Wat speelt er bij de integratie van gassensors in ontwerpen voor luchtkwaliteitsbewaking?

De bewaking van de luchtkwaliteit staat op een kruispunt. Traditionele oplossingen, meestal door de overheid gesponsorde meetstations, zijn groot en duur, en ze analyseren meestal beperkte luchtmonsters. Intussen maken thuis- en industriële luchtbewakingssystemen al lang gebruik van gevestigde gasdetectietechnologieën voor zowel de bewaking van de milieukwaliteit als de opsporing van lekken.

Deze gassensors hebben echter een relatief grote voetafdruk en verbruiken doorgaans veel stroom. Het ontbreekt hen ook aan de verwerkingsmogelijkheden, connectiviteit en veiligheid die nodig zijn voor upgrades om de zelfdiagnose- en rapporteringsroutines uit te voeren die fundamenteel zijn voor moderne toepassingen van het Internet of Things (IoT) en industriële IoT.

Om deze problemen aan te pakken, komen er zeer geïntegreerde en flexibele gassensoroplossingen van leveranciers zoals Cypress Semiconductor, Gas Sensing Solutions, IDT, Renesas en Sensirion. Deze zorgen voor meer integratie, rekenkracht, veiligheid en connectiviteit en beloven nauwkeuriger metingen om veranderingen in de omgeving van huizen, gebouwen, auto's, ziekenhuizen en fabrieken op te sporen.

Dit artikel zal een aantal recente voorbeelden introduceren en laten zien hoe ze tegemoet komen aan de behoeften van ontwerpers met behulp van vooraf gekalibreerde ontwerpen en voorgecompileerde firmware. Er wordt ook gekeken hoe de kalibratie- en geheugeneigenschappen verschillende sensorconfiguraties mogelijk maken met behulp van referentieontwerpen en hardwaresets.

Waarop moet worden gelet bij gassensors voor IoT

De vooruitgang in micro-elektromechanische systemen (MEMS) is een fundamentele enabler geworden van miniatuur, goedkope gassensoren. Naarmate de MEMS-technologie verbetert, verbetert ook de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de sensors. Samen met de snelle reactietijd zijn dit essentiële kenmerken die het vermogen van een gassensor om de omgeving te monitoren bepalen.

Hoewel de onderliggende gasdetectietechnologie belangrijk is, zijn ze niet de enige bepalende factor voor de prestaties van een sensor. In plaats daarvan bieden verbeteringen in de kalibratiemogelijkheden de ontwerpers keuzes met betrekking tot het gastype, het concentratiebereik en de kosten. De verbeteringen in de firmware gaan ook hand in hand met kalibratiefuncties om ontwerpers te helpen bij het snel integreren van gassensors in een verscheidenheid aan IoT-toepassingen.

Ook kunnen gassensors op een enkele chip snel worden geïntegreerd in het ontwerp van het IoT voor de bewaking van de luchtkwaliteit met behulp van vooraf gekalibreerde sensors met voorgecompileerde firmware. Deze compacte sensors zijn elektrisch gekalibreerd met gas om de consistentie van partij tot partij te garanderen. Bovendien slaat het ingebouwde niet-vluchtig geheugen (NVM) in het sensorapparaat de configuratie op en biedt het ruimte voor andere gegevens.

Naast de voorkalibratie wordt de integratie en nauwkeurigheid verder versterkt door voorgecompileerde firmware, terwijl het stroomverbruik van gassensors aanzienlijk wordt verlaagd. De voorgecompileerde firmware vereenvoudigt ook het algemene ontwikkelingswerk, waardoor ontwerpers nieuwe detectiemogelijkheden kunnen toevoegen zonder de hardware te wijzigen, terwijl systeemupdates na de implementatie mogelijk zijn.

