus in eine Spelsberg-Verbindungsdose Abox 040 besteht und somit im geschützten Außenbereich montiert werden kann (Schutzart IP43). Durch einen ebenfalls auf der Platine vorhandenen kombinierten Temperatur- und Feuchtesensor (Sensirion SHT20), können zusätzlich im Außenbereich die entsprechenden Werte erfasst werden. Durch die Integration in unsere Smart Home Zentralen CCU2/CCU3 besteht somit die Möglichkeit, Feinstaubwerte in den verschiedenen Partikelgrößen zu messen und auf erhöhte Feinstaubkonzentrationen sowohl im Innen- als auch im Außenbereich zu reagieren. Anwendungsfälle sind hier beispielsweise die Alarmierung, das (automatische) Öffnen/Schließen der Fenster je nach Herkunft der Schadstoffbelastung oder die Steuerung von Luftreinigungsgeräten bei erhöhten Feinstaubwerten.
Feiner Staub – große Wirkung
Neben Stickstoffdioxid, Ammoniak, Ozon, Schwefeldioxid und Kohlendioxid gehören Feinstäube zu den gefährlichsten Krankmachern in unserer Umgebungsluft. Der Verkehr steht dabei mit einem Anteil von 24 Prozent (Quelle: UBA) bei der direkten Emission von Feinstaub der Partikelgröße PM2.5 nicht einmal an erster Stelle. Wichtige Verursacher sind auch Haushalte und Kleinverbraucher (25 Prozent) sowie die Industrie (25,8 Prozent) (Bild 1).
Zwar gibt es EU-Grenzwerte (20 μg/m³ für PM2.5, seit 1.1.2020), allerdings liegen die Feinstaubwerte saisonal bzw. regional zeitweise deutlich darüber. Das ist verständlich, wenn man sich vor Augen führt, dass z. B. im Winter vermehrt geheizt und die Belastung durch Inversionswetterlagen zusätzlich erhöht wird. Da Feinstaub zu etwa 70 Prozent in der Atmosphäre gebildet wird, sind nicht nur die genannten primären Verursacher relevant, sondern beispielsweise auch die Landwirtschaft (Fleischerzeugung) mit Emissionen, die dann durch chemische Reaktionen zu erhöhten Feinstaubbelastungen führen können.
Fest steht: Feinstaub ist menschengemacht. Ob in Innenräumen durch Staubsaugen, Rauchen, Föhnen, beim Kochen oder durch Anzünden einer Kerze: Bei all diesen Vorgängen entstehen zum Teil hohe und schädliche Feinstaubkonzentrationen. Im Außenbereich machen sich die erwähnten Verursacher gerade in Städten oder Industriegebieten mit ihren Emissionen negativ bemerkbar. Wir als Menschen können zwar Feinstäube in hohen Konzentrationen erahnen, aber quantitativ nicht einordnen. Mit dem Homematic IP Feinstaubsensor ist dies nun sowohl innen als auch außen möglich.
Wichtig bei der Problematik der Feinstaubbelastungen sind auch die unterschiedlichen Partikelgrößen. Man unterscheidet allgemein folgende Partikelgrößen: PM10, PM4, PM2.5 und PM1, wobei PM10 und PM2.5 international verwendete Feinstaubkategorien sind. Dabei bezieht sich der genannte Wert auf die Größe der Partikel – im Beispiel bei PM10 auf den aerodynamischen Durchmesser der Partikel, der weniger als 10 Mikrometer (μm) beträgt.
Während Feinstäube in der Kategorie PM10, die meist mechanischen Ursprungs sind (z. B. durch Reifenabrieb, Stäuben aus der Landwirtschaft etc.), in Nase und Luftröhre gelangen und in geringen Konzentrationen noch abgehustet werden können, sind vor allem die Feinstäube mit den Partikelgrößen PM2.5 und besonders PM1 (Ultrafeinstaub) gefährlich (Bild 2).
Deren Partikel sind so klein, dass sie beim Einatmen über die Atemwege aufgenommen werden und bis in die Alveolen und Bronchiolen der Lunge vordringen können. Dort können sie zu Asthma, Lungenentzündungen oder Bronchitis führen. Ultrafeinstäube können von dort ins Blut gelangen und Entzündungsreaktionen hervorrufen, die zu Herz-Kreislauf-Erkrankungen führen können. Während gröbere Feinstäube relativ schnell absinken, halten sich zudem feinere Feinstäube länger in der Luft.
