Mitä tulee huomioida integroitaessa kaasuantureita ilmanlaadun seurantaratkaisuihin
Julkaisija DigiKeyn kirjoittajat Pohjois-Amerikassa
2020-03-12
Ilmanlaadun seuranta on tienhaarassa. Perinteiset ratkaisut, eli useimmiten julkishallinnon ylläpitämät seuranta-asemat, ovat suuria ja kalliita, ja ne analysoivat yleensä rajallisia ilmanäytteitä. Samaan aikaan kotona ja teollisuudessa käytettävissä ilmanlaadun seurantajärjestelmissä on jo pitkään käytetty sisäisiä kaasuntunnistusteknologioita sekä ympäristön ilmanlaadun seurantaan että vuodontunnistukseen.
Nämä kaasuanturit ovat kuitenkin melko suuria ja kuluttavat yleensä paljon sähköä. Niistä myös puuttuvat päivityksiin tarvittava prosessointikyky, yhteydet ja tietoturvaratkaisut, joita vaaditaan modernien esineiden internetin (IoT) ja teollisen esineiden internetin (IIoT) sovelluksien keskeisiin itsediagnostiikka- ja raportointitoimintoihin.
Näiden ongelmien ratkaisemiseksi toimittajat kuten Cypress Semiconductor, Gas Sensing Solutions, IDT, Renesas ja Sensirion ovat esitelleet erittäin pitkälle integroituja ja joustavia kaasuanturiratkaisuja. Ne tarjoavat parempaa integrointia, suoritustehoa, tietoturvaa ja yhteyksiä ja lupaavat tarkempia mittauksia, joilla voidaan havaita ympäristössä tapahtuvat muutokset kodeissa, rakennuksissa, autoissa, sairaaloissa ja tehtaissa.
Tässä artikkelissa esitellään tuoreita esimerkkejä ja kerrotaan, miten ne vastaavat suunnittelijoiden tarpeisiin esikalibroiduilla malleilla ja valmiiksi käännetyillä laiteohjelmistoilla. Samalla tutustutaan siihen, miten kalibrointi- ja muistiominaisuudet helpottavat erilaisia anturikonfiguraatioita, kun apuna käytetään referenssisuunnitelmia ja laitteistosarjoja.
Mitä IoT vaatii kaasuantureilta
Mikroelektromekaanisten järjestelmien (MEMS) kehitys on mahdollistanut pienikokoiset ja edulliset kaasuanturit. MEMS-teknologian kehittyessä myös antureiden tarkkuus ja luotettavuus kehittyy. Nopean vasteajan lisäksi nämä ovat oleellisia ominaisuuksia, jotka määrittävät kaasuanturin kykyä tarkkailla ympäristöä.
Mutta vaikka kaasun tunnistusteknologia onkin tärkeää, se ei yksinään määritä anturin suorituskykyä. Kalibrointikyvyn parannusten myötä suunnittelijoilla on enemmän valinnanvaraa kaasutyyppien, pitoisuusalueiden ja hinnan suhteen. Laiteohjelmiston parannukset ovat myös yhteydessä kalibrointiominaisuuksiin, jolloin suunnittelijat voivat integroida kaasuantureita nopeasti erilaisiin IoT-sovelluksiin.
Yhdellä piirillä toimitetut kaasuanturit voidaan myös nopeasti integroida ilmanlaatua seuraaviin IoT-laitteisiin käyttäen valmiiksi käännettyä laiteohjelmistoa käyttäviä, ja esikalibroituja tunnistuslaitteita. Nämä kompaktit anturit kalibroidaan sähköisesti kaasun avulla, jotta ominaisuudet pysyvät yhtenäisinä erästä toiseen. Lisäksi anturilaitteen sisäinen haihtumaton muisti (NVM) tallentaa konfiguraatiotiedot ja tarjoaa tilaa myös muulle datalle.
Esikalibroinnin lisäksi myös valmiiksi käännetty laiteohjelmisto tehostaa integrointia ja tarkkuutta, laskien samalla kaasuantureiden tehonkulutusta huomattavasti. Valmiiksi käännetty laiteohjelmisto helpottaa myös yleistä kehitystyötä, sillä suunnittelijat voivat lisätä uusia tunnistuskykyjä muuttamatta laitteistoa ja järjestelmän päivitys käyttöönoton jälkeen on mahdollista.
