Viktigt vid integrering av gassensorer i konstruktioner för övervakning av luftkvalitet

Inom övervakning av luftkvalitet befinner man sig vid ett vägskäl. Traditionella lösningar – vanligtvis myndighetsdrivna övervakningsstationer – är stora och dyra och analyserar vanligtvis en begränsad mängd luft. Samtidigt har man sedan länge i luftövervakningssystem för hem och industri använt gasdetekteringstekniker för både miljökvalitetsövervakning och läckagedetektering.

Dessa gassensorer har emellertid ganska stort format och hög strömförbrukning. De saknar också den processningskapacitet, konnektivitet och säkerhet som krävs för att uppgraderingar ska utföra självdiagnos och rapporteringsrutiner som är grundläggande för applikationer inom sakernas internet (IoT) och industriellt IoT (IIoT).

För att hantera dessa områden kommer nu högintegrerade och flexibla gassensorlösningar från leverantörer som Cypress Semiconductor, Gas Sensing Solutions, IDT, Renesas och Sensirion. Dessa ger bättre integrering, processningskraft, säkerhet och konnektivitet samt mer rättvisande mätningar som detekterar miljöförändringar i hem, byggnader, bilar, sjukhus och fabriker.

I denna artikel introducerar vi några nya lösningar och visar hur dessa kan möta konstruktörernas behov med hjälp av förkalibrerade konstruktioner och förkompilerad fast programvara. Vi kommer också att se hur kalibrerings- och minnesfunktioner underlättar sensorkonfiguration med hjälp av referensdesigner och hårdvarupaket.

Viktiga egenskaper för gassensorer inom IoT

Framsteg inom mikroelektromekaniska system (MEMS) har varit fundamentala för utvecklingen av billiga gassensorer i miniatyrformat. I takt med att MEMS-tekniken har utvecklats har noggrannhet och tillförlitlighet för sensorerna förbättrats. Dessa – tillsammans med snabb svarstid – är viktiga egenskaper som avgör en gassensors förmåga att övervaka miljön.

Även om den underliggande gasdetekteringstekniken är viktig är det inte bara den som avgör sensorns prestanda. Med förbättrade kalibreringsegenskaper får konstruktörer alternativ vad gäller gastyp, koncentrationsintervall och kostnad. Tack vare framsteg inom fast programvara och kalibreringsfunktioner kan konstruktörer snabbt integrera gassensorer i flera olika IoT-applikationer.

Gassensorer på ett enskilt chip kan också snabbt integreras i en IoT-konstruktion för övervakning av luftkvalitet, med hjälp av förkalibrerade detekteringsenheter med förkompilerad fast programvara. Dessa kompakta sensorer kalibreras elektriskt med gas för att säkerställa konsekvens från parti till parti. Dessutom sparar sensorenhetens inbyggda icke-flyktiga minne (NVM) konfigurationen och ger plats för annan data.

Förutom förkalibrering kan förkompilerad fast programvara ytterligare underlätta integration och noggrannhet, men också avsevärt sänka strömförbrukningen för gassensorer. Den förkompilerade fasta programvaran underlättar också övergripande utvecklingsarbete. Det ger konstruktörer möjlighet att lägga till nya detekteringsfunktioner utan att behöva ändra hårdvara, samtidigt som systemuppdateringar kan utföras efter distribution.

Förkalibrerade gassensorer

Vi kan ta gassensormodulen ZMOD4510IA1R från IDT som exempel. Denna kan kvantifiera koncentrationer så låga som 20 ppb (miljarddelar). Den är optimerad för detektering av atmosfäriska gaser som kväveoxid (NOx) och ozon (O₃), vilka är två huvudorsaker till ohälsosam luftkvalitet utomhus. Den digitala gassensorn övervakar luftkvalitet utomhus enligt luftkvalitetsindexet (AQI) som är upprättat av EPA (federal miljöskyddsmyndighet i USA). Sensormodulen är liten (3,0 x 3,0 x 0,7 mm) och har en integrerad krets för givarelement för gasdetektering och signalkonditionering (figur 1).

Figur 1: Gassensormodulen ZMOD4510IA1R använder algoritmer för att beräkna koncentrationen av gaser utomhus. (Bildkälla: IDT)

Givarelementet i ZMOD4510IA1R består av ett värmeelement på en silikonbaserad MEMS-struktur och en kemiresistor med metalloxid (MOx). Den integrerade kretsen för signalkonditionering reglerar sensortemperaturen och mäter MOx-konduktiviteten, vilken är en funktion av gaskoncentrationen.

