Artikel & Blog – Worauf es bei der Integration von Gassensoren in Luftqualitätsüberwachungsdesigns für Hochintegrierte IoT-Anwendungen ankommt
Im Original beigetragen von Majeed Ahmad als DigiKey‘s nordamerikanischem Redakteur
2020-03-12
Die Überwachung der Luftqualität steht an einem Scheideweg. Herkömmliche Lösungen, meist die von der Regierung gesponserten Überwachungsstationen, sind groß und teuer und analysieren normalerweise begrenzte Luftproben. Inzwischen verwenden Luftüberwachungssysteme für Privathaushalte und Industrie seit langem etablierte Gassensortechnologien sowohl für die Überwachung der Umweltqualität als auch für die Lecksuche.
Diese Gassensoren haben jedoch einen relativ großen Platzbedarf und verbrauchen typischerweise viel Strom. Ihnen fehlen auch die Verarbeitungsfähigkeiten, Konnektivität und Sicherheit, die für Upgrades erforderlich sind, um die Selbstdiagnose- und Berichtsroutinen durchzuführen, die für moderne Anwendungen im Internet der Dinge (IoT) und im industriellen IoT (IIoT) von grundlegender Bedeutung sind.
Um diese Probleme anzugehen, entstehen hochintegrierte und flexible Gassensorlösungen von Anbietern wie Cypress Semiconductor (von Infineon Technologies Corporation übernommen), Gas Sensing Solutions, IDT (Integrated Device Technology ist jetzt ein Renesas-Unternehmen), Renesas und Sensirion. Diese bieten eine höhere Integration, Verarbeitungsleistung, Sicherheit und Konnektivität und versprechen genauere Messungen zur Erkennung von Umweltveränderungen in Häusern, Gebäuden, Autos, Krankenhäusern und Fabriken.
Dieser Artikel stellt einige aktuelle Beispiele vor und zeigt, wie sie die Bedürfnisse von Designern mit vorkalibrierten Designs und vorkompilierter Firmware erfüllen. Es wird auch untersucht, wie Kalibrierungs- und Speicherfunktionen verschiedene Sensorkonfigurationen mit Hilfe von Referenzdesigns und Hardware-Kits erleichtern.
Worauf Sie bei Gassensoren für das IoT achten sollten
Fortschritte bei Mikro-Elektro-Mechanischen Systemen (MEMS) sind zu einem grundlegenden Wegbereiter für kostengünstige Miniatur-Gassensoren geworden. Mit der Verbesserung der MEMS-Technologie steigen auch die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Sensoren. Zusammen mit der schnellen Reaktionszeit sind dies wichtige Eigenschaften, die die Fähigkeit eines Gassensors zur Überwachung der Umgebung bestimmen.
Obwohl die zugrunde liegende Gassensortechnologie wichtig ist, sind sie nicht die einzige Determinante für die Leistung eines Sensors. Stattdessen bieten Verbesserungen bei den Kalibrierungsfunktionen Konstrukteuren Wahlmöglichkeiten hinsichtlich der Gasart, des Konzentrationsbereichs und der Kosten. Die Firmware-Verbesserungen gehen auch Hand in Hand mit Kalibrierungsfunktionen, die Designern helfen, Gassensoren schnell in eine Vielzahl von IoT-Anwendungen zu integrieren.
Außerdem können Gassensoren auf einem einzigen Chip mithilfe vorkalibrierter Sensorgeräte mit vorkompilierter Firmware schnell in IoT-Designs zur Überwachung der Luftqualität integriert werden. Diese kompakten Sensoren werden elektrisch mit Gas kalibriert, um die Konsistenz von Charge zu Charge sicherzustellen. Darüber hinaus speichert der eingebaute nichtflüchtige Speicher (NVM – Non-Volatile Memory) im Sensorgerät die Konfiguration und bietet Platz für andere Daten.
Neben der Vorkalibrierung verbessert die vorkompilierte Firmware die Integration und Genauigkeit weiter und senkt gleichzeitig den Stromverbrauch von Gassensoren erheblich. Die vorkompilierte Firmware vereinfacht auch die gesamte Entwicklungsarbeit und ermöglicht es Designern, neue Sensorfunktionen hinzuzufügen, ohne die Hardware zu ändern, während Systemaktualisierungen nach der Bereitstellung möglich sind.
