Was bei der Integration von Gassensoren in die Luftqualitätsüberwachung wichtig ist

Die Überwachung der Luftqualität steht am Scheideweg. Herkömmliche Lösungen, meist die von der Regierung geförderten Überwachungsstationen, sind groß und teuer, und sie analysieren in der Regel nur begrenzte Luftproben. Mittlerweile werden in der Luftüberwachung zu Hause und in der Industrie seit langem die etablierten Gassensortechnologien sowohl für die Überwachung der Umweltqualität als auch für die Lecksuche verwendet.

Diese Gassensoren haben jedoch eine relativ große Grundfläche und verbrauchen in der Regel viel Strom. Ihnen fehlen auch die Verarbeitungskapazitäten, die Konnektivität und die Sicherheit, die für Upgrades erforderlich sind, um die Selbstdiagnose- und Berichterstattungsroutinen durchzuführen, die für moderne Internet of Things (IoT) und industrielle IoT-Anwendungen (IIoT) grundlegend sind.

Um diese Probleme zu lösen, entstehen hoch integrierte und flexible Gassensorlösungen von Anbietern wie Cypress Semiconductor, Gas Sensing Solutions, IDT, Renesas und Sensirion. Diese bringen höhere Integration, Rechenleistung, 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 Kalibrier- und Speicherfunktionen verschiedene Sensorkonfigurationen mit Hilfe von Referenzdesigns und Hardware-Kits erleichtern.

Was man bei Gassensoren für IoT beachten sollte

Fortschritte bei mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) sind zu einer grundlegenden Voraussetzung für kostengünstige Miniatur-Gassensoren geworden. Mit der Verbesserung der MEMS-Technologie steigt auch die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Sensoren. Zusammen mit der schnellen Reaktionszeit sind dies entscheidende Merkmale, die die Fähigkeit eines Gassensors zur Überwachung der Umgebung bestimmen.

Die zugrunde liegende Gassensortechnologie ist zwar wichtig, aber sie ist nicht allein ausschlaggebend für die Leistung eines Sensors. Stattdessen bieten Verbesserungen der Kalibrierfähigkeiten den Konstrukteuren die Möglichkeit, zwischen Gasart, Konzentrationsbereich und Kosten zu wählen. Die Verbesserungen der Firmware gehen auch Hand in Hand mit Kalibrierungsfunktionen, die den Entwicklern helfen, Gassensoren schnell in eine Vielzahl von IoT-Anwendungen zu integrieren.

Außerdem können Gassensoren auf einem einzigen Chip schnell in IoT-Designs zur Überwachung der Luftqualität integriert werden, indem vorkalibrierte Sensorvorrichtungen mit vorkompilierter Firmware verwendet 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) im Sensorgerät die Konfiguration und bietet Platz für andere Daten.

Neben der Vorkalibrierung wird durch vorkompilierte Firmware die Integration und Genauigkeit weiter verbessert und der Stromverbrauch der Gassensoren deutlich gesenkt. Die vorkompilierte Firmware vereinfacht auch die gesamte Entwicklungsarbeit und ermöglicht es den Designern, neue Sensorfunktionen ohne Änderung der Hardware hinzuzufügen, während gleichzeitig System-Updates nach der Bereitstellung möglich sind.

Vorkalibrierte Gassensoren

Nehmen Sie das Beispiel des IDT-Gassensormoduls ZMOD4510IA1R, das Konzentrationen von nur 20 parts per billion (ppb) quantifizieren kann. Er ist für die Erkennung von atmosphärischen Spurengasen wie Stickoxiden (NOx) und Ozon (O₃), zwei Hauptursachen für eine ungesunde Außenluftqualität, optimiert. Der digitale Gassensor ist für die Überwachung der Außenluftqualität gemäß dem Air Quality Index (AQI) der US-Umweltschutzbehörde EPA ausgelegt. Das Sensormodul hat Abmessungen von 3,0 mm x 3,0 mm x 0,7 Millimeter (mm) und besteht aus einem Gas-Sensorelement und einem Signalkonditionierungs-IC (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das Gassensormodul ZMOD4510IA1R verwendet Algorithmen zur Berechnung der Konzentrationen von Gasen im Freien. (Bildquelle: IDT)

Beim ZMOD4510IA1R besteht das Sensorelement aus einem Heizelement auf einer siliziumbasierten MEMS-Struktur und einem Metalloxid (MOx)-Chemiresistor. Der Signalkonditionierungs-IC steuert die Sensortemperatur und misst die MOx-Leitfähigkeit, die eine Funktion der Gaskonzentration ist.

