Co ma znaczenie przy integrowaniu czujników gazowych z urządzeniami do monitorowania jakości powietrza?

Monitorowanie jakości powietrza stoi przed zupełnie nowymi perspektywami. Tradycyjne rozwiązania, takie jak finansowane głównie przez rząd stacje monitorujące, są duże i kosztowne, przy czym zwykle analizują ograniczone próbki powietrza. Z kolei domowe i przemysłowe systemy monitorowania powietrza od dawna wykorzystują istniejące technologie wykrywania gazów zarówno do monitorowania jakości środowiska jak i wykrywania nieszczelności.

Jednak czujniki te są stosunkowo duże i zazwyczaj zużywają dużo energii. Brakuje w nich również takich funkcjonalności jak przetwarzanie, łączność i zabezpieczenia, wymaganych przy aktualizacjach mających na celu przeprowadzenia autodiagnozy i procedur sprawozdawczych, kluczowych dla nowoczesnych aplikacji Internetu rzeczy (IoT) i przemysłowego IoT.

Aby rozwiązać te problemy, sprzedawcy tacy jak Cypress Semiconductor, Gas Sensing Solutions, IDT, Renesas i Sensirion oferują wysoce zintegrowane i elastyczne rozwiązania w zakresie czujników gazowych. Zapewniają one większą integrację, moc obliczeniową, zabezpieczenia i łączność oraz gwarantują dokładniejsze pomiary w celu wykrycia zmian w środowisku w domach, budynkach, samochodach, szpitalach i fabrykach.

W poniższym artykule przedstawiono kilka najświeższych przykładów i pokazano, w jaki sposób zaspokajają one potrzeby twórców korzystających ze wstępnie skalibrowanych projektów oraz wstępnie skompilowanego oprogramowania układowego. Sprawdzono również, w jaki sposób kalibracja i funkcje pamięci ułatwiają tworzenie różnych konfiguracji czujników za pomocą projektów referencyjnych i zestawów sprzętowych.

Co powinny zawierać czujniki gazowe dostosowania w IoT?

Postępy dokonane w dziedzinie mikroukładów elektromechanicznych (MEMS) stały się podstawowym czynnikiem umożliwiającym stosowanie tanich miniaturowych czujników gazowych. Wraz z rozwojem technologii MEMS wzrosła również dokładność i niezawodność czujników. Przedstawione powyżej kluczowe cechy czujników oraz ich krótki czas reakcji określają zdolność czujnika gazowego do monitorowania środowiska.

Jednak, choć technologia wykrywania gazów jest ważna, nie jest ona jedynym czynnikiem determinującym działanie czujnika. Ulepszenia dotyczące możliwości kalibracji dają twórcom możliwość wyboru rodzaju gazu, zakresu stężeń i kosztów. Ulepszenia oprogramowania układowego idą również w parze z funkcjonalnościami kalibracji, które pomagają projektantom szybko zintegrować czujniki gazowe z różnymi zastosowaniami IoT.

Ponadto czujniki gazowe na jednym chipie mogą zostać szybko zintegrowane z projektami IoT monitorującymi jakość powietrza za pomocą wstępnie skalibrowanych czujników ze wstępnie skompilowanym oprogramowaniem układowym. Te kompaktowe czujniki poddawane są elektrycznej kalibracji przy użyciu gazów, co pozwala zapewnić spójność między partiami. Co więcej, wbudowana w czujnik pamięć nieulotna (NVM) przechowuje między innymi dane dotyczące konfiguracji.

Poza wstępną kalibracją, wstępnie skompilowane oprogramowanie układowe dodatkowo wzmacnia integrację i dokładność, obniżając jednocześnie w znacznym stopniu zużycie energii przez czujniki gazowe. Wstępnie skompilowane oprogramowanie układowe upraszcza również pracę projektantów, pozwalając im na dodawanie nowych funkcjonalności wykrywania bez konieczności wymiany sprzętu, jednocześnie umożliwiając aktualizacje systemu po wdrożeniu.