Vooraf gekalibreerde gassensors

Neem het voorbeeld van IDT's ZMOD4510IA1R gassensormodule die concentraties van slechts 20 delen per miljard (ppb) kan kwantificeren. Het is geoptimaliseerd voor de detectie van sporen van atmosferische gassen zoals stikstofoxiden (NOx) en ozon (O₃), twee belangrijke oorzaken van ongezonde buitenluchtkwaliteit. De digitale gassensor is ontworpen om de kwaliteit van de buitenlucht te controleren volgens de Air Quality Index (AQI) van het Amerikaanse Environmental Protection Agency (EPA). De sensormodule heeft afmetingen van 3,0 mm x 3,0 mm x 0,7 millimeter (mm) en bestaat uit een gasdetectie-element en een signaalconditionerings-IC (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: De ZMOD4510IA1R-gassensormodule maakt gebruik van algoritmen om de concentraties van de buitengassen te berekenen. (Bron afbeelding: IDT)

In de ZMOD4510IA1R bestaat het sensorelement uit een verwarmingselement op een MEMS-structuur op basis van silicium en een chemieweerstand op basis van metaaloxide (MOx). Het signaalconditionerings-IC regelt de sensortemperatuur en meet de MOx-geleiding, die een functie is van de gasconcentratie.

Naast de kalibratie-eigenschappen is de ZMOD4510IA1R, gebaseerd op bewezen MOx-materiaal, zeer resistent tegen siloxanen voor betrouwbaarheid in ruwe omgevingen. Voor snellere prototyping en ontwikkeling wordt het ondersteund door de ZMOD4510-EVK-HC-gassensorevaluatiekit, waarmee de gassensormodule via een bidirectionele USB-aansluiting op een Windows^®-pc kan worden getest en geëvalueerd. Een microcontrollermodule op de EVK stuurt de I²C-communicatie-interface aan om het gemeten vermogen van ozon en stikstofoxiden weer te geven (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Met de ZMOD4510-EVK kunnen ontwerpers de ZMOD4510-gassensor snel evalueren met behulp van de ingebouwde evaluatiesoftware. (Bron afbeelding: DigiKey)

IDT's HS300x-serie van vocht- en temperatuursensors is ook voorzien van geïntegreerde kalibratie- en temperatuurcompensatielogica om volledig gecorrigeerde relatieve vochtigheid (RH) en temperatuurwaarden te leveren via de standaard I²C-uitgang. RH is de verhouding tussen de partiële druk van waterdamp en de evenwichtsdampspanning van water bij een bepaalde temperatuur.

Er is geen gebruikerskalibratie van de uitgangsgegevens nodig en de gemeten gegevens worden intern gecorrigeerd en gecompenseerd voor een nauwkeurige werking over een breed scala aan temperatuur- en vochtigheidsniveaus. De HS3001, HS3002, HS3003 en HS3004 MEMS sensoren meten 3 x 2,41 x 0,8 mm en verschillen alleen in de nauwkeurigheid van de relatieve vochtigheid en temperatuur metingen.

Bewaking van de lucht in de wolken

Ontwerpers kunnen gassensors gebruiken voor het registreren van de luchtkwaliteit door de gegevens lokaal te verwerken of door in de loop van de tijd inzicht te ontwikkelen met behulp van een cloudgebaseerd platform via een IP-verbinding. Hier vergemakkelijken hardwarekits een veilige cloudconnectiviteit en controle via een dashboard.

Zo is de YSAECLOUD2 AE-Cloud2-kit van Renesas een referentieontwerp dat is opgebouwd rond de Synergy S5D9-microcontrollers van het bedrijf. Het stelt ontwikkelaars in staat om apparaten zoals de ZMOD4510IA1R-gassensor en HS3001-vochtigheidssensor aan te sluiten op clouddiensten via W-Fi, cellulair, en andere communicatiekanalen. Met de IoT-kit kunnen ontwikkelaars ook de sensorgegevens in realtime op een dashboard visualiseren.