Förutom sina kalibreringsfunktioner är ZMOD4510IA1R uppbyggd kring ett beprövat MOx-material och mycket resistent mot siloxaner, vilket ger tillförlitlighet i tuffa miljöer. Den stöds av utvärderingssatsen ZMOD4510-EVK-HC för gassensorer för snabbare prototypkonstruktion och utveckling. Det gör att gassensormodulen kan testas och utvärderas via en dubbelriktad USB-anslutning till en dator med Windows^®. En microcontrollerbaserad modul på EVK trystyr I²C-kommunikationsgränssnittet för att visa uppmätt utsläpp av ozon och kväveoxider (figur 2).

Figur 2: Med hjälp av ZMOD4510-EVK kan konstruktörer snabbt utvärdera gassensor ZMOD4510 med sin inbyggda utvärderingsprogramvara. (Bildkälla: Digi-Key Electronics)

IDT HS300x-serien med luftfuktighets- och temperaturgivare har också integrerad logik för kalibrering och temperaturkompensation. Tack vare det kan den leverera korrekta värden för relativ luftfuktighet (RH) och temperatur via en vanlig I²C-utgång. RH-värdet är vattenångans partialtryck i förhållande till ångans jämviktstryck vid en given temperatur.

Det krävs ingen användarkalibrering av utdata, och uppmätt data korrigeras och kompenseras internt för korrekt drift över ett stort temperatur- och luftfuktighetsintervall. MEMS-sensorerna HS3001, HS3002, HS3003 och HS3004 är små (3 x 2,41 x 0,8 mm) och skiljer sig åt endast vad gäller noggrannhet för mätning av relativ luftfuktighet och temperatur.

Molnbaserad luftövervakning

Konstruktörer kan använda gassensorer för loggning av luftkvalitet, antingen genom lokal processning av data eller genom att över tid få insikter med hjälp av en molnbaserad plattform över en IP-anslutning. Här kan hårdvarupaket underlätta säker molnanslutning och övervakning från en instrumentpanel.

Satsen YSAECLOUD2 AE-Cloud2 från Renesas är till exempel en referenskonstruktion uppbyggd kring företagets microcontroller Synergy S5D9. Tack vare det kan utvecklare ansluta enheter som gassensorn ZMOD4510IA1R och luftfuktighetsgivaren HS3001 till molntjänster via W-Fi, mobiltelefon och andra kommunikationskanaler. Med hjälp av denna IoT-sats kan utvecklare också visualisera sensordata på en instrumentpanel i realtid.

Det finns många alternativ för utvecklare som behöver övervaka luftkvaliteten inomhus och utomhus med molnbaserade plattformar. Digi-Keys egna nästa generations smarta luftkvalitetsövervakning

är en molnbaserad gassensorplattform som kombinerar Cypress Semiconductors microcontroller PSoC 6 med gas- och dammsensorer från Sensirion (figur 3). Microcontrollern PSoC 6 ger tillgång till programmerbara periferienheter/kringkretsar för anslutning med Sensirion-sensorer.

Figur 3: En design för övervakning av luftkvalitet i smarta hem och byggnader som skickar data till molnet via Wi-Fi-länk för visning på en instrumentpanel. (Bildkälla: Digi-Key Electronics)

Det är viktigt att komma ihåg att de flesta IoT-noder som övervakar luftkvalitet (både inomhus och utomhus) är energisnåla och ofta drivs med batteri. I denna typ av tillämpning förlänger PSoC 6 batteriets livslängd tack vare sin låga strömförbrukning. Den är baserad på en dubbelkärnig Arm® Cortex®-M-arkitektur uppbyggd på 40 nm-processteknik. Den aktiva strömförbrukningen är 22 μA/MHz för M4-kärnan och 15 μA/MHz för M0+-kärnan. Dessutom stöder microcontrollern säker start, säker uppdatering av fast programvara och maskinvaruaccelererad kryptografi för gassensorer i smarta hem och industrimiljö, där datasäkerhet och användarsekretess alltid är viktiga.

PSoC 6-microcontrollers tillsammans med gasdetekteringslösningar från Sensirion kan användas i applikationer för luftrenare, behovsstyrd ventilation och andra applikationer för övervakning av luftkvalitet inomhus. Anslutna övervakningsenheter kan reglera miljön med precision genom att snabbt svara på miljöåterkoppling.

Vi kan ta Sensirions gassensor SGP30 som exempel. Denna kombinerar flera givarelement med metalloxid eller pixlar på ett enskilt chip för mätning av både total mängd flyktiga organiska ämnen (TVOC) och CO₂-ekvivalent signal (CO_2eq). Flyktiga organiska ämnen (VOC) kommer från nya produkter och byggnadsmaterial som mattor, möbler, färg och lösningsmedel. Förkortningen tVOC indikerar total koncentration flyktiga organiska ämnen i luften och är ett snabbt sätt att uppskatta luftkvaliteten inomhus.

