CO2-Projekt

Inhaltsverzeichnis

  1. Projekt “Der CoronaKilla 3000”
    1. Projektphasen
    2. Status
    3. Releases
    4. Erkenntnisse aus der Pilotphase
    5. Risikomanagement
  2. Benutzungsanleitung zur CO2-Messstation
    1. Ziel
    2. Haftungsausschluss
    3. Bedienung
    4. Technik, Bauteile
    5. Mögliche Fehlerfälle
    6. Weiterführendes Projekt an der HSS
    7. Danksagung
    8. Literatur

1 Das Projekt “Der CoronaKilla 3000”

An den Schulen stellte sich in den Monaten der Corona-Pandemie im Jahr 2020 oft die Frage: „Muss das Klassenzimmer wieder gelüftet werden, oder ist die Luftqualität noch hoch genug?“ Eine sogenannte CO2-Ampel kann Schülern und Lehrkräften anzeigen, wann es dringend geboten ist, die Fenster zu öffnen und Sauerstoff ins Zimmer und CO2 mit Aerosolen raus zu lassen.

Die Schüler des Zweijährigen Berufskollegs für Informations- und Kommunikationstechnik (2BKI2) bauen in einem fachbereichsübergreifenden Projekt unter der Anleitung von Frau Loff (Software) und Herrn Benz (Elektrotechnik / Hardware) eine Lösung für das Internet der Dinge (IoT). Ihre selbst gebauten Luftqualitäts-Messtationen zeigen die im Klassenzimmer gemessenen Werte für alle sichtbar an. Zusätzlich werten die Schüler die von den CO2-Ampeln über WLAN gesammelten Daten zentral aus und schlagen Verbesserungen vor, deren Wirkung (sofern finanziell gleich umsetzbar) dann wiederum gemessen werden soll.

1.1 Projektphasen

  1. Vorbereitung/Entwicklung: Entwurf und Bau der CO2-Messtationen zur lokalen Anzeige und Datensammlung
  2. Piloteinsatz: Datensammlung, Datenanalyse, Verbesserungsvorschläge, Ergebnispräsentation 
  3. Go-Live: Installation, Prozesse (Wartung etc.) starten, Qualitätsverbesserungszyklus starten
  4. Projektabschluss: Lessons Learned (Retrospektive), Ergebnispräsentation
  5. mögliches Folgeprojekt/Erweiterungsidee: Hinzufügen eines Lautstärkesensors zur weiteren Erhöhung der Nachhaltigkeit der Messtationen

1.2 Status

Die Software für die lokalen CO2-Messtationen (ohne Datensammlung, V1.0.0) wurde fertig gestellt. Die ersten einsatzfähigen Messtationen wurden durch den Lötunterricht der 2BKI1 fertig gestellt und mit der Software versorgt.

Die Software ist um die Sammlung der Daten erweitert (V2.0.0) worden.
Die bisher fertiggestellten Stationen wurden in die nach dem Dezember/Januar/Februar-Lockdown wieder belegten Räume verteilt.

Zudem wurde mit der Datensammlung begonnen. Eine erste Anzeige ist fertig.

Im Projekt folgt jetzt erst die Fertigstellung der 19 CO2-Stationen der 2BKI2 und die Erweiterung der Ampel-Software für die Sammlung; dann die Verteilung dieser Stationen und die Auswertung der Daten der Messstationen in der HSS. 

Interessanterweise wird die Datensammlung jetzt bereits in einem anderen Unterricht zum Lehren von Datenbankbearbeitung eingesetzt (ME). Wann hat man schon mal so eine Masse von aktuellen Primärdaten im Unterricht? 🙂

1.3 Releases

V1.0.0  Januar 2021 Standalone Stationssoftware für die Neopixelstationen
V2.0.0   März 2021 Software für die Neopixelstationen mit zentraler Datensammlung und UI

1.4 Erkenntnisse aus der Pilotphase

Die Pilotphase wurde gerade erst gestartet. es gibt also noch keine gesicherten Erkenntnisse und Verbesserungsvorschläge.