Schaltung des Homematic IP Feinstaubsensors
Das Schaltbild des Homematic IP Feinstaubsensors ist in Bild 3 zu sehen. Beginnen wir mit der Spannungsversorgung der Schaltung. Das Gerät wird über J1 mit einer Gleichspannung von 24 V (±5 %) versorgt. Es folgen die Sicherung F1, die der Überstrombegrenzung dient, und der spannungsabhängige Widerstand (VDR) RT1, der als Überspannungsschutz arbeitet. Die Spannung +24 VF unmittelbar nach der Sicherung wird für die Messung der Betriebsspannung eingesetzt. Darauf folgt als Verpolungsschutz die Diode D1. Eingangsseitig des Step-down-DC/DC-Wandlers U1 (TPS54061) finden sich vier Kapazitäten zur Spannungsstabilisierung (C1, C2, C4, C5). Die Widerstände R1 und R2 definieren als Spannungsteiler eine Unterspannungsschwelle zur Abschaltung der nachgeschalteten Elektronik über den Enable-Eingang von U1. R3 dient der Einstellung der Schaltfrequenz des Konverters. Der Kondensator C6 dient als eine Rückkopplungskapazität, über die die Ausgangsspannung des Wandlers überwacht wird. Die Spule L1 kommt als die Arbeitsinduktivität zur Erzeugung der Ausgangsspannung über die Schaltfrequenz zum Einsatz.
Der Widerstand R6 und die Kondensatoren C7 und C8 dienen dem Wandler intern zur Frequenzkompensation. Die Widerstände R4, R5 und R7 bilden einen Spannungsteiler für die Rückführung an die Spannungsregelung des DC/DC-Wandlers. Die Kondensatoren C9 bis C11 dienen der Spannungsglättung, -stabilisierung und -entstörung. Die so erzeugte Versorgungsspannung von 5 V dient der Versorgung des Feinstaubsensors. Für die restlichen Schaltungsteile ist allerdings eine weitere Abregelung der Versorgungsspannung auf 3,3 V notwendig. Diese Aufgabe übernimmt der Linearregler VR1 (S1206B33), dabei dienen die Kondensatoren C12 bis C14 als Pufferung bzw. als Störunterdrückung. Die Spannungsversorgung des Feinstaubsensors wird über die Transistoren Q1 und Q2 und den zugehörigen Widerständen R13 bis R15 realisiert. Diese wird über den Mikrocontroller bei Bedarf geschaltet.
Das zentrale Element der Schaltung ist der Microcontroller U2 (EFM32G210F128) aus der EFM32-Reihe von Silicon Labs. Die Kondensatoren C24 bis C31 dienen jeweils der Störunterdrückung und der Spannungsstabilisierung. Der Kondensator C22 ist der Entkopplungskondensator für den Mikrocontroller. Die Duo-Color-LED DS1 und der Systemtaster S1 bilden die Bedienschnittstelle für Anlern- und Signalisierungsvorgänge.
Der externe I2C-EEPROM U4 kommt hier als Speicher permanenter Daten zum Einsatz, wie etwa Konfigurationsparametern, oder zur Datenzwischenspeicherung bei Firmware-Updates, die hier, wie im Homematic IP System üblich, als OTAU (OTAU = Over the Air Update) erfolgt.
Der Temperatur- und Feuchtesensor U3 (SHT20) ist ebenfalls über denselben I2C-Datenbus angebunden und verfügt mit C20 über seinen eigenen Abblockkondensator. Für die zentrale Systemkommunikation ist das Funkmodul A1 für das 868/869-MHz-Band verantwortlich. Dessen zur Seite gestellte Kondensatoren (C15 bis C17) dienen der Spannungsstabilisierung und Entstörung. Die Widerstände R10 bis R12 bilden einen Spannungsteiler für die Betriebsspannungsmessung über den Mikrocontroller A/D-Wandler. Die Kapazität C19 ist für die Stabilisierung und Entstörung dieses Schaltungsteils eingesetzt, die Diode D3 dient als Spannungsbegrenzung, um den Mikrocontrollereingang vor einer unzulässig hohen Spannung zu schützen.
