将气体传感器集成到空气质量监测设计中的重要问题

空气质量监测目前正处于关键时刻。传统解决方案大部分是政府资助的监测站，既庞大又昂贵，并且分析的空气样本通常也很有限。另一方面，家庭和工业空气监测系统长期使用现有气体传感技术进行环境质量监测和泄漏检测。

不过，这些气体传感器的基底面相对较大，而且通常要消耗大量电力。它们还缺乏升级所需的处理能力、连接能力和安全性，无法执行现代物联网 (IoT) 和工业物联网 (IIoT) 应用所必需的自我诊断和报告例程。

为了解决这些问题，Cypress Semiconductor、Gas Sensing Solutions、IDT、Renesas 和 Sensirion 等供应商陆续推出高度集成且灵活的气体传感器解决方案。这些解决方案带来了更高的集成度、处理能力、安全性和连接能力，有望提供更准确的测量结果以检测家庭、楼宇、汽车、医院、工厂的环境变化。

本文将以最新推出的一些产品为例进行介绍，并说明它们如何使用预校准的设计和预编译的固件来满足设计人员的需求。此外，本文还会借助参考设计和硬件套件，来探讨校准和存储功能如何支持实现不同的传感器配置。

物联网气体传感器有何不同

微机电系统 (MEMS) 的发展已成为微型低成本气体传感器的基本推动因素。随着 MEMS 技术的进步，传感器的精度和可靠性也获得改善。除了快速响应时间外，这些重要特性也决定了气体传感器监测环境的能力。

但是，尽管基本气体感测技术很重要，但它不是决定传感器性能的唯一因素。另一方面，校准功能的改进在气体类型、浓度范围和成本方面为设计人员提供了多种选择。固件改进还与校准特性紧密结合，帮助设计人员将气体传感器快速集成到各种物联网应用中。

另外，单芯片式气体传感器通过使用带有预编译固件的预校准感测器件，可以快速集成到空气质量监测物联网设计中。这些紧凑型传感器采用气体进行电气校准，以确保批次之间的一致性。此外，传感器装置中的内置非易失性存储器 (NVM) 可存储配置并为其他数据提供存储空间。

除了预校准之外，预编译固件进一步增强了集成度和精度，同时显著降低了气体传感器的功耗。预编译固件还能简化总体开发工作，允许设计人员在不改动硬件的情况下添加新感测功能，而且部署后可以更新系统。

预校准的气体传感器

以 IDT 的 ZMOD4510IA1R 气体传感器模块为例，该模块可量化低至十亿分之二十 (ppb) 的浓度。该产品针对微量大气气体的检测进行了优化，例如氮氧化物 (NOx) 和臭氧 (O₃)，这是造成室外空气质量不健康的两种主要气体。这款数字气体传感器可根据美国环境保护署 (EPA) 的空气质量指数 (AQI) 监测室外空气质量。传感器模块的尺寸为 3.0 mm x 3.0 mm x 0.7 mm，其中包括气体感测元件和信号调节 IC（图 1）。

图 1：ZMOD4510IA1R 气体传感器模块运用算法来计算室外气体的浓度。（图片来源：IDT）

ZMOD4510IA1R 的感测元件包括基于硅的 MEMS 结构上的加热器元件和金属氧化物 (MOx) 化学电阻器。信号调节 IC 控制传感器温度并测量 MOx 电导率，MOx 电导率是气体浓度的函数。

除校准功能外，ZMOD4510IA1R 基于成熟的 MOx 材料，对硅氧烷有很高的耐受性，在恶劣环境下能够可靠地工作。为了加快原型设计和开发的速度，配套的 ZMOD4510-EVK-HC 气体传感器评估套件支持通过双向 USB 连接到 Windows^® PC，来测试和评估该气体传感器模块。EVK 上基于微控制器的模块可控制 I²C 通信接口，以显示测得的臭氧和氮氧化物输出量（图 2）。

图 2：ZMOD4510-EVK 让设计人员能够利用内置的评估软件来快速评估 ZMOD4510 气体传感器。（图片来源：DigiKey）

此外，IDT 的 HS300x 系列湿度和温度传感器还集成了校准和温度补偿逻辑，可通过标准 I²C 输出提供完全校正的相对湿度 (RH) 和温度值。RH 是在给定温度下水蒸气分压与水平衡蒸气压力之比。

用户无需对输出数据进行校准，测量数据会在内部进行校正和补偿，因而能在很宽的温度和湿度范围内提供精准操作。HS3001、HS3002、HS3003 和 HS3004 MEMS 传感器的尺寸为 3 x 2.41 x 0.8 mm，仅在相对湿度和温度测量的精度方面有所不同。

基于云的空气监测

设计人员可以使用气体传感器来记录空气质量，为此需要在本地处理数据，或通过 IP 连接使用基于云的平台随时间推移产生深入的洞察力。其中，硬件套件有助于实现安全的云连接并通过仪表板实施监测控制。

