Budeme se věnovat komplexním senzorům plynů od výrobců polovodičových součástek jako jsou Cypress Semiconductor, Gas Sensing Solutions, IDT, Renesas a Sensirion. Tyto senzory přináší vyšší integraci, výpočetní výkon, bezpečnost a konektivitu a jsou schopny detekovat i malé změny vzduchu v domácnosti, komerčních budovách, automobilech, nemocnicích a továrnách.
Senzory plynu pro IoT
Pokroky v mikro-elektromechanických systémech (MEMS) se staly základní hnací silou ve vývoji miniaturních, levných senzorů plynu. Jak se technologie MEMS zlepšuje, zvyšuje se také přesnost a spolehlivost senzorů plynu. Spolu s rychlou dobou odezvy jsou to zásadní vlastnosti, které určují schopnost senzoru plynu sledovat prostředí. Použitá technologie pro senzor plynu není jediným činitelem určující výkon senzoru. Vylepšení kalibračních možností poskytuje přesnou detekci konkrétního plynu a jeho koncentraci. S kalibračními funkcemi souvisí firmware, který pomáhá integrovat senzory plynu do různých aplikací IoT.
Na trhu jsou kompaktní senzory plynu ve formě jednočipového modulu s předem nastavenou kalibrací a předkompilovaným firmwarem. Jednočipový modul často obsahuje energeticky nezávislou paměť (NVM), kde je dostatečný prostor pro uložení konfigurace a dalších uživatelských dat. Komplexní moduly zvyšují přesnost měření a současně snižují spotřebu energie. Předkompilovaný firmware zjednodušuje a urychluje vývojovou práci, jelikož se vývojáři mohou více zaměřit na aplikační část. Součástí předkompilovaného firmware jsou také funkce pro aktualizaci systému v běžném provozu.
Předkalibrované senzory plynu
Plynový senzorový modul ZMOD4510IA1R od společnosti IDT dokáže kvantifikovat koncentraci až 20 ppb (počet dílu na jednu miliardu). Je optimalizován pro detekci stopových atmosférických plynů, jako jsou oxidy dusíku (NOx) a ozon (O3). Tyto dva plyny jsou hlavními příčinami nezdravého venkovního vzduchu. Digitální senzor plynu je navržen tak, aby monitoroval kvalitu venkovního vzduchu podle indexu kvality vzduchu (AQI) americké agentury na ochranu životního prostředí (EPA). Senzorový modul má rozměry 3,0 mm x 3,0 mm x 0,7 mm a obsahuje prvek snímající plyn a integrovaný obvod pro zpracování signálu (obrázek 1).
Obrázek 1: Modul plynového senzoru ZMOD4510IA1R využívá algoritmy pro výpočet koncentrací plynů. (Zdroj obrázku: IDT)
Snímací prvek modulu ZMOD4510IA1R obsahuje zahřívací prvek na křemíkové MEMS struktuře a chemický rezistor (MOx - metal-oxid). Integrovaný obvod pro zpracování signálu řídí teplotu senzoru a měří vodivost chemického rezistoru MOx, který je funkcí koncentrace plynu.
Modul ZMOD4510IA1R je založený na osvědčeném materiálu MOx a je vysoce odolný vůči siloxanům, a proto je vhodný i do drsného prostředích. Pro zrychlení vývoje je k dispozici vývojová souprava ZMOD4510-EVK-HC, která umožňuje testování a vyhodnocení vlastností plynového senzorového modulu. Stačí pouze připojit soupravu k počítači pomocí USB konektoru a začít zkoumat jeho vlastnosti. Integrovaný mikrokontroler komunikuje přes rozhraní I²C se senzorem a přenáší naměřené hodnoty oxidů ozonu a dusíku do PC (obrázek 2).