Nachbauanleitung
Der Bausatz wird bis auf wenige Löt- und Montagearbeiten weitgehend vorgefertigt geliefert. Der vollständige Lieferumfang ist in Bild 4 zu sehen. Der Aufbau beginnt mit einer Sichtkontrolle auf ordnungsgemäße Bestückung und Lötfehler entsprechend den Platinenfotos und den zugehörigen Bestückungsdrucken (Bild 5) und der Stückliste. Als Lötarbeiten stehen nur die Montage des Funkmodules A1 und der Stiftleiste J1 an. Dabei ist unbedingt auf die exakte Positionierung zu achten (Funkmodul plan auf der Hauptplatine aufliegend und die Stiftleiste rechtwinklig zur Hauptplatine), damit es bei dem späteren Gehäuseeinbau zu keinen Einpassungsschwierigkeiten kommt. Danach sind die Lötarbeiten abgeschlossen und wir können uns den weiteren Arbeiten an der Platine widmen.
Anleitung:
Der Zusammenbau des Geräts wird nachfolgend in einer Schritt-für-Schritt-Anleitung gezeigt.
Schritt 1
Auf der Platinenunterseite wird einer der mitgelieferten Schaumstoffstreifen in voller Länge aufgeklebt.
Schritt 2
Danach wird die Sensorleitung im Steckverbinder auf der Platinenunterseite eingesetzt und plan nach oben geführt. Für die Vorbereitung des Feinstaubsensors ist es zunächst erforderlich, die Schutzfolie des Sensors zu entfernen. Dabei wird diese vorsichtig mithilfe einer Pinzette an den Seiten gelöst und die Folie nach oben abgezogen.
Schritt 3
Danach erfolgt das Aufbringen des doppelseitigen Klebepads (hier ist kein Zuschnitt o. Ä. erforderlich, da dieses bereits auf den Sensor angepasst ist) mit leichtem Druck flächig auf die metallene Sensorunterseite.
Schritt 4
Die für die Sensoroberseite erforderlichen Schaumstoffstreifen werden, wie in der Explosionszeichnung zu sehen, auf 2 x 5 mm zugeschnitten und ein Streifen des Schaumstoffs zusätzlich komplett aufgeklebt.
Damit ist die Vorbereitung des Feinstaubsensors abgeschlossen und wir können uns dem Zusammensetzen des Geräts widmen.
Schritt 5
Die Platine wird vor der eigentlichen Sensormontage in die Gehäuseunterschale eingesetzt. Dafür wird die Platine leicht gekippt, damit der Temperatur- und Feuchtesensor unter die runde Öffnung in dem Gehäuseunterteil gelangt.
Schritt 6
Es folgt die Verbindung des Sensors mit der Platine. Dafür wird der Sensor mit der Sensorleitung durch das Einstecken des Leitungsendes verbunden. Danach wird die Schutzfolie des Sensorklebepads abgezogen und der Sensor mit leichtem Druck aufgeklebt.
Schritt 7
Die Sensorleitung wird nun neben den Kondensatoren auf der Platinenoberseite in dem dort vorhandenen Freiraum komprimiert.
Schritt 8
Nun wird die mitgelieferte Membrane für den Temperatur- und Feuchtesensor passgenau auf die runde Aussparung geklebt. Dabei ist darauf zu achten, dass diese genau positioniert wird, um den Sensor ausreichend vor Umwelteinflüssen zu schützen.
Schritt 9
Die Verlegung der Antenne erfolgt wie abgebildet. Sie wird in die Antennenhalter eingepresst und mündet in der Tasche am Ende.
Schritt 10
Der Lichtleiter wird von unten in den Lichtleiterschacht des Gehäuseoberteils eingesetzt. Er sollte sicherheitshalber von oben mit einem Stück Isolierband fixiert werden, damit er im Laufe der weiteren Montage nicht herausfällt.
Schritt 11
Für einen störungsfreien Dauerbetrieb des Geräts ist eine wirksame Abschottung gegen Insekten notwendig. Dafür wird das mitgelieferte Insektenschutzgitter zweckmäßig zugeschnitten.
Dabei werden zwei Teile mit einer Länge von 27,6 mm aus dem Bereich ohne Verbreiterung herausgeschnitten. Die zwei Gitter werden vor der Montage in das Gehäuseoberteil vorsichtig mit kleinen Stücken Isolierband an den Ecken verstärkt, um bei dem anschließenden Zusammensetzen der Gehäuseteile ein Verrutschen und Verklemmen zu verhindern.
