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用於工业应用中环境监测的感测器
 

【作者: Marcel Consee】2022年06月26日 星期日

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本文探讨如何利用体积小、功耗低及使用寿命长的感测器,嵌入到强大的工业物联网(IIoT)解决方案中,藉以提升环境监测的成效。


人们比以往任何时候都更了解我们的环境对周围事物和我们自己的影响。例如在家工作,有时会在小房间里工作,这时我们就能够敏锐地意识到周遭的空气品质。在这种情况下,二氧化碳(CO2)感测器可以指导何时打开门窗,以避免头痛、精神功能受损和嗜睡。


工业过程,尤其是化石燃料的燃烧,会将有害气体和颗粒物(PM)释放到大气中。研究显示,这些气体对於那些患有肺部疾病或其他长期疾病的人来说影响尤为严重。为了解决这个问题,需要准确的量测来帮助确定解决问题的行动计划,并评估对策的结果。


近年来,半导体制造商在量测技术方面取得了重大进展,提高了检测挥发性有机化合物(VOC)、颗粒物、气体、相对湿度和温度的能力。此外,这种感测器体积小,功耗极低,并且使用寿命长。这使得它们非常适合嵌入到强大的工业物联网(IIoT)解决方案中。


监测二氧化氮和臭氧

世界卫生组织(WHO)对排放的气体进行了区分,如二氧化氮(NO2),以及由化学反应产生的臭氧(O3)等。NO2会导致某些呼吸系统疾病,并且在使用内燃机的场景中普遍浓度较高。O3在大气中会自然形成,保护我们免受有害紫外线的伤害。然而,它在靠近地面的地方被越来越多地量测出来,这会对年轻人、老年人和有呼吸问题的人构成风险。


Mikroe Air Quality 8 Click采用瑞萨电子ZMOD4510预校准数位感测器(图1),为量测此类气体提供了顺畅的途径。Quality 8 Click板专为室内和室外作业而设计,透过其3.3V的I2C介面与主机微控制器(MCU)连接。当然,该板可与Mikroe开发板上可用的mikroBUS??座连接,并得到mikroSDK库的完全支援。


图1 : Mikroe空气品质8 Click可同时检测NO2和臭氧,同时消耗的功率小於23mW。该板得到了mikroSDK的完全支援。(source:贸泽电子)
图1 : Mikroe空气品质8 Click可同时检测NO2和臭氧,同时消耗的功率小於23mW。该板得到了mikroSDK的完全支援。(source:贸泽电子)

ZMOD4510采用与加热器耦合的矽基微机电系统(MEMS)。它的信号调节电路监控化学电阻,将量测值转换为数位值。其在连续运行中消耗的功率小於23mW,监测可以精确到十亿分之一(ppb)的范围内。它是生成空气质量指数(AQI)和臭氧测量值的理想选择,适用於相对湿度(RH)在5%至90%之间,温度介於-20。C至50。C之间的环境。


密切关注气压和温度

气压感测器可用於检测智慧空气过滤器何时达到其使用寿命。它们还内建到气压计中以监测天气状况。由於温度感测是一种相对简单的量测类型,因此气压感测器通常将温度和其他感测选项整合在单个封装中。意法半导体ILPS22QS双满刻度压力感测器可当成数位输出气压计使用就是这种情况(图2)。


图2 : ILPS22QS支持绝对气压感测,但也可以量测温度并作为使用者介面运作。(source:贸泽电子)
图2 : ILPS22QS支持绝对气压感测,但也可以量测温度并作为使用者介面运作。(source:贸泽电子)

该元件采用微型10脚位HLGA、2 × 2 × 0.73mm封装,可根据作业模式进行260至1260或4060hPA的绝对量测。它具有温度补偿功能,每秒提供1到200次的24位输出资料,支援SPI、I2C和MIPI I3CSM。该元件工作电源电压为1.7至3.6V,其先进先出(FIFO)缓冲器可储存多达128个量测值。


它内建的类比集线器可在气压计、温度和两个附加类比输入之间切换。这些输入可用作意法半导体的Qvar静电感测器,透过实施合适的电极,诸如漏水检测或用户介面(例如敲击、按下和滑动)等功能是可能的。在仅关注压力量测的情况下,电流消耗可低至1.8μA。


IIoT应用的感测器平台

创新需要时间来评估可用技术的实际效能和局限性。幸运的是,意法半导体STWIN SensorTile无线工业节点等感测器节点简化了概念验证开发阶段。它内建了不少於九种感测技术,从陀螺仪和运动感测器到磁力计和振动感测器,以及STM32L4R9ZIJ6超低功耗MCU(图3)。该套件还配备了锂聚合物(Li-Po)电池、STLink-V3Mini除错器/程式器和塑料保护外壳。


图3 : STWIN SensorTile内建九种感测器技术、蓝牙和RS485连接。扩展板支援Wi-Fi和LTE蜂巢式网路。(source:贸泽电子)
图3 : STWIN SensorTile内建九种感测器技术、蓝牙和RS485连接。扩展板支援Wi-Fi和LTE蜂巢式网路。(source:贸泽电子)

在此套件中,蓝牙(低功耗)和RS485提供连接,同时使用可选的Wi-Fi和LTE蜂巢式网路扩展板支援无线介面。结合其优化的软体库,它很容易内建到基於云的监控解决方案中,以在适当准备的仪表板中显示量测和事件检测。


(本文作者Marcel Consee任职於贸泽电子EMEA经销团队)


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