Esikalibroidut kaasuanturit
Otetaan esimerkiksi IDT:n kaasuanturimoduuli ZMOD4510IA1R, joka voi tunnistaa jopa 20 miljardisosan (ppb) pitoisuuksia. Se on optimoitu tunnistamaan pieniäkin määriä typen oksideja (NOx) ja otsonia (O3), jotka molemmat heikentävät merkittävästi ulkoilman laatua. Tämä digitaalinen kaasuanturi on suunniteltu valvomaan ulkoilman laatua Yhdysvaltain ympäristöviraston (EPA) AQI-ilmanlaatuindeksin mukaisesti. Anturimoduulin mitat ovat 3,0 mm × 3,0 mm × 0,7 mm, ja se koostuu kaasuanturielementistä sekä signaalin käsittelyä hoitavasta mikropiiristä (kuva 1).
Kuva 1: ZMOD4510IA1R-kaasuanturimoduuli käyttää algoritmeja laskeakseen ulkoilman kaasujen pitoisuudet. (Kuvan lähde : IDT)
ZMOD4510IA1R-anturissa anturielementti koostuu piipohjaisessa MEMS-rakenteessa olevasta lämmitinelementistä sekä metallioksidista (MOx) valmistetusta kemiresistorista. Signaalinkäsittelyä hoitava mikropiiri ohjaa anturin lämpötilaa ja mittaa MOx-vastuksen sähkönjohtavuutta, joka on kaasupitoisuuden funktio.
Kalibrointiominaisuuksien lisäksi hyvin testattuun MOx-materiaaliin perustuva ZMOD4510IA1R kestää erittäin hyvin siloksaaneja, mikä tekee siitä luotettavan vaativissa ympäristöissä. ZMOD4510-EVK-HC-arviointisarja nopeuttaa prototyyppien luontia ja kehitystä. Sen avulla kaasuanturimoduulia voidaan testata ja arvioida kaksisuuntaisella yhteydellä Windows®-tietokoneen kanssa. EVK:n mikrokontrolleripohjainen moduuli ohjaa I²C-tiedonsiirtorajapintaa ja näyttää otsonin ja typen oksidien mittaustuloksen (kuva 2).
Kuva 2: ZMOD4510-EVK:n avulla suunnittelijat voivat arvioida ZMOD4510-kaasuanturia nopeasti käyttäen sarjan sisäänrakennettua arviointiohjelmistoa. (Kuvan lähde: Digi-Key Electronics)
IDT:n HS300x-sarjan kosteus- ja lämpötila-antureissa on myös integroitu kalibrointi- ja lämpötilakompensointilogiikka, joka tarjoaa täysin korjatut suhteellisen kosteuden (RH) ja lämpötilan arvot normaalin I2C-lähdön kautta. RH ilmaisee, kuinka suuri vesihöyryn paine on tietyssä lämpötilassa suhteessa veden höyrypaineeseen tasapainotilassa.
Käyttäjän ei tarvitse kalibroida lähtödataa, ja mitattu data korjataan ja kompensoidaan automaattisesti siten, että toiminta säilyy tarkkana erilaisissa lämpötila- ja kosteusolosuhteissa. MEMS-anturit HS3001, HS3002, HS3003 ja HS3004 ovat kaikki kooltaan 3 × 2,41 × 0,8 mm ja eroavat vain suhteellisen kosteuden ja lämpötilamittauksen tarkkuuden suhteen.
Pilvipohjainen ilmanlaadun seuranta
Suunnittelijat voivat käyttää kaasuantureita ilmanlaadun tallentamiseen joko käsittelemällä dataa paikallisesti tai laatimalla pitkän aikavälin aineistoja käyttäen pilvipohjaista alustaa IP-yhteyden kautta. Tällöin laitteistosarjat helpottavat turvallisen pilviyhteyden muodostamista sekä seurantaa hallintanäkymän kautta.
Esimerkiksi Renesasin YSAECLOUD2-AE-Cloud2-sarja on yrityksen Synergy S5D9 -mikrokontrollerien ympärille rakennettu referenssimalli. Sen avulla kehittäjät voivat yhdistää ZMOD4510IA1R-kaasuanturin ja HS3001-kosteusanturin kaltaisia laitteita pilvipalveluihin Wi-Fin, matkapuhelinverkon tai muiden viestintäkanavien kautta. IoT-sarjan avulla kehittäjät voivat myös visualisoida anturien dataa hallintanäkymässä reaaliaikaisesti.