Neben den Kalibrierfunktionen ist das ZMOD4510IA1R, das auf dem bewährten MOx-Material basiert, sehr widerstandsfähig gegen Siloxane, um die Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen zu gewährleisten. Für eine schnellere Prototypenerstellung und Entwicklung wird es durch das 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 Mikrocontroller-basiertes 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 der integrierten Auswertesoftware schnell auswerten. (Bildquelle: DigiKey)

Die Feuchte- und Temperatursensoren der HS300x-Serie von IDT verfügen außerdem über eine integrierte Kalibrier- und Temperaturkompensationslogik, um vollständig korrigierte Werte der relativen Feuchte (RH) und der Temperatur über den Standard-I²C-Ausgang zu liefern. RH ist das Verhältnis des Partialdrucks von Wasserdampf zum Gleichgewichtsdampfdruck von Wasser bei einer gegebenen Temperatur.

Es ist keine Benutzerkalibrierung der Ausgabedaten erforderlich, und die Messdaten werden intern korrigiert und kompensiert, um einen genauen Betrieb über einen großen Temperatur- und Feuchtigkeitsbereich zu gewährleisten. Die MEMS-Sensoren HS3001, HS3002, HS3003 und HS3004 messen 3 x 2,41 x 0,8 mm und unterscheiden sich nur in der Genauigkeit der Messungen der relativen Luftfeuchtigkeit und der Temperatur.

Cloud-basierte Luftüberwachung

Entwickler können Gassensoren zur Protokollierung der Luftqualität verwenden, indem sie entweder die Daten lokal verarbeiten oder mithilfe einer Cloud-basierten Plattform über eine IP-Verbindung im Laufe der Zeit Erkenntnisse gewinnen. Hier erleichtern Hardware-Kits eine sichere Cloud-Konnektivität und die Kontrolle der Überwachung über ein Dashboard.

Das YSAECLOUD2 AE-Cloud2-Kit von Renesas beispielsweise ist ein Referenzdesign, das auf den Synergy S5D9-Mikrocontrollern des Unternehmens basiert. Entwickler können damit Komponenten wie den Gassensor ZMOD4510IA1R und den Feuchtigkeitssensor HS3001 über Wi-Fi, Mobilfunk und andere Kommunikationskanäle mit Cloud-Diensten verbinden. Das IoT-Kit ermöglicht es Entwicklern auch, die Sensordaten auf einem Armaturenbrett in Echtzeit zu visualisieren.

Entwicklern, die die Luftqualität in Innenräumen und im Freien mithilfe von Cloud-basierten Plattformen überwachen möchten, stehen viele Alternativen zur Verfügung. Digi-Keys eigene Cloud-fähige Gassensorplattform für die intelligente Luftqualitätsüberwachung der nächsten Generation kombiniert die PSoC-6-Mikrocontroller von Cypress Semiconductor mit Gas- und Staubsensoren von Sensirion (Abbildung 3). Die PSoC 6 Mikrocontroller bieten programmierbare Peripheriegeräte, die mit jedem Sensirion-Sensor verbunden werden können.

Abbildung 3: Dargestellt ist ein Entwurf zur Überwachung der Luftqualität für Smart Homes und Gebäude, der Daten über Wi-Fi-Links zur Darstellung auf einem Dashboard an die Cloud sendet. (Bildquelle: DigiKey)

Es ist wichtig zu beachten, dass die meisten IoT-Knotenpunkte, die die Luftqualität überwachen - sowohl in Innenräumen als auch im Freien - energiebeschränkt sind und oft von einer Batterie betrieben werden. Für diese Anwendungen verlängert der PSoC 6 aufgrund seines geringen Stromverbrauchs die Lebensdauer der Batterie. 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 einen sicheren Bootvorgang, sichere Firmware-Updates und hardwarebeschleunigte Kryptographie für Gassensoren in intelligenten Heim- und Industrieumgebungen, in denen Datensicherheit und Datenschutz der Benutzer immer ein Thema sind.

PSoC 6 Mikrocontroller können zusammen mit den Gassensorlösungen von Sensirion helfen, Anwendungen für Luftreiniger, bedarfsgesteuerte Lüftung und andere Anwendungen zur Überwachung der Raumluftqualität zu erstellen. Die angeschlossenen Überwachungsgeräte können die Umgebung präzise kontrollieren, indem sie schnell auf Rückmeldungen aus der Umgebung reagieren.

Nehmen Sie zum Beispiel den SGP30-Gassensor von Sensirion, der mehrere Metalloxid-Sensorelemente oder Pixel auf einem einzigen Chip kombiniert, um sowohl die gesamten flüchtigen organischen Verbindungen (TVOC) als auch ein CO₂-Äquivalentsignal (CO_2eq) 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 Möglichkeit zur Beurteilung der Raumluftqualität.