Vorkalibrierte Gassensoren
Nehmen Sie das Beispiel des Gassensormoduls ZMOD4510AI1R von IDT, das Konzentrationen von bis zu 20 Teilen pro Milliarde (ppb – parts per billion) quantifizieren kann. Es ist für den Nachweis von atmosphärischen Spurengasen wie Stickoxiden (NOx) und Ozon (O3) optimiert, zwei Hauptursachen für eine ungesunde Außenluftqualität.
ABX00089 als NICLA SENSE ENV von Arduino ist eine weitere Alternative als Evaluationsboard mit eigener Sensorik-Entwicklungsumgebung.
Der digitale Gassensor wurde entwickelt, um die Außenluftqualität gemäß dem Luftqualitätsindex (AQI – Air Quality Index) der US-Umweltschutzbehörde (EPA – Environmental Protection Agency) zu überwachen. Das Sensormodul hat Abmessungen von 3,0 mm x 3,0 mm x 0,7 Millimeter (mm) und umfasst ein Gassensorelement und einen Signalaufbereitungs-IC (Abbildung 1).
Abbildung 1: Das Gassensormodul ZMOD4510IA1R verwendet Algorithmen zur Berechnung der Konzentrationen von Gasen im Freien.
(Bildquelle: IDT)
Im ZMOD4510IA1R besteht das Sensorelement aus einem Heizelement auf einer siliziumbasierten MEMS-Struktur und einem Metall-Oxid (MOx)-Chemieresistor. Der Signalkonditionierungs-IC steuert die Sensortemperatur und misst die MOX-Leitfähigkeit, die eine Funktion der Gaskonzentration ist.
Neben Kalibrierungsfunktionen ist der ZMOD4510IA1R, der auf bewährtem MOx-Material basiert, sehr widerstandsfähig gegen Siloxane für Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen. Für ein schnelleres Prototyping und eine schnellere Entwicklung wird es vom Gassensor-Evaluierungskit ZMOD4510-EVK-HC unterstützt, mit dem das Gassensormodul über eine bidirektionale USB-Verbindung zu einem Windows®-PC getestet und evaluiert werden kann. Ein mikrocontrollerbasiertes Modul auf dem EVK steuert die I²C-Kommunikationsschnittstelle, um die gemessene Ausgabe von Ozon und Stickoxiden anzuzeigen (Abbildung 2).
Abbildung 2: Mit dem ZMOD4510-EVK können Konstrukteure den Gassensor ZMOD4510 mit Hilfe seiner integrierten Auswertesoftware schnell auswerten.
(Bildquelle: Digi-Key Electronics)
Die Feuchte- und Temperatursensoren der HS300x-Serie von IDT verfügen außerdem über eine integrierte Kalibrierungs- und Temperaturkompensationslogik, um vollständig korrigierte relative Feuchte (RH – Relative Humidity) und Temperaturwerte über den Standard-I²C-Ausgang bereitzustellen. RH ist das Verhältnis des Partialdrucks von Wasserdampf zum Gleichgewichtsdampfdruck von Wasser bei einer gegebenen Temperatur.
Es ist keine Benutzerkalibrierung der Ausgangsdaten erforderlich, und die gemessenen Daten werden intern korrigiert und kompensiert, um einen genauen Betrieb über einen weiten Temperatur- und Feuchtigkeitsbereich zu gewährleisten. Die MEMS-Sensoren HS3001, HS3002, HS3003 and HS3004 messen 3 x 2,41 x 0,8 mm und unterscheiden sich nur in der Genauigkeit der relativen Feuchte- und Temperaturmessungen.
Cloud-basierte Luftüberwachung
Konstrukteure können Gassensoren zur Erfassung der Luftqualität verwenden, indem sie die Daten entweder lokal verarbeiten oder im Laufe der Zeit mithilfe einer cloudbasierten Plattform über eine IP-Verbindung Erkenntnisse gewinnen. Hardware-Kits ermöglichen hier eine sichere Cloud-Konnektivität und Überwachungssteuerung über ein Dashboard.
Zum Beispiel ist das YSAECLOUD2 AE-Cloud2-Kit von Renesas ein Referenzdesign, das auf den Synergy S5D9-Mikrocontrollern des Unternehmens basiert. Es ermöglicht Entwicklern, Geräte wie den Gassensor ZMOD4510IA1R und den Feuchtigkeitssensor HS3001 über WLAN, Mobilfunk und andere Kommunikationskanäle mit Cloud-Diensten zu verbinden. Das IoT-Kit ermöglicht es Entwicklern auch, die Sensordaten auf einem Dashboard in Echtzeit zu visualisieren.
