Det viktigste ved integrering av gassensorer i overvåkingsenheter for luftkvalitet

Luftkvalitetsovervåking står ved et veiskille. Tradisjonelle løsninger, som regel statlig drevne overvåkingsstasjoner, er store og dyre, og de analyserer vanligvis begrensede luftprøver. Samtidig har overvåkingssystemer for hjemmet og industrien lenge brukt moderne gassensorteknologier for både overvåking av miljøkvalitet og lekkasjeoppdagelse.

Disse gassensorene har imidlertid et relativt stort fotavtrykk og bruker vanligvis mye strøm. De mangler også behandlingsfunksjonene, tilkoblingsmulighetene og sikkerheten som er nødvendig for at oppgraderinger skal utføre selvdiagnostikk- og rapporteringsrutiner som er grunnleggende for moderne programmer for IoT (Internet of Things) og IIoT (Industrial Internet of Things).

Leverandører som Cypress Semiconductor, Gas Sensing Solutions, IDT, Renesas og Sensirion utvikler nå høyintegrerte og fleksible gassensorløsninger for å håndtere disse problemene. Disse leverer bedre integrering, prosessorkraft, sikkerhet og tilkoblingsmuligheter, og skal gi mer nøyaktige målinger for å oppdage miljøendringer i boliger, bygninger, biler, sykehus og fabrikker.

Denne artikkelen introduserer noen nylige eksempler og viser hvordan de innfrir behovene til utviklere som bruker forhåndskalibrerte design og forhåndskompilert fastvare. Den ser også på hvordan kalibrerings- og minnefunksjoner forenkler ulike sensorkonfigurasjoner ved hjelp av referansedesign og maskinvaresett.

Dette bør du se etter i IoT-gassensorer

Fremskritt innen mikroelektromekaniske systemer (MEMS) har blitt en grunnleggende støttespiller for små og rimelige gassensorer. Etter hvert som MEMS-teknologien blir bedre, blir også sensorenes nøyaktighet og pålitelighet bedre. I tillegg til rask responstid, avgjør disse viktige egenskapene om en gassensor er i stand til å overvåke miljøet.

Men selv om den underliggende gassensorteknologien er viktig, er den ikke den eneste avgjørende faktoren for sensorens ytelse. I stedet gir bedre kalibreringsfunksjoner utviklere muligheten til å velge gasstype, konsentrasjonsområde og kostnader. Fastvareforbedringene går også hånd i hånd med kalibreringsfunksjoner, slik at utviklere kan integrere gassensorer i flere IoT-programmer enda raskere.

Gassensorer med én brikke kan også raskt integreres i IoT-overvåkningssystemer for luftkvalitet ved hjelp av forhåndskalibrerte sensorenheter med forhåndskompilert fastvare. Disse kompakte sensorene er kalibrert elektrisk med gass for å sikre at alle partiene er like. I tillegg lagres konfigurasjonen i det innebygde ikke-flyktige minnet (NVM) i sensorenheten, og gir dermed plass til annen data.

I tillegg til forhåndskalibrering, forsterker forhåndskompilert fastvare integrering og nøyaktighet, samtidig som det reduserer strømforbruket til gassensorer. Den forhåndskompilerte fastvaren forenkler også det totale utviklingsarbeidet, slik at utviklere kan legge til nye sensorfunksjoner uten å endre maskinvaren, samtidig som de tillater systemoppdateringer etter distribuering.

Forhåndskalibrerte gassensorer

Et eksempel på dette er IDTs ZMOD4510IA1R-gassensormodul som kan kvantifisere konsentrasjoner så lave som 20 deler per milliard (ppb). Den er optimalisert til å oppdage sporingsatmosfæriske gasser, slik som nitrogenoksider (NOx) og ozon (O₃), to av hovedgrunnene til dårlig utendørs luftkvalitet. Den digitale gassensoren er utformet til å overvåke utendørs luftkvalitet i henhold til Air Quality Index (AQI) fra Environmental Protection Agency (EPA) i USA. Sensormodulen har dimensjoner på 3,0 mm x 3,0 mm x 0,7 mm og består av et gassensorelement og en signalforsterking-IC (figur 1).

Figur 1: ZMOD4510IA1R-gassensormodulen bruker algoritmer for å beregne konsentrasjonene av utendørsgasser. (Bildekilde: IDT)

I ZMOD4510IA1R består sensorelementet av et varmeelement på en silisiumbasert MEMS-struktur og en metalloksid-kjemiresistor (MOx). Signalforsterkings-IC styrer sensortemperaturen og måler MOx-konduktiviteten som er en funksjon til gasskonsentrasjonen.