Vorläufig (nicht gesichert):

a) Aus einem allerersten Einsatz mit einem Prototyp hat eine Lehrkraft berichtet, dass die Station das erste Mal nach 20 Minuten Unterricht zum Lüften aufforderte, das bereits vorgeschrieben ist und auch durchgeführt wurde. Für die empfohlene Querlüftung sorgte die offene Klassenzimmertür. Der CO2-Wert sank recht schnell (die Temperatur im Klassenzimmer auch). Nach der vorgeschriebenen Lüftungszeit wurden die Fenster wieder geschlossen. Dann zeigte die Station bereits nach 15 Minuten, im nächsten Intervall nach 10 Minuten an, dass gelüftet werden sollte. Das geschah jeweils. Das Projektteam folgerte daraus, dass die CO2-Stationen zur Optimierung des präventiven Pandemieverhaltens notwendig sind.

b) Eine Lehrkraft hat berichtet, dass die Station im Laufe des Unterrichts in einem Klassenraum  immer höhere Werte anzeigte (bis 1200) und nach dem Lüften wieder normale Werte anzeigte. Die Warnung funktioniert also.

1.5 Risikomanagement

Risiko: Pandemie-Lockdown (teilweise) Schulschießung

Anmerkung (04.03.2021-LO): Seit 2 Wochen dürfen unsere Abschlussklassen wieder in die Schule und die 2BKI2 lötet bereits erfolgreich ihre Stationen. In weiteren zwei Wochen werden wir daher vermutlich weitere 19 CO2-Stationen fertig und verteilt haben.
Da auch andere Klassen zeit- und teilweise wieder in die Schule kommen dürfen, wurden die bisher fertiggestellten Stationen in die belegten Räume verteilt. Zudem wurde mit der Datensammlung begonnen. Eine erste Anzeige ist fertig. Mitigation für den (womöglich) nächsten Lockdown mit Schulschließungen: Rasch die Stationen löten und zusammenbauen, denn die Steck-Prototypen waren für den Onlineuntericht schlecht geeignet (ständig löste sich irgendwo ein Kabel mit schwieriger Videofehlersuche).

Anmerkung (16.12.2020-LO): Aufgrund der dem Pandemieverlauf geschuldeten erneuten Schulschließungen und damit einher gehendem Onlineunterricht ist die Weiterarbeit erstmal auf die bestehenden Stationen und die Sammlung von Daten bei den Schülern der 2BKI2 mit ihren Stationen in ihren “Home-Offices” beschränkt. Das Projekt wird im Onlineunterricht fortgesetzt, solange dies pandemiebedingt notwendig ist.
Damit ist eines der vorab bereits identifizierten, möglichen Projektrisiken eingetreten und die vereinbarte Risiko-Maßnahme wird jetzt umgesetzt.
(die SuS haben ihre Materialkisten zuhause).

4 Benutzungsanleitung zur CO2-Messstation

4.1 Ziel

Durch die im Schuljahr 20/21 an der HSS im Unterricht gebauten lokalen CO2-Meßstationen wird den Personen im Raum ein Hinweis auf die Luftqualität gegeben. Zu viel Kohlendioxid in der Raumluft, hat zur Folge, dass die Denkleistung nachlässt. Durch die Werte der Luftqualität kann aber auch ein Gefährdungsrisiko durch Corona abgeleitet werden. Denn wenn viel ausgeatmetes CO2 in der Luft ist, sind auch viele Aerosole in der Luft. Das sind kleinste Teilchen, an die sich bei einer infizierten Person auch Sars-CoV-2-Viren aus den Atemwegen anheften. Eine hohe Konzentration von Aerosolen erhöht hier also das Risiko für alle anderen im Raum, sich anzustecken.

Das Lüftungsverhalten kann durch CO2-Meßstationen optimiert werden und die Wahrscheinlichkeit dass ein Lüften vergessen wird sinkt.

Alle Coronamaßnahmen, die von der Regierung oder der Schulleitung vorgeschrieben sind, sind unabhängig von den Werten der Meßstation durchzuführen, insbesondere muss das derzeit geltende Stoßlüften alle 20 Minuten immer durchgeführt werden, egal was die Ampel anzeigt.

Das farbliche Ampelsystem zeigt die Konzentration von CO2 (genau genommen einen äquivalenten CO2 Wert), der nach Empfehlung der Virologen geeignet ist, die Belastung durch Aerosole anzuzeigen.