Entwicklern, die die Innen- und Außenluftqualität mithilfe cloudbasierter Plattformen überwachen müssen, stehen viele Alternativen zur Verfügung. Digi-Keys eigene cloud-fähige Gassensorplattform für intelligente Luftqualitätsüberwachung der nächsten Generation Next-Gen Smart Air Quality Monitoring kombiniert die PSoC 6-Mikrocontroller von Cypress Semiconductor mit Gas- und Staubsensoren von Sensirion (Abbildung 3). Die PSoC 6-Mikrocontroller bieten programmierbare Peripheriegeräte für die Schnittstelle mit jedem Sensirion-Sensor.
Abbildung 3: Gezeigt wird ein Design zur Überwachung der Luftqualität für Smart Homes und Gebäude, das Daten über Wi-Fi-Verbindungen zur Darstellung auf einem Dashboard an die Cloud sendet.
(Bildquelle: Digi-Key Electronics)
Es ist wichtig zu beachten, dass die meisten IoT–Knoten, die die Luftqualität überwachen – sowohl im Innen- als auch im Außenbereich - energiebeschränkt sind und häufig eine Batterie verbrauchen. Für diese Anwendungen verlängert der PSoC 6 die Batterielebensdauer aufgrund seines geringen Stromverbrauchs.
Es basiert auf einer Dual-Core Arm® Cortex®-M-Architektur, die auf einer 40-Nanometer (nm) Prozesstechnologie basiert. Die aktive Leistungsaufnahme beträgt 22 µA/MHz für den M4-Kern und 15 µA/MHz für den M0+ Kern. Darüber hinaus unterstützt der Mikrocontroller Secure Boot, sichere Firmware-Updates und hardwarebeschleunigte Kryptographie für Gassensoren in Smart-Home- und Industrieumgebungen, in denen Datensicherheit und Privatsphäre der Benutzer immer ein Anliegen sind.
PSoC 6-Mikrocontroller können zusammen mit Gassensorlösungen von Sensirion dazu beitragen, Anwendungen für Luftreiniger, bedarfsgesteuerte Lüftung und andere Anwendungen zur Überwachung der Raumluftqualität zu entwickeln. Die angeschlossenen Überwachungsgeräte können die Umgebung präzise steuern, indem sie schnell auf Umgebungsrückmeldungen reagieren.
Nehmen Sie zum Beispiel den Gassensor SGP30 von Sensirion, der mehrere Metalloxid-Sensorelemente oder Pixel auf einem einzigen Chip kombiniert, um sowohl die gesamten flüchtigen organischen Verbindungen (TVOC – Total Volatile Organic Compounds) als auch ein CO2-Äquivalentsignal (CO2eq) zu messen. VOCs stammen aus neuen Produkten und Baumaterialien wie Teppichen, Möbeln, Farben und Lösungsmitteln; TVOC bezieht sich auf die Gesamtkonzentration der in der Luft vorhandenen VOCs und ist eine schnelle Methode zur Beurteilung der Raumluftqualität.
Der SGP30 kann TVOC und CO2eq auf einer gemeinsamen Membran in einem winzigen Gehäuse von 2,45 x 2,45 x 0,9 mm messen. Darüber hinaus sind die Sensorelemente in diesem Multigasensor im Gegensatz zu herkömmlichen Gassensoren, die nach einigen Monaten aufgrund chemischer Verbindungen, sogenannten Siloxanen, an Stabilität und Genauigkeit verlieren, resistent gegen diese Art von Kontamination. Diese Funktion verringert die Drift, um Langzeitstabilität zu gewährleisten.
Die Sensorelemente im SGP30-Gassensor bestehen aus einem erhitzten Film aus MOx-Nanopartikeln. Sensirion hat auch die anderen Sensorkomponenten – Heizung und Elektroden – in den Chip eingebettet, um den Sensor-Footprint zu verkleinern (Abbildung 4).
Abbildung 4: Der Multigas-Sensor SGP30 integriert vier Sensorelemente oder Pixel in einen einzigen Chip mit einer temperaturgesteuerten Mikroplatte und einer I²C-Schnittstelle. (Bildquelle: Sensirion)
Um die Messlatte für die Integration noch höher zu legen, hat Sensirion den Gassensor SGP30 mit seinem Feuchte- und Temperatursensor SHTC1 zu einem Sensor-Kombi-Modul, dem SVM30, kombiniert. Zusammen mit mehreren Sensorelementen umfasst es analoge und digitale Signalverarbeitung, einen Analog-Digital-Wandler (ADC – Analog-to-Digital Converter), Kalibrierungs- und Datenspeicher sowie eine digitale Kommunikationsschnittstelle, die den I²C-Standardmodus unterstützt.