Wstępnie skalibrowane czujniki gazowe

Weźmy za przykład moduł czujnika gazowego ZMOD4510IA1R firmy IDT, który może określić ilościowo stężenia nawet tak niskie jak 20 części na miliard (ppb). Jest on zoptymalizowany do wykrywania śladowych ilości gazów atmosferycznych, takich jak tlenki azotu (NOx) i ozon (O₃), dwóch głównych przyczyn złej jakości powietrza na zewnątrz. Cyfrowy czujnik gazowy jest przeznaczony do monitorowania jakości powietrza na zewnątrz zgodnie z indeksem Air Quality Index (AQI) amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska (EPA). Moduł czujnika ma wymiary 3,0mm x 3,0mm x 0,7mm i składa się z detektora gazu oraz układu scalonego do kondycjonowania sygnałów (ilustracja 1).

Ilustracja 1: moduł czujnika gazowego ZMOD4510IA1R wykorzystuje algorytmy do obliczania stężeń gazów zewnętrznych. (Źródło obrazu: IDT)

W module ZMOD4510IA1R detektor składa się z elementu grzewczego na krzemowym układzie MEMS oraz chemirezystora na bazie tlenku metalu (MOx). Układ scalony kondycjonowania sygnału steruje temperaturą czujnika i mierzy przewodność MOx, która jest funkcją stężenia gazu.

Oprócz tego, że ma funkcje kalibracji, moduł ZMOD4510IA1R, oparty na sprawdzonym materiale MOx, jest wysoce odporny na siloksany, co zapewnia niezawodność w trudnych warunkach. Aby przyśpieszyć prace związane z prototypowaniem i tworzeniem urządzenia, stosuje się zestaw do ewaluacji czujników gazu ZMOD4510-EVK-HC, który umożliwia testowanie i ewaluację modułu czujnika gazowego za pomocą dwukierunkowego połączenia USB z komputerem PC z systemem Windows^®. Moduł oparty na mikrokontrolerze serii EVK steruje interfejsem komunikacyjnym I²C w celu wykazania zmierzonej produkcji ozonu i tlenków azotu (ilustracja 2).

Ilustracja 2: ZMOD4510-EVK pozwala projektantom na szybką ewaluację czujnika gazu ZMOD4510 za pomocą wbudowanego oprogramowania do oceny. (Źródło ilustracji: Digi-Key Electronics)

Seria czujników wilgotności i temperatury powietrza HS300x firmy IDT wyposażona jest również w zintegrowaną logikę kalibracji i kompensacji temperatury, zapewniającą w pełni skorygowane wartości wilgotności względnej (RH) i temperatury za pośrednictwem standardowego wyjścia I²C. RH jest to stosunek ciśnienia cząstkowego pary wodnej do ciśnienia pary nasyconej wody w danej temperaturze.

Użytkownik nie musi kalibrować danych wyjściowych, a dane pomiarowe są wewnętrznie korygowane i wyrównywane w celu zapewnienia dokładnej pracy w szerokim zakresie temperatur i poziomów wilgotności. Czujniki MEMS HS3001, HS3002, HS3003 oraz HS3004 mają wymiary 3 x 2,41 x 0,8mm i różnią się jedynie dokładnością pomiaru wilgotności względnej i temperatury.

Monitorowanie powietrza z wykorzystaniem technologi chmury

Twórcy mogą wykorzystywać czujniki gazu do rejestrowania jakości powietrza poprzez lokalne przetwarzanie danych albo poprzez funkcję wglądu w czasie za pomocą platformy w chmurze poprzez połączenie IP. Zestawy sprzętowe ułatwiają bezpieczną łączność w chmurze i kontrolę nad monitorowaniem przy pomocy panelu.

Na przykład zestaw YSAECLOUD2 AE-Cloud2 firmy Renesas jest projektem referencyjnym zbudowanym w oparciu o mikrokontrolery Synergy S5D9 tej samej firmy. Umożliwia on twórcom podłączenie urządzeń takich jak czujnik gazów ZMOD4510IA1R i czujnik wilgotności HS3001 do usług w chmurze za pośrednictwem Wi-Fi, komórkowych kanałów komunikacyjnych i innych rodzajów połączeń. Zestaw IoT pozwala również deweloperom na wizualizację danych z czujników na panelu w czasie rzeczywistym.

Istnieje wiele alternatyw dostępnych dla deweloperów, którzy muszą monitorować jakość powietrza wewnątrz i na zewnątrz za pomocą platform w chmurze. System Next-Gen Smart Air Quality Monitoring firmy Digi-Key

wykorzystująca technologię chmury platforma czujnika gazów zawiera mikrokontrolery PSoC 6 firmy Cypress Semiconductor oraz czujniki gazów i pyłu firmy Sensirion (ilustracja 3). Mikrokontrolery PSoC 6 udostępniają programowalne urządzenia peryferyjne do współpracy z dowolnym czujnikiem firmy Sensirion.