Schritt 12
Nun erfolgt das Zusammensetzen des Gehäuses. Dabei werden vorsichtig die Schutzgitter jeweils zwischen die zwei Führungsstifte geführt, auch wird darauf geachtet, dass die Stiftleiste der Spannungsversorgung durch die zugehörigen Löcher im Gehäuseoberteil geführt wird.
Schritt 13
Sodann werden die zusammengesetzten Gehäuseteile mit den fünf mitgelieferten TORX-T6-Schrauben verschraubt, danach erfolgt das Entfernen des Lichtleiterisolierbands und das Aufstecken der Federkraftklemme für die Spannungsversorgung.
Nun ist der eigentliche Nachbau abgeschlossen und es erfolgt der Einbau in der Spelsberg-Verbindungsdose Abox 040.
Schritt 14
Die Verbindungsdose wird für den Einbau des Feinstaubsensors vorbereitet, in dem die unteren zwei Leitungsdurchführungen für die Zuluftröhre des Sensors geöffnet werden. Dabei wird allerdings nur der innerste Ring (Durchmesser ca. 7 mm) vorsichtig entfernt.
Für die Kabelverschraubung wird zusätzlich an der oberen linken Seite der Verbindungsdose die gesamte Gummifläche innerhalb des äußeren Rings herausgelöst.
Dann wird diese hindurchgeführt und von der anderen Seite die Gegenmutter auf der Kabelverschraubung fest aufgeschraubt. Es folgt die Montage der gefüllten Dose an den passenden Ort. Der zukünftige Montageort sollte gut belüftet und frei von direkter Sonneneinstrahlung und möglichst von direkter Bewitterung sein (z. B. unter dem Dachvorsprung an der Gebäude-Nordseite). Dabei ist der Feinstaubsensor unbedingt so zu montieren, dass die Zuluftröhren zum Boden zeigen.
Schritt 15
Die Montagelöcher in der Verbindungsdose sind nach der Verschraubung unbedingt mit den der Dose beiliegenden konischen Stopfen zu verschließen.
Schritt 16
Dann wird der Feinstaubsensor mit den Sensorzuluftröhren voran durch die Öffnungen der Dose gedrückt und mit den Sensorgehäusedomen auf die Zapfen gepresst. Als letzter Schritt der Installation ist die Federkraftklemme des Feinstaubsensors mit den zugehörigen Leitern der Spannungszuführung zu verbinden.
Inbetriebnahme und Konfiguration
Das Gerät wird, wie in Bild 6 zu sehen, mit einem 24-V-Gleichspannungsnetzteil (SELV) verbunden. Um Geräteparameter konfigurieren zu können, sind die entsprechenden Homematic IP Geräte an die Smart Home Zentrale (CCU2/3) oder den Access Point bzw. die Home Control Unit zuerst anzulernen. Danach können Verknüpfungen erstellt oder Geräteparameter eingestellt werden. Die Geräteparameter des Feinstaubsensors (Kanaleinstellungen usw.) sind beispielhaft für die CCU3 in den Bildern 7, 8 und 9 dargestellt. In Bild 10 wird die Darstellung in der Homematic IP App mit dem Access Point bzw. der Home Control Unit vorgestellt.
Die Tabelle zeigt die Eigenschaften der verbauten Sensoren.
Anlernen und Bedienung
Das Anlernen und die detaillierte Bedienung sowie das Verhalten bei Störungen sind in der zu jedem Bausatz mitgelieferten Bedienungsanleitung beschrieben.