Die Grenzwerte sind gemäß den Empfehlungen der Wissenschaftler zur aktuellen Corona-Pandemielage entsprechend wie folgt:

ROT = gesundheitsgefährdend, mindestens sofort kräftig Lüften, ggf. Raum verlassen ! (CO2 > 2000ppm)

GELB = Lüften bitte! Personen im Raum sind nicht ausreichend vor Ansteckung durch das Corona-Virus geschützt.  (CO2 zwischen 1000 und 2000ppm)

GRÜN = OK/unbedenklich (CO2 < 1000ppm) Zur Information: In der frischen Luft draußen liegt die CO2-Konzentration bei ca. 400 ppm.

Es wurden zwei verschiedene Aufbauten erstellt, einen mit mit einem LED-Ring und einen mit Ampel zur Anzeige der CO2-Konzentration.

Je nach Wert werden im LED-Ring mehr oder weniger Lampen einer Farbe angezeigt. Dadurch ist in dieser Variante die Entwicklung des Wertes besser sichtbar.

Die Variante der Meßstation mit der rot-gelb-grün-Ampel misst recht zuverlässig noch Luftfeuchtigkeit und Temperatur.

Die gemessenen Werte werden im Display angezeigt. Alle 5 Sekunden misst die Station neue Werte.

Auf die Anzeige des TVOC-Wertes wurde zur Auslieferung verzichtet, da die Zielgruppe daran kein Interesse hat.

Es gibt eine Softwarevariante zur lokalen Verwendung (V1.x.y) und eine mit Datensammlung (V2.x.y).
Die Version Ihrer Station steht auf dem LCD-Display.

4.2 Haftungsausschluss   

Die CO2-Meßstationen wurden von Schülern der HSS selbst gebaut, es sind keine geprüften und zertifizierten Profigeräte. Die Stromversorgung erfolgt über ein zugelassenes Netzteil. Intern arbeitet die Station mit 5V. Es kann keine Haftung für durch/von/mit der Station erzeugte Schäden übernommen werden.

Alle Coronamaßnahmen, die von der Regierung oder der Schulleitung vorgeschrieben sind, sind unabhängig von den Werten der Meßstation durchzuführen, insbesondere muss das derzeit geltende Stoßlüften alle 20 Minuten immer durchgeführt werden, egal was die Ampel anzeigt.

4.3 Bedienung

Die lokale Messstation wird in einem Raum einfach in eine Steckdose gesteckt und zeigt zuerst einmalig die Identifikationsnummer (MAC-Adresse) des Gerätes und fängt dann nach ca. 1 Minute an, Werte anzuzeigen. Die genauen Werte, werden erst nach ca. 20 Minuten Aufwärmzeit, angezeigt. Vor diesen 20 Minuten sind die Messwerte relativ ungenau. Es empfiehlt sich also, die Stationen fest zu installieren und nicht vom Strom zu trennen oder sie über eine Powerbank o.ä. zu versorgen. Das Einbrennen (48 Stunden) des Sensors erfolgt durch die Schüler bzw. die Lehrkräfte gleich nach dem Bau.

„Der CCS811 kalibriert sich automatisch. Wir empfehlen jedoch, mindestens einmal am Tag komplett durchzulüften, damit der Sensor den eCO2-Nullpunkt neu ermittelt.“ (B3) Ein optimaler Aufstellungsort ist in der Mitte des Raumes in Atemhöhe (bei sitzenden Personen ca. 1,5m). Im Klassenzimmer sind die Begebenheiten selten so optimal nutzbar. Dann müssen Sie einen Kompromiss finden, indem Sie die Station an verschiedenen Stellen testen.

4.4 Technik, Bauteile

In den Stationen steckt ein ESP32-Mikrokontroller, ein LCD-Display, ein Neopixelring bzw. Ampel (dort auch der DHT22) und einige benötigte elektrische Bauteile wie der CO2-Sensor CCS811, Kondensatoren und Widerstände.

Der verwendete Sensor „CCS811 ist ein Gassensor, der zur Überwachung der Luftqualität dient und eine große Anzahl an flüchtiger, organischer Verbindungen (VOC) messen kann.