Bortsett fra kalibreringsfunksjonene, er ZMOD4510IA1R, som er basert på utprøvd MOx-materiale, svært motstandsdyktig mot siloksaner for pålitelighet i tøffe miljøer. Den støttes av ZMOD4510-EVK-HC-evalueringssettet for gassensorer som gjør at vi kan teste og evaluere gassensormodulen via en toveis USB-tilkobling til en Windows^®-PC, for raskere prototyping og utvikling. En mikrostyringsbasert modul på EVK styrer I²C-kommunikasjonsgrensesnittet for å vise det målte utslippet av ozon- og nitrogenoksider (figur 2).

Figur 2: Med ZMOD4510-EVK kan utviklere raskt evaluere ZMOD4510-gassensoren ved hjelp av den innebygde evalueringsprogramvaren. (Bildekilde: Digi-Key Electronics)

IDTs HS300x-serie med luftfuktighets- og temperatursensorer har også integrert kalibrering og temperaturkompensasjonslogikk for å gi fullstendig korrigert relativ luftfuktighet (RH) og temperaturverdier via standard I²C-utgang. RH er forholdet mellom deltrykket av vanndamp og det likevektige vanndamptrykket for vann ved en viss temperatur.

Ingen brukerkalibrering av utgangsdataene er nødvendig, og de målte dataene er internt korrigert og kompensert for nøyaktig drift over flere temperatur- og luftfuktighetsnivåer. HS3001, HS3002, HS3003 og HS3004 MEMS-sensorer har mål på 3 x 2,41 x 0,8 mm og er kun ulike med hensyn til nøyaktigheten av relativ fuktighet og temperaturmålinger.

Skybasert luftovervåking

Utviklere kan bruke gassensorer til å loggføre luftkvalitet ved å behandle dataene lokalt, eller ved å utvikle innsikt over tid ved hjelp av en skybasert plattform over en IP-tilkobling. Her sørger maskinvaresett for sikker skytilkobling og overvåkingskontroll via et instrumentbord.

YSAECLOUD2 AE-Cloud2-settet fra Renesas er for eksempel et referansedesign som er bygget rundt selskapets Synergy S5D9-mikrostyringer. Dette gjør det mulig for utviklere å koble enheter som ZMOD4510IA1R-gassensorer og HS3001-luftfuktighetssensorer til skytjenester via W-Fi, mobilnett og andre kommunikasjonskanaler. IoT-settet gjør det også mulig for utviklere å visualisere sensordataene på et instrumentbord i sanntid.

Det finnes mange alternativer for utviklere som skal overvåke innendørs og utendørs luftkvalitet ved hjelp av skybaserte plattformer. Digi-Keys egen skyaktiverte gassensorplattform, Next-Gen Smart Air Quality Monitoring,

kombinerer Cypress Semiconductors PSoC 6-mikrostyringer med gass- og støvsensorer fra Sensirion (figur 3). PSoC 6-mikrostyringer leverer programmerbart periferiutstyr som samspiller med enhver Sensirion-sensor.

Figur 3: Overvåkingsdesign for luftkvalitet for smarte hjem og bygninger som sender data til skyen gjennom Wi-Fi-koblinger for presentasjon på et instrumentbord. (Bildekilde: Digi-Key Electronics)

Det er viktig å være oppmerksom på at de fleste IoT-noder som overvåker luftkvaliteten – både innendørs og utendørs – er energibegrenset og ofte kjører på et batteri. PSoC 6 utvider batterilevetiden på grunn av det lave strømforbruket for disse programmene. Den er basert på en Dual-Core Arm® Cortex®-M-arkitektur bygget på en prosessteknologi på 40 nanometer (nm). Det aktive strømforbruket er 22 μA/MHz for M4-kjernen og 15 μA/MHz for M0+-kjernen. I tillegg støtter mikrostyringen sikker oppstart, sikre fastvareoppdateringer og maskinvareakselerert kryptografi for gassensorer i smarte hjem og industrielle miljøer der datasikkerhet og personvern for brukere alltid må tas hensyn til.

PSoC 6-mikrostyringer, sammen med gassensorløsninger fra Sensirion, kan bidra til å opprette programmer for luftrensere, behovskontrollert ventilasjon og andre overvåkingsprogrammer for innendørs luftkvalitet. De tilkoblede overvåkingsenhetene kan styre miljøet nøyaktig ved å raskt svare på miljømessige tilbakemeldinger.

Sensirions SGP30-gassensor kombinerer flere metalloksid-sensorelementer, eller piksler, på én brikke for å måle både totale flyktige organiske forbindelser (TVOC) og et CO₂-tilsvarende signal (CO_2eq). VOC-er kommer fra nye produkter og bygningsmaterialer, for eksempel tepper, møbler, maling og løsemidler. tVOC refererer til den totale konsentrasjonen av VOC som finnes i luften, og dette er en rask måte å vurdere innendørs luftkvalitet på.

