Hvad betyder det, når man integrerer gassensorer i overvågningsdesign for luftkvalitet

Overvågning af luftkvalitet er ved en skillevej. Traditionelle løsninger, for det meste de statslige sponsorerede overvågningsstationer, er store og dyre, og de analyserer normalt begrænsede luftprøver. I mellemtiden har overvågningssystemer til luft i hjemmet og industrien længe anvendt teknologier til sensering af etablerede gasser til både overvågning af miljøkvalitet og lækagedetektion.

Imidlertid har disse gassensorer et relativt stor størrelse og bruger typisk meget strøm. De mangler også de behandlingsfunktioner, tilslutningsmuligheder og sikkerhed, der kræves for opgraderinger til udførelse af selvdiagnosticerings- og rapporteringsrutiner, der er grundlæggende for moderne Internet of Things (IoT) og Industrial IoT (IIoT) applikationer.

For at løse disse problemer dukker der højt integrerede og fleksible gassensorløsninger op fra leverandører som f.eks Cypress Semiconductor, Gas Sensing Solutions, IDT, Renesas og Sensirion. Disse bringer højere integration, processorkraft, sikkerhed og tilslutningsmuligheder og lover mere nøjagtige målinger for at opdage miljøændringer i hjem, bygninger, biler, hospitaler og fabrikker.

Denne artikel introducerer nogle nylige eksempler og viser, hvordan de imødekommer designernes behov ved hjælp af for-kalibrerede design og for-kompileret firmware. Det vil også se på, hvordan kalibrering og hukommelsesfunktioner letter forskellige sensorkonfigurationer ved hjælp af referencedesign og hardwarekits.

Hvad man skal kigge efter i gassensorer til IoT

Fremskridt inden for mikroelektromekaniske systemer (MEMS) er blevet en grundlæggende mulighed for miniature, billige gassensorer. Efterhånden som MEMS-teknologien forbedres, forbedres sensorerne nøjagtighed og pålidelighed også. Sammen med hurtig responstid er disse vitale egenskaber, der bestemmer en gassensors evne til at overvåge miljøet.

Selv om den underliggende gasfølsomheds-teknologi er vigtig, er de imidlertid ikke den eneste afgørende faktor for en sensors ydelse. I stedet giver forbedringer i kalibreringsfunktioner, designere valgmuligheder med hensyn til gastype, koncentrationsområde og omkostninger. Forbedring af firmware går også hånd i hånd med kalibreringsfunktioner, der hjælper designere hurtigt med at integrere gassensorer i en række IoT-applikationer.

Desuden kan gassensorer på en enkelt chip hurtigt integreres i IoT-overvågning af luftkvalitet ved hjælp af for-kalibrerede sensorenheder med forudkompileret firmware. Disse kompakte sensorer er elektrisk kalibreret med gas, for at sikre konsistens fra parti til parti. Desuden gemmer den indbyggede ikke-flygtige hukommelse (NVM) i sensorenheden konfigurationen og giver plads til andre data.

Udover for-kalibrering styrker den for-kompilerede firmware integration og nøjagtighed, samtidig med at strømforbruget hos gassensorer sænkes markant. Den for-kompilerede firmware forenkler også det samlede udviklingsarbejde, hvilket giver designere mulighed for at tilføje nye sensingfunktioner uden at ændre hardware, mens de tillader systemopdateringer efter installationen.

For-kalibrerede gassensorer

Tag eksemplet med IDT'er ZMOD4510IA1R gas-sensormodul, der kan kvantificere koncentrationer helt ned til 20 ppm. Det er optimeret til påvisning af spor af atmosfæriske gasser såsom nitrogenoxider (NOx) og ozon (O₃), to hovedårsager til usund luftkvalitet udendørs. Den digitale gassensor er designet til at overvåge udendørs luftkvalitet i henhold til Air Quality Index (AQI) fra det amerikanske miljøbeskyttelsesagentur (EPA). Sensormodulet har en dimension på 3,0 mm x 3,0 mm x 0,7 millimeter (mm) og omfatter et gassensorelement og en signalbehandlings-IC (figur 1).

Figur 1: ZMOD4510IA1R gas-sensorsmodul bruger algoritmer til beregning af koncentrationen af udendørs gasser. (Billedkilde: IDT)

I ZMOD4510IA1R består følerelementet af et varmeelement på en siliciumbaseret MEMS-struktur og en metaloxid (MOx) kemi-resistor. Signalkonditionering IC styrer sensortemperaturen og måler MOx-ledningsevnen, som er en funktion af gaskoncentrationen.

