I fattori a cui prestare attenzione quando si integrano dei sensori di gas in progetti di monitoraggio della qualità dell'aria

Il monitoraggio della qualità dell'aria è a un bivio. Le soluzioni tradizionali, per lo più le stazioni di monitoraggio messe in campo dai governi, sono grandi e costose e di solito analizzano campioni d'aria limitati. I sistemi di monitoraggio dell'aria domestica e industriale sono basati da molto tempo su tecnologie di rilevamento dei gas già esistenti sia per il monitoraggio della qualità ambientale sia per il rilevamento delle perdite.

Tuttavia, questi sensori sono abbastanza ingombranti e in genere consumano molta energia. Sono inoltre privi della capacità di elaborazione, della connettività e della sicurezza necessarie per aggiornamenti che consentano di eseguire le routine di autodiagnosi e di segnalazione fondamentali per le moderne applicazioni Internet delle cose (IoT) e IoT industriale (IIoT).

Per affrontare questi problemi, stanno emergendo delle soluzioni con sensori di gas altamente integrati e flessibili di fornitori come Cypress Semiconductor, Gas Sensing Solutions, IDT, Renesas e Sensirion. Queste soluzioni offrono una maggiore integrazione, potenza di calcolo, sicurezza e connettività e promettono misurazioni più accurate per rilevare i cambiamenti ambientali nelle abitazioni, negli edifici, nelle auto, negli ospedali e negli stabilimenti.

Questo articolo presenterà alcuni esempi di soluzioni recenti e mostrerà come rispondono alle esigenze dei progettisti che utilizzano progetti precalibrati e firmware precompilato. Illustrerà anche come le caratteristiche di calibrazione e di memoria facilitino diverse configurazioni dei sensori con l'aiuto di progetti di riferimento e di kit hardware.

Cosa devono offrire i sensori di gas per IoT

Gli importanti progressi compiuti nei sistemi microelettromeccanici (MEMS) hanno permesso di realizzare sensori di gas miniaturizzati e a basso costo. Il miglioramento della tecnologia MEMS è accompagnato da sensori più precisi e affidabili. Queste, come i tempi di risposta rapidi, sono caratteristiche fondamentali per permettere a un sensore di gas di monitorare l'ambiente.

Tuttavia, sebbene la tecnologia di rilevamento dei gas sia importante, non è l'unico fattore decisivo per le prestazioni di un sensore. Sono infatti i miglioramenti della capacità di calibrazione a offrire ai progettisti la possibilità di scegliere il tipo di gas, l'intervallo di concentrazione e il costo. I miglioramenti del firmware vanno di pari passo con le funzioni di calibrazione per aiutare i progettisti a integrare rapidamente i sensori di gas in diverse applicazioni IoT.

I sensori di gas in un singolo chip possono anche essere rapidamente integrati in progetti IoT di monitoraggio della qualità dell'aria utilizzando dispositivi di rilevamento precalibrati con firmware precompilato. Questi sensori compatti sono calibrati con un segnale elettrico per tipo di gas per garantire l'omogeneità tra i lotti. Inoltre, la memoria non volatile (NVM) incorporata nel dispositivo del sensore memorizza la configurazione e fornisce spazio per altri dati.

A parte la precalibrazione, il firmware precompilato accresce ulteriormente l'integrazione e la precisione, riducendo in modo significativo il consumo energetico dei sensori di gas. Il firmware precompilato semplifica anche il lavoro complessivo di sviluppo, consentendo ai progettisti di aggiungere nuove capacità di rilevamento senza modificare l'hardware, permettendo al contempo gli aggiornamenti del sistema dopo l'implementazione.

Sensori di gas precalibrati

Un esempio è il modulo a sensore di gas ZMOD4510IA1R di IDT in grado di quantificare concentrazioni anche di 20 parti per miliardo (ppb). È ottimizzato per il rilevamento di tracce di gas atmosferici come gli ossidi di azoto (NOx) e l'ozono (O₃), due importanti cause della scarsa qualità dell'aria esterna. Il sensore digitale di gas è progettato per monitorare la qualità dell'aria esterna secondo l'Indice di qualità dell'aria (AQI) dell'Agenzia per la protezione dell'ambiente (EPA) degli Stati Uniti. Il modulo a sensore misura 3,0x3,0x0,7 mm e comprende un elemento di rilevamento del gas e un circuito integrato di condizionamento del segnale (Figura 1).

Figura 1: Il modulo a sensore di gas ZMOD4510IA1R si serve di algoritmi per calcolare le concentrazioni dei gas all'aperto. (Immagine per gentile concessione di IDT)

In ZMOD4510IA1R, l'elemento di rilevamento è costituito da un elemento riscaldatore su una struttura MEMS basata su silicio e da un chemiresistore all'ossido di metallo (MOx). Il circuito integrato di condizionamento del segnale controlla la temperatura del sensore e misura la conducibilità MOx, che è una funzione della concentrazione di gas.