SGP30 kan måle tVOC og CO_2eq på en vanlig membran i en liten pakke som måler 2,45 x 2,45 x 0,9 mm. I motsetning til tradisjonelle gassensorer som mister stabilitet og nøyaktighet etter noen måneder på grunn av kjemiske forbindelser som kalles siloxaner, er sensorelementene i denne flergassensoren motstandsdyktige mot denne typen forurensing. Denne funksjonen senker drift for å sikre langsiktig stabilitet.

Sensorelementene i SGP30-gassensoren er laget av en oppvarmet film med MOx-nanopartikler. Sensirion har også innebygd de andre sensorkomponentene – varmer og elektroder – i brikken for å krympe sensorens monteringsflate (figur 4).

Figur 4: SGP30-flergassensoren integrerer fire sensorelementer, eller piksler, i én brikke som har en temperaturkontrollert mikroplate og et I²C-grensesnitt. (Bildekilde: Sensirion)

Sensirion har kombinert SGP30-gassensoren med SHTC1-fuktighets- og temperatursensoren for å skape kombinasjonssensormodulen SVM30, og dermed heve standarden for integrering. I tillegg til flere sensorelementer, inkluderer den også analog og digital signalbehandling, analog-til-digital-konvertering (ADC), kalibrering og dataminne, samt et digitalt kommunikasjonsgrensesnitt som støtter I²C-standardmodus.

Hastighet for gassensor

Sensorhastighet er en annen utfordring når det kommer til de raskt skiftende CO₂-nivåene i pusteanalysene og andre luftovervåkingsprogrammer i sanntid. Det er et behov for at gassensorer øker avsøkingsfrekvensen betydelig, spesielt for batteridrevne sensorer for innendørs luftkvalitet.

Gas Sensing Solutions har bygget SprintIR-WF-20-gassensoren på indium antimonide LED-teknologi og optisk design. Slik unngår den både bevegelige deler (MEMS) og oppvarmede filamenter (figur 5). Den fanger opp 20 avlesninger per sekund og leveres med en valgfri gjennomstrømningsadapter. I tillegg inneholder SprintIR-WF-20 tre målingsområder: 0–5 %, 0–20 % og 0–100 % CO₂-konsentrasjoner. Nøyaktigheten er ±70 ppm (+5 % av avlesning).

Figur 5: SprintIR-WF-20 CO₂-sensoren er tilgjengelig med alternativ for støtte for enten gjennomstrømnings- eller spredningsstrukturer. (Bildekilde: Digi-Key Electronics)

Sensoren kommuniserer via et enkelt UART-grensesnitt med en rekke trådløse IoT-nettverk, for eksempel ZigBee, LoRaWAN, Sigfox og EnOcean. SprintIR-WF-20 har 35 milliwatt (mW) og trenger langt mindre strøm enn vanlige ikke-forstyrrende infrarøde (NDIR) CO₂-sensorer. Den kjører på 3,25 til 5,5 volt og trekker en gjennomsnittlig strøm på under 15 milliampere (mA) (100 mA, topp). Disse tallene gjør at SprintIR-WF-20 er egnet for batteridrevne enheter, for eksempel kroppsbårne enheter. De nye fastvareendringene forbedrer batterilevetiden ytterligere og øker sensornøyaktigheten for CO₂.

Gassensoren leveres med et evalueringssett, EVKITSWF-20, slik at utviklerne kun trenger å koble CO₂-sensoren til en datamaskin via en USB-pinne for å begynne å logge sensordataene. USB-pinnen inneholder selvinstallerende evalueringsprogramvare. Det er verdt å nevne at automatisk kalibrering fungerer for de fleste overvåkingsprogrammer for luftkvalitet, selv om evalueringssettet gjør det mulig for utviklere å nullkalibrere for bestemte miljøer.

Konklusjon

Utviklere av gassensorenheter for IoT- og IIoT-enheter og -systemer beveger seg bort fra tradisjonelle, store, frittstående design. Etter hvert som de gjør det, må de se etter gassensorløsninger som leverer bedre nøyaktighet, pålitelighet og responstid samt lavere kostnader og strømforbruk, samtidig som de utnytter mulighetene for IoT- og skybasert datainnsamling og analyseplattformer. Andre kjernefunksjoner å merke seg er grensesnittdesign, sensorhastighet og konsentrasjonsområde

Som vist er det mange tilgjengelige løsninger som ikke bare oppfyller utviklernes behov, men som også forenkler integreringen av disse forbedrede sensorfunksjonene i små formfaktorer som er nødvendige for batteridrevne enheter. De inkluderer også kalibreringskapasiteter og oppdaterbar fastvare som er kritisk for effektiv konfigurasjon – og konfigurering på nytt – av overvåkingsdesign for luftkvalitet. Når utviklere kombinerer disse gassensorene med skytilkobling, kan de jobbe innenfor maskinvare- og programvareøkosystemer med god støtte for å oppfylle nåværende og fremtidige IoT- og IIoT-designkrav.