Die Daten des Sensors können in einen Gesamtwert flüchtiger, organischer Verbindungen (TVOC) oder in einen KohlenstoffdioxidÄquivalent-Stand (eCO2) konvertiert werden kann.“ (s. link zum Hersteller unten)

In den Messtationen wird das KohlenstoffdioxidÄquivalent zur Anzeige des CO2 verwendet.

4.5 Mögliche Fehlerfälle

Meistens dürfte zur Behebung eines Fehlers/Problems ein Neustart (Stromversorgung trennen und wieder einstecken) zur Behebung reichen. Hier ist eine Liste uns bekannter möglicher Fehler:

A) „CCS811 nicht gefunden“

    • Grund: Der Luftqualitätssensor CCS811 funktioniert nicht.
    • Ursache: können die Abdeckung des Sensors (liegt „auf dem Rücken“), gelockerte Kabel oder ein defekter Sensor sein.
    • Behebung: Stellen Sie die Station wieder aufrecht hin und entfernen Sie den Strom von der Messstation und schließen Sie den Strom wieder an.

B) Das Display zeigt keinen Wert mehr an

  • Ursache: Möglicherweise ist das Display defekt.
  • Behebung: Versuchen sie zur Behebung einen Neustart der Station

C) Die Leuchtanzeige zeigt den Wert nicht mehr korrekt an

  • Ursache: Möglicherweise ist eine LED defekt.
  • Behebung: Versuchen sie zur Behebung einen Neustart der Station

D) Der CO2-Wert steigt (sehr schnell) auf seinen sehr hohen Wert

  • Ursache: Es sind andere Aerosole in der Luft. Zum Beispiel wurde ein Deo, Reinigungsmittel oder ähnliches im Raum benutzt
  • Behebung: -> kräftig Lüften!
  • Ursache: Der Sensor hat sich aus welchen Gründen auch immer „verschluckt“
  • Behebung: Neustarten = Strom ein/anschalten (seit V1.0.0 haben wir einen regelmäßigen, automatischen Neustart des CCS811-Sensors eingebaut, der diesen Fehler nicht mehr erscheinen lassen sollte)

E) Die Station ist auch nach einem Neustart nicht voll funktionsfähig.

  • Ursache: Möglicherweise sind Elemente defekt oder es haben sich Verkabelungen gelöst (ist die Station vielleicht heruntergefallen?). Das wäre nur durch Öffnen der Station und weiterer Analyse feststell- und behebbar.
  • Behebung: Informieren Sie in diesem Fall das Projektteam (HSS/2BKI2-Benz/Loff).

4.6 Weiterführendes Projekt an der HSS

Die lokalen Messstationen innerhalb der HSS sind Teil eines größeren Projektes der 2BKI2, das auch die Sammlung und Auswertung der CO2-Daten beinhaltet um Verbesserungen der Pandemiemaßnahmen vorzuschlagen und zu verifizieren. Diese Datensammlung und -anzeige erfolgt über das schuleigene W-LAN über RaspBerry PIs, MQTT und NodeRed in einer Datenbank.

Weitere Informationen finden Sie auf der HSS-Homepage unter https://www.hss-wiesloch.de/co2-projekt/

QR-Code zur Informationsseite des CO2-Projektes der HSS

4.7 Danksagung

Das Kern-Projektteam (2BKI2) dankt dem Schulträger für die finanzielle Unterstützung für dieses Lernprojekt, dem Schulleiter für seine wohlwollende Begleitung, der 2BKI1 für den Zusammenbau vieler Stationen, Frau Janzen-Frey für die Unterstützung bei der korrekten Abwicklung der Bestellungen und allen Schulmitgliedern für das Sammeln von Erfahrungen und die Rückmeldungen an das Projektteam.

4.8 Literatur

A)  https://www.umweltbundesamt.de/richtig-lueften-in-schulen#was-nutzen-co2-ampeln-und-wie-setze-ich-sie-richtig-ein

B) (Hersteller-)Informationen zum verwendeten Sensor CCs811:

  1. Einbrenn- und Aufwärmzeit: CCS811 Sensor – Joy-IT (joy-it.net)
  2. SEN-CCS811V1-Datenblatt-02.11.2020.pdf (joy-it.net)
  3. https://www.neoe.io/blogs/tutorials/eco2-sensor-thermometer-hygrometer-mit-oled-display-mqtt-kompatibel-variante-breadboard