Udover kalibreringsfunktioner er ZMOD4510IA1R, baseret på velafprøvet MOx-materiale, meget modstandsdygtig over for siloxaner for pålidelighed i barske miljøer. For hurtigere prototypering og udvikling understøttes den af ZMOD4510-EVK-HC gassensor-evalueringssæt, der giver mulighed for, at gas-sensormodulet kan testes og evalueres via en tovejs USB-forbindelse til en Windows^®-baseret PC. Et mikrocontrollerbaseret modul på EVK styrer I²C-kommunikationsgrænsefladen for at vise det målte output af ozon og nitrogenoxider (figur 2).

Figur 2: ZMOD4510-EVK lader hurtigt designere evaluere ZMOD4510 gassensor, ved hjælp af sin indbyggede evalueringssoftware. (Billedkilde: DigiKey)

IDTs HS300x række af fugtigheds- og temperatursensorer har også integreret kalibrerings- og temperaturkompensationslogik for at give fuld korrigeret relativ fugtighed (RH) og temperaturværdier via standard I²C output. RH er forholdet mellem det partielle tryk af vanddamp og ligevægtsdamptrykket af vand ved en given temperatur.

Ingen bruger-kalibrering af outputdata er påkrævet, og de målte data korrigeres internt og kompenseres for nøjagtig drift over et bredt interval af temperatur- og fugtighedsniveauer. Det HS3001, HS3002, HS3003, og HS3004 MEMS-sensorer måler 3 x 2,41 x 0,8 mm og er kun forskellige med hensyn til nøjagtighed af måling af relativ fugtighed og temperatur.

Cloud-baseret luftovervågning

Designere kan bruge gassensorer til logning af luftkvalitet enten ved lokalt at behandle dataene eller ved at udvikle indsigt over tid ved hjælp af en cloud-baseret platform via en IP-forbindelse. Her letter hardwarekit sikker cloud-forbindelse og overvågningskontrol gennem et dashboard.

F.eks YSAECLOUD2 AE-Cloud2-kit fra Renesas er et referencedesign bygget omkring virksomhedens Synergy S5D9 mikrocontrollere. Det giver udviklere mulighed for at forbinde enheder som ZMOD4510IA1R gassensor og HS3001 fugtighedssensor til cloud-tjenester via W-Fi, mobil- og andre kommunikationskanaler. IoT-kittet giver også udviklere mulighed for at visualisere sensordataene på et instrumentbord i realtid.

Der er mange alternativer tilgængelige for udviklere, der har brug for at overvåge indendørs og udendørs luftkvalitet ved hjælp af cloud-baserede platforme. DigiKey's egen Næste generations smart luftkvalitetsovervågning

cloud-aktiveret gassensorplatform kombinerer Cypress Semiconductor's PSoC 6 mikrocontrollere med gas- og støvsensorer fra Sensirion (figur 3). PSoC 6-mikrocontrollere leverer programmerbare perifere enheder til interface med enhver Sensirion-sensor.

Figur 3: Vist er et overvågningsdesign for luftkvalitet til smarte hjem og bygninger, der sender data til cloud’en via Wi-Fi-links til præsentation på et instrumentbræt. (Billedkilde: DigiKey)

Det er vigtigt at bemærke, at de fleste IoT-knudepunkter, der overvåger luftkvaliteten, både indendørs og udendørs, er energibegrænsede, og de forsynes ofte af et batteri. Til disse applikationer forlænger PSoC 6 batteriets levetid på grund af dets lave strømforbrug. Det er baseret på en dual-core ARM® Cortex®-M-arkitektur bygget på en 40 nanometer (nm) procesteknologi. Det aktive strømforbrug er 22 μA/MHz for M4-kernen og 15 μA/MHz for M0+ kernen. Derudover understøtter mikrocontrolleren sikker opstart, sikker firmwareopdateringer og hardwareaccelereret kryptografi til gas-sensorer i smarte hjem og industrielle miljøer, hvor datasikkerhed og brugernes privatliv altid er et problem.

PSoC 6-mikrocontrollere sammen med gasføleropløsninger fra Sensirion kan hjælpe med at skabe applikationer til luftrensere, efterspørgselsstyret ventilation og andre applikationer til overvågning af indendørskvalitet. De tilsluttede overvågningsanordninger kan præcist kontrollere miljøet ved hurtigt at reagere på miljøfeedback.

Tag f.eks. Sensirion's SGP30 gassensor, der kombinerer flere metaloxid-sensingelementer eller pixels på en enkelt chip til måling af både totale flygtige organiske forbindelser (TVOC) og et CO₂ ækvivalent signal (CO_2eq). VOC'er stammer fra nye produkter og byggematerialer såsom tæpper, møbler, maling og opløsningsmidler; tVOC refererer til den samlede koncentration af VOC'er, der er til stede i luften, og er en hurtig måde at vurdere indendørsluftkvalitet.