Obrázek 2: ZMOD4510-EVK umožňuje konstruktérům rychle vyhodnotit plynový senzor ZMOD4510 pomocí vestavěného software. (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics)
Senzory vlhkosti a teploty řady HS300x od IDT mají také integrovanou kalibraci a kompenzaci teploty. Senzory poskytují informaci o relativní vlhkosti (RH) a teplotě pomocí rozhraní I2C. RH je poměr hmotnosti vodní páry v daném objemu k hmotnosti páry, která se nasycuje tímto objemem při dané teplotě. V různých teplotách vzduchu bude stejná hodnota relativní vlhkosti znamenat naprosto jiné množství vodní páry nacházející se v ovzduší. Jednoduše řečeno, čím má hodnota blíže k nule, tím je vzduch sušší. Na druhou stranu, čím blíže k 100 %, tím více je ovzduší nasyceno vodní parou.
Uživatelská kalibrace výstupních dat není nutná a naměřená data jsou interně korigována a kompenzována přesným vnitřním mechanismem v širokém rozsahu teplot a vlhkostí. Senzory HS3001 , HS3002 , HS3003 a HS3004 mají velikost 3 mm x 2,41 mm x 0,8 mm a liší se pouze přesností měření.
Monitorování vzduchu s připojením do cloudu
Zpracování dat ze senzorů plynu může probíhat buď lokálním způsobem nebo je lze přenést do cloudu k dalšímu zpracování. Kompletní hardwarové kity obsahují zabezpečenou konektivitu ke cloudu, kde jsou naměřená data zobrazena prostřednictvím řídicího panelu(dashboardu) na počítači, tabletu či mobilním telefonu. Například sada YSAECLOUD2 AE-Cloud2 od společnosti Renesas je referenční design postavený na mikroprocesorech S5D9 od společnosti Synergy. Sada umožňuje připojit senzor ZMOD4510IA1R a snímač vlhkosti HS3001 ke cloudovým službám prostřednictvím W-Fi nebo mobilní sítě. Sada je schopna vizualizace naměřených dat v reálném čase na řídícím panelu v cloudu.
Toto není jediná sada pro monitorování kvality vnitřního a venkovního vzduchu pomocí cloudové platformy. Například cloudová platforma Next-Gen Smart Air Quality Monitoring je založena na mikrokontrolerech PSoC 6 od Cypress Semiconductor a senzorů od Sensirion (obrázek 3). Mikrokontrolery PSoC 6 mají integrované programovatelné rozhraní, které je schopno komunikovat s jakýmkoli senzorem Sensirion.
Obrázek 3: Návrh monitorování kvality ovzduší pro chytré domácnosti a budovy, který odesílá data do cloudu prostřednictvím Wi-Fi, kde dochází k zobrazení dat přímo na řídícím panelu. (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics)
Je důležité si uvědomit, že většina IoT zařízení, které monitorují kvalitu vzduchu je omezena energií, jelikož se většinou jedná o bateriové zařízení. Mikrokontroler PSoC 6 prodlužuje životnost baterie díky jeho nízké spotřebě. PSoC 6 je založen na dvoujádrové architektuře Arm Cortex-M postavené na technologii 40 nm. Spotřeba energie je 22 μA / MHz pro jádro M4 a 15 μA / MHz pro jádro M0+. Kromě toho mikrokontroler PSoC 6 podporuje bezpečné spouštění, bezpečné aktualizace firmware a hardwarovou kryptografii, která je důležitá pro zachování soukromí uživatelů. Pomocí mikrokontrolerů PSoC 6 společně se senzory plynů od společnosti Sensirion lze vytvářet aplikace pro čističe vzduchu, inteligentní ventilaci a další aplikace pro udržení kvalitního vzduchu v budovách.
Například senzor plynu SGP30 od Sensirion obsahuje více čidel (oxidy kovů) na jediném čipu. Díky tomu je schopen měřit těkavé organické sloučeniny (TVOC) a CO2. Organické sloučeniny VOC pocházejí z nových produktů a stavebních materiálů, jako jsou koberce, nábytek, barvy a rozpouštědla. TVOC označuje celkovou koncentraci VOC přítomných ve vzduchu a představuje rychlý způsob posouzení kvality vnitřního vzduchu.