SGP30 kan mäta tVOC och CO_2eq på ett vanligt membran i en liten förpackning (2,45 x 2,45 x 0,9 mm). Dessutom är givarelementen i denna multigassensor (till skillnad mot traditionella gassensorer som förlorar stabilitet och noggrannhet efter några månader på grund av kemiska föreningar kallade siloxaner) motståndskraftiga mot denna typ av förorening. Denna funktion minskar avdriften och säkrar långvarig stabilitet,

Givarelementen i gassensorn SGP30 är tillverkade av en uppvärmd film av MOx-nanopartiklar. Sensirion har också andra sensorkomponenter (värmare och elektroder) inbäddade i chippet, vilket minskar sensorns format (figur 4).

Figur 4: Multigassensorn SGP30 integrerar fyra givarelement (eller pixlar) i ett enda chip med temperaturstyrd mikroplatta och ett I²C-gränssnitt. (Bildkälla: Sensirion)

För att ytterligare förbättra integrationen använder Sensirion gassensorn SGP30 tillsammans med sin luftfuktighets- och temperaturgivare SHTC1 i en kombinerad sensormodul – SVM30. Den har flera givarelement, analog och digital signalbehandling, A/D-omvandlare, kalibrerings- och dataminne samt ett digitalt kommunikationsgränssnitt som stöder I²C-standardläge.

Hastighet för gasdetektering

Detekteringshastigheten är ett annat problemområde när det gäller de snabbt föränderliga CO₂-nivåerna i andningsanalys och andra realtidstillämpningar för luftövervakning. Gassensorer behöver avsevärt öka samplingshastigheten, särskilt för batteridrivna sensorer för luftkvalitet inomhus.

Gas Sensing Solutions har byggt gassensorn SprintIR-WF-20 runt LED-teknik (indiumantimonid) och optisk design. Den har inga rörliga delar (MEMS) eller uppvärmda filament (figur 5). Den registrerar 20 avläsningar per sekund och har en genomflödesadapter (tillval). Dessutom har SprintIR-WF-20 tre mätområden för CO₂-koncentration: 0–5 %, 0–20 % och 0–100 %. Dess noggrannhet är ±70 ppm (+5 % för avläsning).

Figur 5: CO₂-sensorn SprintIR-WF-20 finns med tillval som stöder antingen genomflödes- eller diffusionsstrukturer. (Bildkälla: Digi-Key Electronics)

Sensorn kommunicerar via ett enkelt UART-gränssnitt med flera olika trådlösa IoT-nätverk som Zigbee, LoRaWAN, Sigfox och EnOcean. Vid 35 mW behöver SprintIR-WF-20 mycket mindre effekt än typiska infraröda NDIR-sensorer (non-disruptive infrared sensors) för CO₂. Den drivs med 3,25 till 5,5 V och förbrukar mindre än 15 mA (100 mA topp). Dessa värden gör SprintIR-WF-20 lämplig för batteridrivna enheter, som till exempel bärbara enheter. Den nya fasta programvaran ger ytterligare förbättringar i batterilivslängd och CO₂-detekteringsnoggrannhet.

Gassensorn levereras med en utvärderingssats (EVKITSWF-20), vilket gör att konstruktörer endast behöver ansluta CO₂-sensorn till en dator via ett USB-minne och starta loggning av sensordata. På USB-minnet finns en självinstallerande utvärderingsprogramvara. Vi kan nämna att autokalibrering fungerar i de flesta tillämpningar för övervakning av luftkvalitet, men med hjälp av utvärderingssatsen kan utvecklare nollkalibrera för en specifik miljö.

Slutsats

Konstruktörer av gasdetekteringsanordningar för IoT- och IIoT-enheter/system väljer allt oftare bort traditionella och stora fristående konstruktioner. Det betyder att de behöver gasdetekteringslösningar med vilka de kan förbättra noggrannhet, tillförlitlighet och svarstid samt sänka både kostnader och strömförbrukning. Samtidigt som man gör detta kan man fullt ut dra nytta av alla möjligheter med IoT och molnbaserade datainsamlings- och analysplattformar. Andra viktiga funktioner att ta med i beräkningen är gränssnittsdesign, detekteringshastighet och koncentrationsområde.

Som vi har sett i den här artikeln finns det många lösningar som inte bara riktar in sig mot konstruktörers behov. De underlättar också integration av dessa förbättrade detekteringsegenskaper i litet format, vilket är nödvändigt för batteridrivna enheter. De har också kalibreringsegenskaper och uppdateringsbar fast programvara som är kritisk för effektiv konfiguration (och omkonfiguration) av enheter för övervakning av luftkvalitet. Med dessa gassensorer – tillsammans med molnanslutning – kan konstruktörer arbeta i ett ekosystem med hårdvara och mjukvara med mycket bra stöd för dagens och framtidens krav inom IoT- och IIoT-design.