Oltre alle caratteristiche di calibrazione, ZMOD4510IA1R, basato sul collaudato dispositivo MOx, è altamente resistente ai silossani per l'affidabilità in ambienti difficili. Per accelerare la prototipazione e lo sviluppo, è supportato dal kit di valutazione del sensore di gas ZMOD4510-EVK-HC che consente di testare il modulo a sensore di gas e di valutarlo tramite una connessione USB bidirezionale con un PC Windows^®. Un modulo basato su microcontroller nell'EVK controlla l'interfaccia di comunicazione I²C per mostrare il valore misurato dell'ozono e degli ossidi di azoto (Figura 2).

Figura 2: ZMOD4510-EVK permette ai progettisti di valutare rapidamente il sensore di gas ZMOD4510 utilizzando il suo software di valutazione incorporato. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

La serie HS300x di sensori di umidità e temperatura di IDT integra inoltre una logica di compensazione di temperatura e di calibrazione per fornire valori di temperatura e umidità relativa (RH) totalmente corretti tramite l'uscita I²C standard. L'umidità relativa è il rapporto tra la quantità di vapore acqueo effettivamente presente nella massa d'aria e la quantità massima che essa può contenere a quella temperatura.

Non è necessaria alcuna calibrazione dei dati di uscita da parte dell'utente e i dati misurati vengono corretti e compensati internamente in modo da garantire l'accuratezza su un ampio intervallo di livelli di temperatura e umidità. I sensori MEMS HS3001, HS3002, HS3003 e HS3004 misurano 3x2,41x0,8 mm e differiscono solo in termini di precisione delle misurazioni di umidità relativa e temperatura.

Monitoraggio dell'aria basato su cloud

I progettisti possono utilizzare sensori di gas per registrare la qualità dell'aria sia elaborando i dati localmente sia sviluppando una visione d'insieme nel tempo utilizzando una piattaforma basata su cloud su una connessione IP. I kit hardware facilitano la connettività sicura al cloud e il controllo del monitoraggio attraverso un quadro comandi.

Ad esempio, il kit AE-Cloud2 YSAECLOUD2 di Renesas è un progetto di riferimento costruito attorno ai microcontroller Synergy S5D9 dell'azienda. Consente agli sviluppatori di collegare dispositivi come il sensore di gas ZMOD4510IA1R e il sensore di umidità HS3001 ai servizi cloud tramite Wi-Fi, rete cellulare e altri canali di comunicazione. Il kit IoT consente inoltre di visualizzare in tempo reale i dati del sensore su un quadro comandi.

Gli sviluppatori hanno a disposizione molte alternative per monitorare la qualità dell'aria interna ed esterna utilizzando piattaforme basate su cloud. La piattaforma di sensori di gas abilitati per cloud Monitoraggio intelligente della qualità dell'aria di prossima generazione di Digi-Key

combina i microcontroller PSoC 6 di Cypress Semiconductor con sensori di gas e polvere di Sensirion (Figura 3). I microcontroller PSoC 6 forniscono periferiche programmabili per l'interfacciamento con qualsiasi sensore Sensirion.

Figura 3: Progetto di monitoraggio della qualità dell'aria per case ed edifici intelligenti che invia i dati al cloud tramite collegamenti Wi-Fi per la visualizzazione su un quadro comandi. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

È importante notare che la maggior parte dei nodi IoT che monitorano la qualità dell'aria - sia all'interno che all'esterno - sono a basso consumo energetico e spesso utilizzano solo una batteria. Per queste applicazioni, PSoC 6 prolunga la durata della batteria grazie al suo basso consumo energetico. È basato su un'architettura Arm® Cortex®-M dual core realizzata con la tecnologia di processo a 40 nm. Il consumo energetico attivo è di 22 μA/MHz per il core M4 e di 15 μA/MHz per il core M0+. Inoltre, il microcontroller supporta il boot e gli aggiornamenti del firmware sicuri oltre alla crittografia con accelerazione hardware per i sensori di gas in ambienti domestici e industriali intelligenti, dove occorre preoccuparsi della sicurezza dei dati e della privacy degli utenti.

I microcontroller PSoC 6, assieme alle soluzioni di rilevamento del gas di Sensirion, possono agevolare la realizzazione di applicazioni per purificatori d'aria, ventilazione a portata variabile e altre applicazioni di monitoraggio della qualità dell'aria al chiuso. I dispositivi di monitoraggio collegati possono controllare con precisione l'ambiente rispondendo rapidamente al feedback ambientale.

Ad esempio, il sensore di gas SGP30 di Sensirion, combina diversi elementi di rilevamento all'ossido di metallo, o pixel, su un singolo chip per misurare sia i composti organici volatili totali (tVOC) che un segnale CO₂ equivalente (CO_2eq). I VOC derivano da nuovi prodotti e materiali come moquette, mobili, vernici e solventi; tVOC si riferisce alla concentrazione totale dei VOC presenti nell'aria ed è un modo rapido per valutare la qualità dell'aria interna.