Er zijn veel alternatieven beschikbaar voor ontwikkelaars die de kwaliteit van de binnen- en buitenlucht moeten bewaken met behulp van op cloudgebaseerde platforms. DigiKey's eigen Next-Gen Smart Air Quality Monitoring

Het platform van de gassensors met cloudfunctie combineert de PSoC 6-microcontrollers van Cypress Semiconductor met gas- en stofsensors van Sensirion (Afbeelding 3). De PSoC 6-microcontrollers bieden programmeerbare randapparatuur voor de interface met elke Sensirion-sensor.

Afbeelding 3: Weergegeven is een ontwerp voor luchtkwaliteitsbewaking voor slimme huizen en gebouwen dat gegevens naar de cloud stuurt via Wi-Fi-links voor presentatie op een dashboard. (Bron afbeelding: DigiKey)

Het is belangrijk om op te merken dat de meeste IoT-knooppunten die de luchtkwaliteit bewaken - zowel binnen als buiten - energiebeperkend zijn, vaak met een batterij. Voor deze toepassingen verlengt de PSoC 6 de levensduur van de batterij door het lage stroomverbruik. Het is gebaseerd op een dual-core Arm® Cortex®-M-architectuur gebouwd op een 40 nanometer (nm) procestechnologie. Het actieve stroomverbruik is 22 μA/MHz voor de M4-kern en 15 μA/MHz voor de M0+-kern. Bovendien ondersteunt de microcontroller een veilige opstart, veilige firmware-updates en hardware-versnelde cryptografie voor gassensors in slimme thuis- en industriële omgevingen, waar de veiligheid van gegevens en de privacy van de gebruiker altijd een punt van zorg zijn.

PSoC 6-microcontrollers kunnen, samen met gasdetectieoplossingen van Sensirion, helpen bij het creëren van toepassingen voor luchtreinigers, vraaggestuurde ventilatie en andere toepassingen voor de bewaking van de luchtkwaliteit binnenshuis. De aangesloten bewakingsapparatuur kan de omgeving nauwkeurig controleren door snel te reageren op milieufeedback.

Neem bijvoorbeeld de SGP30-gassensor van Sensirion, die meerdere metaal-oxide detectie-elementen of pixels op een enkele chip combineert om zowel de totale hoeveelheid vluchtige organische stoffen (TVOC) als een _{CO2-equivalent} signaal (CO_2eq) te meten. VOC's zijn afkomstig van nieuwe producten en bouwmaterialen zoals tapijt, meubels, verf en oplosmiddelen; tVOC verwijst naar de totale concentratie van VOC's in de lucht en is een snelle manier om de kwaliteit van de binnenlucht te beoordelen.

De SGP30 kan tVOC en CO_2eq meten op een gemeenschappelijk membraan in een kleine verpakking van 2,45 x 2,45 x 0,9 mm. In tegenstelling tot traditionele gassensors die na enkele maanden hun stabiliteit en nauwkeurigheid verliezen door chemische verbindingen die siloxanen worden genoemd, zijn de detectie-elementen in deze multigassensor bovendien bestand tegen dit soort vervuiling. Deze functie verlaagt de drift om de stabiliteit op lange termijn te garanderen.

De sensorelementen in de SGP30-gassensor zijn gemaakt van een verwarmde folie van MOx-nanopartikels. Sensirion heeft ook de andere sensorcomponenten - verwarming en elektroden - in de chip ingebouwd om de voetafdruk van de sensor te verkleinen (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De SGP30 multi-gassensor integreert vier sensorelementen, oftewel pixels, in één enkele chip die is voorzien van een temperatuurgestuurde microplaat en een I²C-interface. (Bron afbeelding: Sensirion)

Om de lat bij de integratie verder te leggen, heeft Sensirion de SGP30-gassensor gecombineerd met zijn SHTC1 vochtigheids- en temperatuursensor om een sensorcombomodule, de SVM30, te creëren. Samen met meerdere detectie-elementen omvat het analoge en digitale signaalverwerking, een analoog-digitaal convertor (ADC), kalibratie en datageheugen, en een digitale communicatie-interface die de I²C-standaardwijze ondersteunt.