Ilustracja 3: projekt urządzenia do monitorowania jakości powietrza dla inteligentnych domów i budynków, które wysyła dane do chmury za pośrednictwem łączy Wi-Fi, a następnie wyświetla je na panelu nawigacyjnym. (Źródło ilustracji: Digi-Key Electronics)

Należy zauważyć, że większość węzłów IoT monitorujących jakość powietrza - zarówno w pomieszczeniach, jak i na zewnątrz - ma ograniczony dostęp do zasilania, co często powoduje rozładowanie baterii. W przypadku takich aplikacji mikrokontroler PSoC 6 przedłuża żywotność baterii dzięki niskiemu zużyciu energii. Jest on oparty na dwurdzeniowej architekturze Arm® Cortex®-M zbudowanej na technologii procesowej 40 nanometrów (nm). Pobór mocy czynnej wynosi 22μA/MHz dla rdzenia M4 i 15μA/MHz dla rdzenia M0+. Ponadto mikrokontroler obsługuje takie funkcje jak bezpieczne uruchamianie, bezpieczne aktualizacje oprogramowania układowego oraz sprzętowo przyspieszoną kryptografię dla czujników gazu w inteligentnych domach i środowiskach przemysłowych, gdzie bezpieczeństwo danych i prywatność użytkowników są zawsze na pierwszym miejscu.

Mikrokontrolery PSoC 6, wraz z rozwiązaniami czujników gazowych firmy Sensirion, mogą pomóc w tworzeniu aplikacji dla oczyszczaczy powietrza, wentylacji kontrolowanej zapotrzebowaniem i innych aplikacji monitorowania jakości powietrza w pomieszczeniach. Podłączone urządzenia monitorujące mogą precyzyjnie sterować środowiskiem, szybko reagując na dotyczące go informacje zwrotne.

Weźmy na przykład czujnik gazowy SGP30 firmy Sensirion, który zawiera liczne elementy wykrywające wykonane z tlenków metali, czyli piksele, na jednym chipie do pomiaru zarówno całkowitego stężenia lotnych związków organicznych (LZO), jak i sygnału równoważnego CO₂ (CO_2eq). LZO pochodzą z nowych produktów i materiałów budowlanych, takich jak dywany, meble, farby i rozpuszczalniki; całkowite stężenie LZO odnosi się do całkowitego stężenia LZO obecnych w powietrzu i jest szybkim sposobem oceny jakości powietrza w pomieszczeniach.

Czujnik SGP30 może mierzyć całkowite stężenie LZO i CO_2eq na wspólnej membranie w małej obudowie o wymiarach 2,45 x 2,45 x 0,9mm. Ponadto, w przeciwieństwie do tradycyjnych czujników gazów, które tracą stabilność i dokładność po kilku miesiącach w wyniku działania związków chemicznych zwanych siloksanami, detektory w omawianym czujniku wykrywającym wiele rodzajów gazów są odporne na tego typu zanieczyszczenia. Zmniejsza to poziom osadzania się substancji i zapewnia długotrwałą stabilność.

Detektory w czujniku gazowym SGP30 wykonane są z podgrzewanej warstwy nanocząstek MOx. Sensirion wbudował w układ scalony również inne elementy czujnika (nagrzewnicę i elektrody), aby zmniejszyć wymiary czujnika (ilustracja 4).

Ilustracja 4: czujnik SGP30 wykrywający wiele rodzajów gazów zawiera cztery detektory, czyli piksele, w jednym układzie scalonym, który jest wyposażony w mikropłytkę z kontrolą temperatury oraz interfejs I²C. (Źródło ilustracji: Sensirion)

Aby jeszcze bardziej podnieść poprzeczkę w zakresie integracji, firma Sensirion połączyła czujnik gazów SGP30 z czujnikiem wilgotności i temperatury SHTC1, tworząc moduł czujników - SVM30. Oprócz kilku detektorów oferuje on przetwarzanie sygnału analogowego i cyfrowego (przetwornik analogowo-cyfrowy - ADC), kalibrację i przechowywanie danych w pamięci oraz korzystanie z cyfrowego interfejsu komunikacyjnego obsługującego tryb standardowy I²C.