Geschwindigkeit der Gasmessung
Die Erfassungsgeschwindigkeit ist ein weiterer Stolperstein, wenn es um die sich schnell ändernden CO2-Werte bei der Atemanalyse und anderen Echtzeit-Luftüberwachungsanwendungen geht. Es besteht ein Bedarf an Gassensoren, um die Abtastrate signifikant zu erhöhen, insbesondere für batteriebetriebene Raumluftqualitätssensoren.
Gas Sensing Solutions hat den SprintIR-WF-20 Gassensor um Indium-Antimonid-LED-Technologie und optische Designs herum gebaut. Als solches vermeidet es sowohl bewegliche Teile (MEMS) als auch erhitzte Filamente (Abbildung 5). Es erfaßt 20 Messwerte pro Sekunde und wird mit einem optionalen Durchflussadapter geliefert. Zusätzlich verfügt der SprintIR-WF-20 über drei Messbereiche: 0 – 5%, 0 – 20% und 0 – 100% CO2-Konzentrationen. Die Genauigkeit beträgt ± 70 ppm (+5% vom Messwert).
Abbildung 5: Der SprintIR-WF-20 CO2-Sensor ist mit Optionen zur Unterstützung von Durchfluss- oder Diffusionsstrukturen erhältlich.
(Bildquelle: Digi-Key Electronics)
Der Sensor kommuniziert über eine einfache UART-Schnittstelle mit einer Vielzahl von drahtlosen IoT-Netzwerken wie Zigbee, LoRaWAN, Sigfox und EnOcean. Mit 35 Milliwatt (mW) benötigt der SprintIR-WF-20 weitaus weniger Strom als typische unterbrechungsfreie Infrarot-CO2-Sensoren (NDIR). es läuft von 3,25 bis 5,5 Volt und zieht einen durchschnittlichen Strom von unter 15 Milliampere (mA) (100 mA, Spitze). Diese Zahlen machen den SprintIR-WF-20 für batteriebetriebene Geräte wie Wearables geeignet. Die neuen Firmware-Änderungen verbessern die Batterielebensdauer weiter und erhöhen die Genauigkeit der CO2-Messung.
Der Gassensor wird mit einem Evaluierungskit, dem EVKITSWF-20, geliefert, sodass Designer lediglich den CO2-Sensor über einen USB-Stick an einen Computer anschließen und mit der Protokollierung der Sensordaten beginnen müssen. Der USB-Stick enthält die selbstinstallierende Evaluierungssoftware. Erwähnenswert ist, daß die automatische Kalibrierung für die meisten Anwendungen zur Überwachung der Luftqualität funktioniert, obwohl das Evaluierungskit Entwicklern die Nullkalibrierung für bestimmte Umgebungen ermöglicht.
Schlußfolgerung
Entwickler von Gassensoren für IoT- und IIoT-Geräte und -Systeme entfernen sich von traditionellen, großen, eigenständigen Designs. Dabei müssen sie nach Gassensorlösungen suchen, die es ihnen ermöglichen, die Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Reaktionszeit zu verbessern sowie die Kosten und den Stromverbrauch zu senken und gleichzeitig die Fähigkeiten der IoT- und Cloud-basierten Datenerfassungs- und Analyseplattformen voll auszuschöpfen. Weitere Kernfunktionen, auf die Sie achten sollten, sind Schnittstellendesign, Erfassungsgeschwindigkeit und Konzentrationsbereich
Wie gezeigt, gibt es viele Lösungen, die nicht nur den Anforderungen der Designer entsprechen, sondern auch die Integration dieser erweiterten Sensorfunktionen in kleine Formfaktoren vereinfachen, die für batteriebetriebene Geräte ein Muss sind. Sie umfassen auch Kalibrierungsfunktionen und aktualisierbare Firmware, die für die effiziente Konfiguration und Neukonfiguration von Designs zur Überwachung der Luftqualität von entscheidender Bedeutung sind. Mit diesen Gassensoren in Verbindung mit Cloud-Konnektivität können Designer in äußerst unterstützenden Hardware- und Software-Ökosystemen arbeiten, um aktuellen und zukünftigen IoT- und IIoT-Designanforderungen gerecht zu werden.
Haftungsausschluß
Die Meinungen, Überzeugungen und Standpunkte, die von den verschiedenen Autoren und/oder Forumsteilnehmern auf dieser Website geäußert werden, spiegeln nicht unbedingt die Meinungen, Überzeugungen und Standpunkte von DigiKey oder die offiziellen Richtlinien von DigiKey wider.