Gasdetectiesnelheid

De detectiesnelheid is een ander struikelblok als het gaat om de snel veranderende CO₂-niveaus in de ademanalyse en andere real-time luchtbewakingstoepassingen. Er is behoefte aan gassensors om de bemonsteringsfrequentie aanzienlijk te verhogen, vooral voor batterijgevoede binnenluchtsensors.

Gas Sensing Solutions heeft de SprintIR-WF-20-gassensor gebouwd rond indium antimonide LED-technologie en optische ontwerpen. Als zodanig vermijdt het zowel bewegende delen (MEMS) als verwarmde filamenten (Afbeelding 5). Het registreert 20 metingen per seconde en wordt geleverd met een optionele doorstroomadapter. Daarnaast beschikt de SprintIR-WF-20 over drie meetbereiken: 0 - 5%, 0 - 20% en 0 - 100% CO₂-concentraties. De nauwkeurigheid is ±70 ppm (+5% van de aflezing).

Afbeelding 5: De SprintIR-WF-20 _CO2-sensor is beschikbaar met opties om doorstroom- of diffusiestructuren te ondersteunen. (Bron afbeelding: DigiKey)

De sensor communiceert via een eenvoudige UART-interface met verschillende draadloze IoT-netwerken zoals Zigbee, LoRaWAN, Sigfox en EnOcean. Bij 35 milliwatt (mW) heeft de SprintIR-WF-20 veel minder vermogen nodig dan de typische niet-verstorende infrarood (NDIR) CO₂-sensors; hij loopt 3,25 tot 5,5 volt af en trekt een gemiddelde stroom van minder dan 15 milliampère (mA) (100 mA, piek). Deze cijfers maken de SprintIR-WF-20 geschikt voor apparaten die op batterijen werken, zoals draagbare apparaten. De nieuwe firmwarewijzigingen verbeteren de levensduur van de batterij en verhogen de nauwkeurigheid van de CO₂-detectie.

De gassensor wordt geleverd met een evaluatiekit, de EVKITSWF-20, dus alle ontwerpers hoeven alleen maar de CO₂-sensor aan te sluiten op een computer via een USB-stick en de sensorgegevens te gaan loggen. De USB-stick bevat de zelfinstallerende evaluatiesoftware. Het is het vermelden waard dat de automatische kalibratie werkt voor de meeste toepassingen voor de bewaking van de luchtkwaliteit, hoewel de evaluatiekit de ontwikkelaars in staat stelt om de nulkalibratie voor specifieke omgevingen uit te voeren.

Conclusie

Ontwerpers van gasdetectieapparatuur voor IoT- en IIoT-apparaten en -systemen wijken af van traditionele, grote, op zichzelf staande ontwerpen. Daarbij moeten ze op zoek gaan naar gasdetectieoplossingen waarmee ze de nauwkeurigheid, betrouwbaarheid en reactietijd kunnen verbeteren en de kosten en het stroomverbruik kunnen verlagen, terwijl ze de mogelijkheden van het IoT en de cloudgebaseerde dataverzamel- en analyseplatforms volledig benutten. Andere kernfuncties om naar te kijken zijn interfaceontwerp, detectiesnelheid en concentratiebereik.

Zoals aangetoond zijn er veel oplossingen beschikbaar die niet alleen voldoen aan de behoeften van ontwerpers, maar die ook de integratie van deze verbeterde detectiecapaciteiten in kleine vormfactoren, die een must zijn voor apparaten die op batterijen werken, vereenvoudigen. Ze bevatten ook kalibratiemogelijkheden en updatebare firmware die essentieel zijn voor de efficiënte configuratie en herconfiguratie van ontwerpen voor de bewaking van de luchtkwaliteit. Met behulp van deze gassensors, gekoppeld aan cloudconnectiviteit, kunnen ontwerpers binnen zeer ondersteunende hardware- en software-ecosystemen werken om te voldoen aan de huidige en toekomstige IoT en IIoT ontwerpvereisten.