Szybkość wykrywania gazów

Szybkość wykrywania jest kolejną przeszkodą, jeśli chodzi o szybko zmieniające się poziomy CO₂ w analizie oddechu i innych zastosowaniach monitorowania powietrza w czasie rzeczywistym. Istnieje potrzeba aby znacznie zwiększyć częstotliwość próbkowania w czujnikach gazów, szczególnie w przypadku czujników jakości powietrza w pomieszczeniach zasilanych bateriami.

Firma Gas Sensing Solutions zbudowała czujnik gazów SprintIR-WF-20 oparty na technologii diod LED z antymonkiem indu i urządzeniach optycznych. Pozwala to na uniknięcie stosowania zarówno części ruchomych (MEMS) jak i podgrzewanych żarników (ilustracja 5). Rejestruje on 20 odczytów na sekundę i jest wyposażony w opcjonalny adapter przepływowy. Ponadto SprintIR-WF-20 posiada trzy zakresy pomiarowe: 0 - 5%, 0 - 20% i 0 - 100% stężenia CO₂. Jego dokładność wynosi ±70ppm (+5% odczytu).

Ilustracja 5: czujnik CO₂ SprintIR-WF-20 jest dostępny z opcją obsługi struktur przepływowych lub dyfuzyjnych. (Źródło ilustracji: Digi-Key Electronics)

Czujnik komunikuje się poprzez prosty interfejs UART z różnymi bezprzewodowymi sieciami IoT, takimi jak Zigbee, LoRaWAN, Sigfox i EnOcean. Moc 35 miliwatów (mW) sprawia, że czujnik SprintIR-WF-20 potrzebuje znacznie mniej mocy niż typowe czujniki CO₂ na podczerwień (NDIR); działa on w zakresie od 3,25 do 5,5V i pobiera średni prąd poniżej 15 miliamperów (mA) (100 mA, szczytowo). Dlatego też czujnik SprintIR-WF-20 jest odpowiedni do urządzeń zasilanych z baterii, np. urządzeń ubieralnych. Nowe zmiany w oprogramowaniu układowym jeszcze bardziej poprawiły żywotność baterii i zwiększyły dokładność wykrywania CO₂.

Czujnik gazów jest dostarczany z zestawem ewaluacyjnym EVKITSWF-20; projektanci muszą zatem tylko podłączyć czujnik CO₂ do komputera za pomocą klucza USB i rozpocząć rejestrowanie danych z czujnika. Klucz USB zawiera samoinstalujące się oprogramowanie ewaluacyjne. Warto wspomnieć, że autokalibracja działa w przypadku większości aplikacji monitorowania jakości powietrza, choć zestaw ewaluacyjny pozwala deweloperom na kalibrację zera dla określonych środowisk.

Podsumowanie

Projektanci urządzeń wykrywających gazy dla urządzeń i systemów IoT i IIoT odchodzą od tradycyjnych, dużych, autonomicznych urządzeń. W związku z tym muszą oni poszukiwać rozwiązań w zakresie wykrywania gazów, które pozwolą im na poprawę dokładności, niezawodności i czasu reakcji oraz na obniżenie kosztów i zużycia energii; a wszystko to przy pełnym wykorzystaniu możliwości oferowanych przez Internet rzeczy oraz platformy gromadzenia i analizy danych w chmurze. Inne podstawowe funkcje, na które należy zwrócić uwagę, to projekt interfejsu, szybkość wykrywania i zakres stężeń

Jak wykazano, dostępnych jest wiele rozwiązań, które nie tylko zaspokajają potrzeby projektantów, ale także upraszczają integrację zwiększonych funkcjonalności detekcji w urządzeniu o niewielkich wymiarach, co jest koniecznością w przypadku zasilania bateryjnego. Umożliwiają one również kalibrację i aktualizację oprogramowania układowego, które są kluczowe dla efektywnej konfiguracji i rekonfiguracji urządzeń do monitorowania jakości powietrza. Korzystanie z omawianych czujników gazów w połączeniu z możliwością podłączenia do chmury, pozwala projektantom na pracę w ekosystemach sprzętowych i programowych o wysokim stopniu wsparcia, w celu spełnienia obecnych i przyszłych wymagań projektowych IoT i IIoT.