Eigenschaften der verbauten Sensoren
| Parameter | Bereich | Auflösung | Toleranz |
| Temperatur | -20 bis +55 °C | 0,1 °C | Typ.: ±0,3 °C Max.: ±0,4 °C (bei 0‒55 °C) |
| Luftfeuchtigkeit (relativ) | 1‒99 % | 1 % | Typ.: ± 3 % Max.: ± 4,5 % (bei 20‒80 %) |
| Massenkonzentration PM2.5 | 0‒1000 μg/m³ | 0,1 μg/m³ | ±10 μg/m³ |
| Mengenkonzentration PM2.5 | 0–3000 1/cm³ | 0,1 1/cm³ | ±100 1/cm³ |
| Massenkonzentration PM10 | 0‒1000 μg/m³ | 0,1 μg/m³ | ±25 μg/m³ |
| Mengenkonzentration PM10 | 0–3000 1/cm³ | 0,1 1/cm³ | ±100 1/cm³ |
Technische Daten
| Geräte-Kurzbezeichnung: | HmIP-SFD |
| Versorgungsspannung: | 24 VDC, ±5 %, SELV |
| Stromaufnahme: | 26 mA max. |
| Schutzart: | IP20 (IP43 montiert in der Spelsberg Abox 040) |
| Umgebungstemperatur: | -20 bis +55 °C |
| Leitungsart und -querschnitt: | 0,08–1,5 mm2 (starr), 0,08–0,75 mm2 (flexibel) |
| Funk-Frequenzband: | 868,0‒868,6 MHz / 869,4‒869,65 MHz |
| Funk-Sendeleistung: | 10 dBm max. |
| Empfängerkategorie: | SRD category 2 |
| Typ. Funk-Freifeldreichweite: | 300 m |
| Duty Cycle: | < 1 % pro h/< 10 % pro h |
| Abmessungen (B x H x T): | 93 x 105 x 55 mm |
| Gewicht: | 64 g (166 g montiert in der Spelsberg ABOX 040) |
Stückliste
| Widerstände: | |
| 100 Ω/SMD/0402 | R8 |
| 470 Ω/SMD/0402 | R9 |
| 1 kΩ/SMD/0402 | R15 |
| 2,2 kΩ/SMD/0402 | R16, R17 |
| 8,2 kΩ/SMD/0402 | R12 |
| 10 kΩ/SMD/0402 | R7 |
| 39 kΩ/SMD/0402 | R2 |
| 47 kΩ/SMD/0402 | R10, R11 |
| 56 kΩ/SMD/0402 | R6 |
| 100 kΩ/SMD/0402 | R4, R13, R14 |
| 120 kΩ/SMD/0402 | R3, R5 |
| 390 kΩ/SMD/0402 | R1 |
| Varistor/30V/SMD | RT1 |
| Kondensatoren: | |
| 10 pF/50 V/SMD/0402 | C7 |
| 22 pF/50 V/SMD/0402 | C17 |
| 1 nF/50 V/SMD/0402 | C8, C19 |
| 10 nF/50 V/SMD/0402 | C6, C9, C24, C25 |
| 100 nF/16 V/SMD/0402 | C14, C16, C18, C20, C21, C27‒C30 |
| 100 nF/50 V/SMD/0603 | C5, C10 |
| 1 μF/16 V/SMD/0402 | C12, C13, C22, C23 |
| 10 μF/16 V/SMD/0805 | C11, C15, C26, C31 |
| 10 μF/50 V/SMD/1210 | C4 |
| 47 μF/50 V/SMD | C1, C2 |
| Halbleiter: | |
| TPS54061/SMD | U1 |
| ELV191712/SMD | U2 |
| SHT 20 | U3 |
| M24M01-DF DW 6 T G/TSSOP-8 | U4 |
| S1206B33U3T1/MCP1700T-3302E/MB/SOT89-3 | VR1 |
| IRLML6401/SMD | Q1 |
| BC847C/SMD | Q2 |
| GS1MDWG/SMD | D1 |
| PESD3V3S1UB/SMD | D2, D3 |
| Duo-LED/rot/grün/SMD | DS1 |
| Sonstiges: | |
| Speicherdrossel, SMD, 100 μH/260 mA | L1 |
| Sender-/Empfangsmodul TRX3-TIF | A1 |
| Taster mit 0,9-mm-Tastknopf, 1x ein, SMD, 2,5 mm Höhe | S1 |
| Sicherung, 375 mA, träge, SMD | F1 |
| Stiftleiste, 1x 2-polig, gerade, THT | J1 |
| Steckverbinder, Stiftleiste, ZH-Serie, SMD | J2 |
| Federkraftklemme, 2-polig, Drahteinführung 90°, steckbar, RM=5 mm | |
| SPS30, Feinstaubsensor | |
| flexible Leitung 6 cm, konfektioniert | |
| Klebeband, doppelseitig für PM2.5, Sensor-Befestigung, bearbeitet | |
| Gehäuseunterteil, grau | |
| Gehäuseoberteil, grau, bedruckt (Laser) | |
| Andruck-Streifen, selbstklebend | |
| gewindeformende Schrauben, 1,8 x 8 mm, TORX T6 | |
| Insektengitter | |
| Membrane, selbstklebend, Ø 12 mm | |
| Lichtleiter |