Der SGP30 kann tVOC und CO_2eq auf einer gemeinsamen Membran in einem winzigen Gehäuse mit den Abmessungen 2,45 x 2,45 x 0,9 mm messen. Darüber hinaus sind die Sensorelemente dieses Mehrgassensors im Gegensatz zu herkömmlichen Gassensoren, die aufgrund von chemischen Verbindungen, den so genannten Siloxanen, nach einigen Monaten an Stabilität und Genauigkeit verlieren, gegen diese Art der Verschmutzung resistent. Diese Funktion senkt die Drift, um die langfristige Stabilität zu gewährleisten.

Die Sensorelemente im Gassensor SGP30 bestehen aus einem beheizten Film von MOx-Nanopartikeln. Sensirion hat auch die anderen Sensorkomponenten - Heizung und Elektroden - in den Chip eingebettet, um den Sensor-Fussabdruck zu verkleinern (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der Multigassensor SGP30 integriert vier Sensorelemente oder Pixel in einem einzigen Chip, der eine temperaturgesteuerte Mikroplatte und eine I²C-Schnittstelle aufweist. (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-Kombimodul, dem SVM30, kombiniert. Neben mehreren Sensorelementen umfasst es analoge und digitale Signalverarbeitung, einen Analog-Digital-Wandler (ADC), Kalibrierung und Datenspeicher sowie eine digitale Kommunikationsschnittstelle, die den I²C-Standardmodus unterstützt.

Geschwindigkeit der Gasmessung

Die Geschwindigkeit zu erfassen ist ein weiterer Stolperstein, wenn es um die sich schnell ändernden CO₂-Werte in der Atemanalyse und anderen Echtzeit-Luftüberwachungsanwendungen geht. Es besteht ein Bedarf an Gassensoren, um die Abtastrate deutlich zu erhöhen, insbesondere bei batteriebetriebenen Raumluftqualitätssensoren.

Gas Sensing Solutions hat den SprintIR-WF-20 Gassensor auf der Grundlage von Indium-Antimonid-LED-Technologie und optischen Designs entwickelt. Als solches vermeidet es sowohl bewegliche Teile (MEMS) als auch beheizte Fäden (Abbildung 5). Er erfasst 20 Messwerte pro Sekunde und wird mit einem optionalen Durchflussadapter geliefert. Darüber hinaus verfügt der SprintIR-WF-20 über drei Messbereiche für die CO₂-Konzentrationen: 0 - 5%, 0 - 20% und 0 - 100%. Die Genauigkeit beträgt ±70 ppm (+5% des Messwertes).

Abbildung 5: Der _CO2-Sensor SprintIR-WF-20 ist mit Optionen zur Unterstützung von Durchfluss- oder Diffusionsstrukturen erhältlich. (Bildquelle: DigiKey)

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 nicht-störende Infrarot-(NDIR)-CO₂-Sensoren; er arbeitet mit 3,25 bis 5,5 Volt und zieht einen durchschnittlichen Strom von unter 15 Milliampere (mA) (100 mA, Spitze). Aufgrund dieser Zahlen eignet sich der SprintIR-WF-20 für batteriebetriebene Geräte wie z.B. Wearables. Die neuen Firmware-Änderungen verbessern die Batterielebensdauer weiter und erhöhen die Genauigkeit der CO₂-Erfassung.

Der Gassensor wird mit einem Evaluierungskit, dem EVKITSWF-20, geliefert. Alles, was Entwickler tun müssen, ist, den CO₂-Sensor über einen USB-Stick an einen Computer anzuschließen und mit der Protokollierung der Sensordaten zu beginnen. Der USB-Stick enthält die selbstinstallierende Auswertungssoftware. Es ist erwähnenswert, dass die Autokalibrierung für die meisten Anwendungen zur Überwachung der Luftqualität funktioniert, obwohl das Evaluationskit Entwicklern die Null-Kalibrierung für bestimmte Umgebungen ermöglicht.

Fazit

Die Entwickler von Gassensorvorrichtungen für IoT- und IIoT-Geräte und -Systeme entfernen sich von den traditionellen, großen, eigenständigen Designs. Dabei müssen sie nach Lösungen für die Gassensorik suchen, die es ihnen ermöglichen, die Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Reaktionszeit zu verbessern sowie die Kosten und den Stromverbrauch zu senken; und das alles bei voller Nutzung der Möglichkeiten der IoT- und der Cloud-basierten Datenerfassungs- und Analyseplattformen. Weitere Kernmerkmale, auf die es zu achten gilt, sind das Schnittstellendesign, die Erfassungsgeschwindigkeit und der Konzentrationsbereich.

Wie gezeigt, gibt es viele Lösungen, die nicht nur die Anforderungen der Designer erfüllen, sondern auch die Integration dieser verbesserten 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 Luftqualitätsüberwachungsdesigns entscheidend sind. Durch die Verwendung dieser Gassensoren in Verbindung mit der Cloud-Konnektivität können die Designer in äußerst unterstützenden Hardware- und Software-Ökosystemen arbeiten, um den aktuellen und zukünftigen IoT- und IIoT-Designanforderungen gerecht zu werden.