SGP30 può misurare tVOC e CO_2eq su una tipica membrana in un minuscolo contenitore di 2,45x2,45x0,9 mm. Inoltre, a differenza dei tradizionali sensori di gas che perdono stabilità e precisione dopo pochi mesi a causa di composti chimici chiamati silossani, gli elementi di rilevamento di questo sensore multigas sono resistenti a questo tipo di contaminazione. Questa caratteristica riduce la deriva per garantire la stabilità a lungo termine.

Gli elementi di rilevamento del sensore di gas SGP30 sono costituiti da un film riscaldato di nanoparticelle MOx. Per ridurre l'ingombro del sensore, Sensirion ha incorporato nel chip anche gli altri suoi componenti: riscaldatore ed elettrodi (Figura 4).

Figura 4: Il sensore multigas SGP30 integra quattro elementi di rilevamento, o pixel, in un singolo chip dotato di una micropiastra termoregolata e di un'interfaccia I²C. (Immagine per gentile concessione di Sensirion)

Per aumentare ulteriormente l'integrazione, Sensirion ha combinato il sensore di gas SGP30 con il suo sensore di temperatura e umidità SHTC1 per realizzare un modulo combinato, SVM30. Oltre a numerosi elementi di rilevamento, include l'elaborazione dei segnali digitali e analogici, un convertitore analogico/digitale (ADC), calibrazione e memoria dati e un'interfaccia di comunicazione digitale che supporta la modalità standard I²C.

Velocità di rilevamento dei gas

La velocità di rilevamento è un altro ostacolo quando i livelli di CO₂ cambiano rapidamente nell'analisi del respiro e in altre applicazioni di monitoraggio dell'aria in tempo reale. Servono sensori di gas in grado di incrementare in modo significativo la frequenza di campionamento, specie nel caso di sensori di qualità dell'aria al chiuso alimentati a batteria.

Gas Sensing Solutions ha realizzato il sensore di gas SprintIR-WF-20 basato sulla tecnologia di LED all'antimoniuro di indio e su progetti ottici. In questo modo evita sia parti in movimento (MEMS) che filamenti riscaldati (Figura 5). Acquisisce 20 letture al secondo e viene fornito con un adattatore flow-through opzionale. Inoltre, SprintIR-WF-20 vanta tre intervalli di misurazione: concentrazioni di CO₂ da 0 a 5%, da 0 a 20% e da 0 a 100%. Ha una precisione di ±70 ppm (+5% della lettura).

Figura 5: Il sensore di CO₂SprintIR-WF-20 è disponibile con opzioni per supportare strutture flow-through o di diffusione. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Il sensore comunica tramite una semplice interfaccia UART con numerose reti IoT wireless come Zigbee, LoRaWAN, Sigfox ed EnOcean. A soli 35 mW, SprintIR-WF-20 richiede molta meno energia dei tipici sensori di CO₂ agli infrarossi non dispersivi (NDIR); funziona tra 3,25 e 5,5 V e assorbe una corrente media inferiore a 15 mA (100 mA, picco). Questi dati rendono SprintIR-WF-20 idoneo per dispositivi alimentati a batteria, come quelli indossabili. Il firmware aggiornato migliora ulteriormente la durata della batteria e aumenta la precisione di rilevamento del livello di CO₂.

Il sensore di gas è fornito con un kit di valutazione, EVKITSWF-20, per cui ai progettisti basta collegare il sensore di CO₂ a un computer tramite una chiavetta USB e iniziare a registrare i dati del sensore. La chiavetta USB contiene il software di valutazione che si installa autonomamente. È utile ricordare che l'autocalibrazione funziona per la maggior parte delle applicazioni di monitoraggio della qualità dell'aria, anche se il kit di valutazione consente di effettuare la calibrazione dello zero per ambienti specifici.

Conclusione

I progettisti di dispositivi e sistemi di rilevamento del gas per dispositivi e sistemi IoT e IIoT stanno abbandonando i tradizionali dispositivi autonomi di grandi dimensioni. Per cui devono cercare soluzioni di rilevamento del gas che consentano loro di migliorare la precisione, l'affidabilità e i tempi di risposta, nonché di ridurre i costi e il consumo energetico, il tutto sfruttando appieno le capacità IoT e delle piattaforme di raccolta e analisi dei dati basate su cloud. Altre caratteristiche fondamentali di cui tener conto sono il tipo di interfaccia, la velocità di rilevamento e l'intervallo di concentrazione

Come è stato dimostrato, esistono molte soluzioni che non solo soddisfano le esigenze dei progettisti, ma semplificano anche l'integrazione di queste migliori capacità di rilevamento in fattori di forma compatti, indispensabili per i dispositivi alimentati a batteria. Includono anche capacità di calibrazione e firmware aggiornabile che sono fondamentali per configurare - e riconfigurare - in modo efficiente i progetti di monitoraggio della qualità dell'aria. Utilizzando questi sensori di gas, insieme alla connettività cloud, i progettisti possono lavorare all'interno di ecosistemi hardware e software di grande supporto per rispondere ai requisiti di progettazione attuali e futuri di IoT e IIoT.