SGP30 kan måle tVOC og CO_2eq på en fælles membran i en lille pakke, der måler 2,45 x 2,45 x 0,9 mm. I modsætning til traditionelle gassensorer, der mister stabilitet og nøjagtighed efter et par måneder, på grund af kemiske forbindelser kaldet siloxaner, er følerelementerne i denne multigassensor modstandsdygtige over for denne type forurening. Denne funktion sænker drift for at sikre langsigtet stabilitet.

Sensorelementerne i SGP30-gassensoren er lavet af en opvarmet film af MOx-nanopartikler. Sensirion har også embedded de andre sensorkomponenter, varmelegeme og elektroder, i chippen for at mindske sensorens størrelse (figur 4).

Figur 4: SGP30 multi-gassensoren integrerer fire sensing-elementer eller pixels i en enkelt chip, der har en temperaturstyret mikroplade og et I²C-interface. (Billedkilde: SENSIRION)

For yderligere at hæve niveauet for integration har Sensirion kombineret SGP30-gassensoren med dens SHTC1 fugtighed og temperatursensor for at oprette et kombineret sensormodul; SVM30. Sammen med flere sensor-elementer inkluderes analog og digital signalbehandling, en analog-til-digital konverter (ADC), kalibrering og datahukommelse og en digital kommunikationsinterface, der understøtter I²C standardtilstand.

Gasfølerhastighed

Sensinghastighed er en anden snubletråd, når det kommer til det hurtigt skiftende CO₂ niveauer i åndedrætsanalyse og andre realtidsapplikationer til luftovervågning. Der er behov for gassensorer for at øge samplinghastigheden markant, især for batteridrevne sensorer til indendørs luftkvalitet.

Gas Sensing Solutions har bygget SprintIR-WF-20 gassensor omkring indium antimonide LED-teknologi og optiske design. Som sådan undgår man både bevægelige dele (MEMS) og opvarmede filamenter (figur 5). Den fanger 20 målinger i sekundet og leveres med en valgfri gennemstrømningsadapter. Derudover har SprintIR-WF-20 tre måleområder: 0 - 5 %, 0 - 20 % og 0 - 100 % CO₂ koncentrationer. Dets nøjagtighed er ±70 ppm (+5 % af læsningen).

Figur 5: SprintIR-WF-20 CO₂ sensor er tilgængelig med muligheder for at understøtte enten gennemstrømning eller diffusionsstrukturer. (Billedkilde: DigiKey)

Sensoren kommunikerer via en simpel UART-interface med en række trådløse IoT-netværk såsom Zigbee, LoRaWAN, Sigfox og EnOcean. Ved 35 milliwatt (mW) har SprintIR-WF-20 behov for langt mindre strøm end typisk ikke-forstyrrende infrarød (NDIR) CO₂ sensorer; det løber fra 3,25 til 5,5 volt og trækker en gennemsnitlig strøm på under 15 mA (100 mA, top). Disse tal gør SprintIR-WF-20 velegnet til batteridrevne enheder, f.eks. Den nye firmware forbedrer batteriets levetid yderligere og øger CO₂ sensing-nøjagtighed.

Gassensoren leveres med et evalueringskit, EVKITSWF-20, så alle designere skal gøre er at forbinde CO₂ sensor til en computer via en USB-stick og begynde at logge sensordata. USB-stikket indeholder den selvinstallerende evalueringssoftware. Det er værd at nævne, at auto-kalibrering fungerer til de fleste applikationer til overvågning af luftkvalitet, skønt evalueringskittet giver udviklere mulighed for at nul-kalibrere for specifikke miljøer.

Konklusion

Designere af gasføleapparater til IoT og IIoT enheder og systemer bevæger sig væk fra traditionelle, store, selvstændige design. Når de gør det, er de nødt til at kigge efter gassensorer, der giver dem mulighed for at forbedre nøjagtighed, pålidelighed og responstid og lavere omkostninger og strømforbrug; alt sammen med fuld brug af funktionerne i IoT og cloud-baseret dataindsamlings- og analyseplatforme. Andre kernefunktioner, man skal se efter, er interface-design, sensinghastighed og koncentrationsområde

Som vist, er der mange tilgængelige løsninger, der ikke kun imødekommer designernes behov, men også forenkler integrationen af disse forbedrede sensingfunktioner i små formfaktorer, der er en nødvendighed for batteridrevne enheder. De inkluderer også kalibreringsfunktioner og firmware der kan opdateres som er kritiske for den effektive konfiguration og rekonfiguration af design til kontrol af luftkvalitet. Ved hjælp af disse gassensorer kombineret med cloud-forbindelse kan designere arbejde inden for stærkt understøttende hardware- og softwareøkosystemer for at imødekomme de nuværende og fremtidige IoT- og IIoT-designkrav.