Senzor SGP30 je schopen měřit TVOC a CO2 na společné membráně v miniaturním pouzdru o velikosti 2,45 mm x 2,45 mm x 0,9 mm. Na rozdíl od tradičních senzorů plynu, které ztratí stabilitu a přesnost po několika měsících kvůli chemickým sloučeninám nazývaným siloxany, jsou snímací prvky v tomto více-čidlovém senzoru odolné vůči tomuto typu kontaminace. Tím je zajištěna dlouhodobá stabilita měření.
Snímací prvky v senzoru SGP30 jsou vyrobeny z vyhřívané tenké vrstvy nanočástic MOx. Sensirion dokázal integrovat ohřívač i elektrodu přímo do čipu, a tím zmenšil celou velikost senzoru na minimum (obrázek 4).
Obrázek 4: Senzor SGP30 obsahuje čtyři snímací prvky do jednoho čipu, spolu s teplotně řízenou destičkou a I2C rozhraním. (Zdroj obrázku: Sensirion)
Další zvýšení miniaturizace dosáhla společnost Sensirion tím, že zkombinovala senzor plynu SGP30 se senzorem vlhkosti a teploty SHTC1 a vytvořil kombinovaný modul SVM30. Modul obsahuje analogově-digitální převodník (ADC), kalibrační a datovou paměť a rozhraní digitální komunikace podporující standardní protokol I2C.
Rychlost snímání
Rychlost snímání je dalším kamenem úrazu, pokud jde o rychle se měnící hladiny CO2 v analýze dechu a dalších monitorování vzduchu v reálném čase. Je třeba, aby senzory plynu výrazně zvýšily vzorkovací frekvenci, zejména u bateriově napájených senzorů kvality vzduchu v interiéru.
Společnost Gas Sensing Solutions postavila senzor plynu SprintIR-WF-20 na základě indimonové antimonidové LED technologie a optického designu. Tím se vyhnula použití pohyblivých částí (MEMS) a vyhřívaným vláknům (obrázek 5). Senzor je schopen zachytit 20 údajů za sekundu, a navíc má tři rozsahy měření: 0 - 5%, 0 - 20% a 0 - 100% CO2. Jeho přesnost je ± 70 ppm (+ 5% odečtu).
Obrázek 5: Senzor SprintIR-WF-20 CO2. (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics)
Senzor je schopen komunikovat prostřednictvím jednoduchého rozhraní UART s řadou bezdrátových sítí jako jsou Zigbee, LoRaWAN, Sigfox a EnOcean. SprintIR-WF-20 potřebuje pouze 35 mW, a to je hodnota mnohem menší než typické infračervené (NDIR) senzory CO2. Jeho vstupní napětí se pohybuje od 3,25 až 5,5 V a odebírá průměrný proud pod 15 mA (100 mA špičkově). Díky těmto číslům je SprintIR-WF-20 vhodný pro bateriově napájená zařízení.
Senzor je součástí vývojového kitu EVKITSWF-20 a jediné co je zapotřebí, je připojit senzor k počítači přes USB rozhraní a spustit logování dat. USB flash disk obsahuje samoinstalační software, který slouží ke konfiguraci daného senzoru. Automatická kalibrace funguje pro většinu aplikací, ale pro speciální účely je možné tuto kalibraci vypnout, respektive nastavit na nulové hodnoty.
Závěr
Monitoring kvality vzduchu se stává běžnou součástí našeho života. Běžné monitorovací systémy jsou velkých rozměrů a chybí jim konektivita do IoT sítí. Proto výrobci polovodičových součástek nabízí hotové moduly, které obsahují nejen senzor plynů, ale také senzor teploty i vlhkosti. Tím je možné uživateli dodat kompletní informace o prostředí, které chce monitorovat. Největší výhodou těchto modulů je hotová kalibrace přímo z výroby, která vyhovuje většině prostředí. Jelikož je vše řešeno jako jednočipové řešení, dochází k velké úspoře místa, a navíc moduly používají procesory s velmi nízkou spotřebou, a tak jsou vhodné i pro bateriově napájené zařízení. K dispozici je také vývojový kit a jediné co je zapotřebí, je připojit senzor k počítači přes USB rozhraní a spustit logování dat.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Majeed Ahmad