Tarjolla on monia vaihtoehtoja kehittäjille, joiden on tarpeen valvoa sisä- ja ulkoilman laatua pilvipohjaisten alustojen avulla. Digi-Keyn oma, pilvipalvelua käyttävä Next-Gen Smart Air Quality Monitoring
-kaasuanturi yhdistää Cypress Semiconductorin PSoC 6 -mikrokontrollerit sekä Sensirionin kaasu- ja pölyanturit (kuva 3). PSoC 6 -mikrokontrollerit tarjoavat ohjelmoitavia lisälaitteita, jotka voivat toimia rajapintana mihin tahansa Sensirion-anturiin.
Kuva 3: Kuvassa näkyy älykoteihin ja -rakennuksiin tarkoitettu ilmanlaadun seurantajärjestely, joka lähettää dataa pilveen Wi-Fi-yhteyksien kautta ja esittää ne hallintanäkymässä. (Kuvan lähde: Digi-Key Electronics)
On tärkeää huomata, että useimmat ilmanlaatua tarkkailevat IoT-solmut – sekä sisä- että ulkokäyttöön tarkoitetut – käyttävät vähän energiaa ja toimivat usein paristolla tai akulla. Alhaisen virrankulutuksensa ansiosta PSoC 6 pidentää akun kestoaikaa näissä käyttötarkoituksissa. Se perustuu 40 nanometrin (nm) prosessiteknologialla valmistettuun Arm® Cortex®-M -arkkitehtuuriin. Aktiivinen tehonkulutus on 22 μA/MHz M4-ytimelle ja 15 μA/MHz M0+-ytimelle. Mikrokontrolleri tukee myös secure boot -toimintoa, laiteohjelmiston päivityksiä sekä laitteistokiihdytettyä kryptografiaa kaasuantureille älykoti- ja teollisuusympäristöissä, joissa tietoturva ja käyttäjien yksityisyys ovat aina oleellisessa roolissa.
PSoC 6 -mikrokontrollerit voivat yhdessä Sensirionin kaasuntunnistusratkaisujen kanssa auttaa kehittämään sovelluksia ilmanpuhdistimiin, tarvittaessa käynnistyvään tuuletukseen sekä muihin ilmanlaadun tarkkailua vaativiin toteutuksiin. Verkkoon yhdistetyt valvontalaitteet voivat hallinnoida ympäristöä tarkasti reagoimalla nopeasti ympäristöstä tulevaan palautteeseen.
Esimerkiksi voidaan ottaa Sensirionin SGP30-kaasuanturi, joka yhdistää useita metallioksidista valmistettuja tunnistinelementtejä eli pikseleitä yhdelle piirille ja mittaa näin sekä haihtuvat orgaaniset yhdisteet (tVOC) että CO2-ekvivalenttiarvon (CO2eq). VOC:t ovat peräisin uusista tuotteista sekä rakennustarvikkeista, kuten matoista, huonekaluista, maaleista ja liuottimista; tVOC viittaa ilmassa olevien VOC-yhdisteiden kokonaismäärään ja tarjoaa näin helpon tavan arvioida sisäilman laatua.
SGP30 voi mitata tVOC:n ja CO2eq:n samalla kalvolla, ja sen pienen pieni kotelo on mitoiltaan vain 2,45 × 2,45 × 0,9 mm. Lisäksi toisin kuin perinteisissä kaasuantureissa, joiden stabiilius ja tarkkuus heikkenee muutaman kuukauden jälkeen siloksaaneiksi kutsuttujen kemiallisten yhdisteiden vaikutuksesta, tämän monikaasuanturin tunnistinelementit vastustavat tällaista kontaminaatiota. Tämä ominaisuus vähentää arvojen siirtymistä ja takaa stabiiliuden pitkällä aikavälillä.
SGP30-kaasuanturin tunnistinelementit on tehty MOx-nanopartikkeleista koostuvasta lämpönauhasta. Sensirion on sulauttanut piiriin myös anturin muita komponentteja, lämmittimen ja elektrodit, vähentääkseen sen viemää tilaa (kuva 4).
Kuva 4: SGP30-monikaasuanturissa integroidaan neljä anturielementtiä yhdelle piirille, jossa on lämpötilaohjattu mikrotitrauslevy sekä I2C-rajapinta. (Kuvan lähde: Sensirion)
Nostaakseen integrointiastetta entisestään Sensirion on yhdistänyt SGP30-kaasuanturin SHTC1-kosteus- ja lämpötila-anturiin ja luonut näin SVM30-yhdistelmäanturimoduulin. Useiden tunnistinelementtien lisäksi se sisältää analogisen ja digitaalisen signaalinkäsittelyn, analogi-digitaalimuuntimen (ADC), kalibrointi- ja datamuistin sekä digitaalisen viestintärajapinnan, joka tukee normaalia I2C-tilaa.
Kaasun tunnistusnopeus
Tunnistusnopeus on toinen ongelmakohta puhuttaessa nopeasti muuttuvista CO2-tasoista hengitysanalyysin ja muiden reaaliaikaisten ilmanseurantasovellusten yhteydessä. Kaasuantureiden näytteenottonopeutta tulee kohottaa huomattavasti, erityisesti mitä tulee paristokäyttöisiin sisäilmanlaadun antureihin.
Gas Sensing Solutions on kehittänyt SprintIR-WF-20-kaasuanturin indium-antimonidi-LED-teknologian ja optisten ratkaisujen pohjalta. Näin siitä puuttuvat sekä liikkuvat osat (MEMS) että lämmitettävät hehkulangat (kuva 5). Se tallentaa 20 lukemaa sekunnissa ja sen mukana toimitetaan valinnainen läpivirtaussovitin. Lisäksi SprintIR-WF-20:ssä on kolme mittausaluetta: 0–5 %:n, 0–20 %:n ja 0–100 %:n CO2-pitoisuudet. Sen tarkkuus on ±70 ppm (+5 % lukemasta).
Kuva 5: SprintIR-WF-20-CO2-anturiin on saatavana sekä läpivirtaus- että diffuusiorakennetta tukevat varusteet. (Kuvan lähde: Digi-Key Electronics)
Anturi käyttää yksinkertaista UART-rajapintaa kommunikoidakseen monien erilaisten langattomien IoT-verkkojen kanssa: tuettuihin verkkoihin kuuluvat muun muassa Zigbee, LoRaWAN, Sigfox ja EnOcean. SprintIR-WF-20 tarvitsee vain 35 milliwattia (mW) tehoa, eli huomattavasti vähemmän kuin tyypilliset ei-dispersiiviset (NDIR) CO2-anturit. Se toimii 3,25–5,5 voltin jännitteellä ja kuluttaa keskimäärin alle 15 milliampeeria (mA) (100 mA huippu). Näillä luvuilla SprintIR-WF-20 sopii akkukäyttöisiin, esimerkiksi puettaviin laitteisiin. Uudet laiteohjelmiston muutokset parantavat akunkestoa entisestään sekä tehostavat CO2-tunnistuksen tarkkuutta.
Kaasuanturin mukana toimitetaan arviointisarja EVKITSWF-20, joten suunnittelijoiden tarvitsee vain yhdistää CO2-anturi tietokoneeseen USB-tikun kautta ja aloittaa anturin datan tallentaminen. USB-tikku sisältää itsestään asentuvan arviointiohjelmiston. On syytä huomata, että automaattinen kalibrointi toimii useimmissa ilmanlaadun valvontasovelluksissa, mutta arviointisarjan avulla kehittäjät voivat tehdä uuden kalibroinnin haluttuja ympäristöjä varten.
Yhteenveto
IoT- ja IIoT-järjestelmien kaasuntunnistuslaitteiden suunnittelijat ovat luopumassa perinteisistä suurista ja itsenäisistä malleista. Tällöin he tarvitsevat kaasuanturiratkaisuja, joilla voidaan parantaa tarkkuutta, luotettavuutta ja reagointiaikaa sekä alentaa kustannuksia ja tehonkulutusta, samalla kun IoT:n ja pilvipohjaisten datankeruu- ja analysointialustojen ominaisuudet hyödynnetään täysimittaisesti. Muita tärkeitä ominaisuuksia ovat rajapintojen suunnittelu, tunnistusnopeus sekä käytettävissä olevat pitoisuusalueet.
Kuten artikkelista käy ilmi, saatavana on monia ratkaisuja, jotka paitsi täyttävät suunnittelijoiden tarpeet, myös helpottavat näiden edistyneiden tunnistuskykyjen integrointia pieniin koteloihin, mikä on onnistumisen edellytys paristokäyttöisissä laitteissa. Niihin sisältyy myös kalibrointimahdollisuus ja päivitettävä laiteohjelmisto, jotka ovat oleellisia ilmanlaadun seurantaa tekevien laitteiden tehokkaan määrittämisen ja uudelleenmäärityksen kannalta. Käyttämällä näitä kaasuantureita yhdessä pilviyhteyksien kanssa suunnittelijat voivat hyödyntää heidän työtään tukevaa laitteisto- ja ohjelmistoekosysteemiä, joka vastaa sekä nykyisiä että tulevia IoT- ja IIoT-suunnitteluvaatimuksia.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.