例如，Renesas 的 YSAECLOUD2 AE-Cloud2 套件是围绕该公司的 Synergy S5D9 微控制器而构建的参考设计。该套件支持开发人员通过 Wi-Fi、蜂窝和其他通信方式将 ZMOD4510IA1R 气体传感器和 HS3001 湿度传感器等器件连接到云服务。此外，物联网套件还允许开发人员在仪表板上实时对传感器数据进行可视化处理。

若需要使用云平台监测室内和室外空气质量，开发人员有许多可用的方案。DigiKey 推出自家的下一代智能空气质量监测

气体传感器平台，支持云功能，并且集 Cypress Semiconductor 的 PSoC 6 微控制器与 Sensirion 的气体和灰尘传感器于一体（图 3）。PSoC 6 微控制器提供可编程外设，支持与任何 Sensirion 传感器接口。

图 3：所示为针对智能家居和楼宇的空气质量监测设计，通过 Wi-Fi 链路将数据发送到云端，以便在仪表板上展示出来。（图片来源：DigiKey）

请务必注意，大多数监测空气质量的物联网节点（无论室内还是室外）都存在能源限制，通常是用电池供电。对于这些应用，PSoC 6 的低功耗可延长电池寿命。该产品基于采用 40 纳米 (nm) 工艺技术的双核 Arm® Cortex®-M 架构。M4 内核的有功功耗为 22 μA/MHz，M0+ 内核的有功功耗为 15 μA/MHz。此外，该微控制器支持气体传感器的安全启动、安全固件更新和硬件加速的加密技术，非常适合始终注重数据安全性和用户隐私的智能家居和工业环境。

PSoC 6 微控制器搭配 Sensirion 的气体感测解决方案一起使用，可以帮助开发空气净化器应用、按需控制的通风以及其他室内空气质量监测应用。连接的监测设备可以通过快速响应环境反馈来精确控制环境。

以 Sensirion 的 SGP30 气体传感器为例，该传感器在单芯片上集成了多个金属氧化物感测元件（或称像素），可测量总挥发性有机化合物 (TVOC) 和 CO₂ 等效信号 (CO_2eq)。VOC 来自新产品和建筑材料，例如地毯、家具、油漆和溶剂；tVOC 指空气中 VOC 的总浓度，是评估室内空气质量的快速指标。

SGP30 可在常见薄膜上测量 tVOC 和 CO_2eq，而且其封装尺寸很小，仅为 2.45 x 2.45 x 0.9 mm。另外，传统气体传感器在使用几个月后会因为硅氧烷化合物而失去稳定性和精度，但这种多气体传感器中的感测元件可以抵抗此类污染。这一特性可降低漂移，确保长期稳定性。

SGP30 气体传感器中的感测元件由 MOx 纳米颗粒的加热膜制成。此外，Sensirion 还将其他传感器组件（加热器和电极）嵌入芯片内，以缩小传感器基底面（图 4）。

图 4：SGP30 多气体传感器将四个感测元件（或像素）集成到单芯片上，该芯片包含温度控制微孔板和 I²C 接口。（图片来源：Sensirion）

为了进一步提高集成度，Sensirion 将 SGP30 气体传感器与 SHTC1 湿度和温度传感器结合在一起，构成传感器组合模块 SVM30。除多个感测元件外，该模块还有模拟和数字信号处理、模数转换器 (ADC)、校准和数据存储器以及支持 I²C 标准模式的数字通信接口。

气体感测速度

在呼吸分析和其他实时空气监测应用中，感测速度是测量快速变化的 CO₂ 水平的另一个障碍。气体传感器需要显著提高采样率，尤其是电池供电的室内空气质量传感器。

Gas Sensing Solutions 基于锑化铟 LED 技术和光学设计打造了 SprintIR-WF-20 气体传感器。因此，该产品既没有运动部件 (MEMS)，也没有加热丝（图 5）。这款传感器每秒采集 20 个读数，并附带可选直通式适配器。此外，SprintIR-WF-20 具有三种测量范围：0-5%、0-20% 和 0-100% CO₂ 浓度。其精度为 ±70 ppm（读数的 5%）。

图 5：SprintIR-WF-20 CO₂ 传感器提供的选项可支持直通式或扩散式结构。（图片来源：DigiKey）

该传感器通过简单的 UART 接口与 Zigbee、LoRaWAN、Sigfox、EnOcean 等各种无线物联网网络通信。在 35 毫瓦 (mW) 条件下，SprintIR-WF-20 所需的功耗远低于典型的非分散红外 (NDIR) CO₂ 传感器的功耗。电源电压为 3.25 V 至 5.5 V，平均消耗电流低于 15 毫安 (mA)，峰值为 100 mA。这些数字使得 SprintIR-WF-20 适合于电池供电的设备，例如可穿戴设备。新固件改动进一步延长了电池寿命，并提高了 CO₂ 感测精度。

该气体传感器附带评估套件 EVKITSWF-20，设计人员只需通过 U 盘将 CO₂ 传感器连接到计算机，便可开始记录传感器数据。U 盘包含自动安装的评估软件。值得一提的是，自动校准虽能用于大多数空气质量监测应用，不过该评估套件允许开发人员针对特定环境进行零点校准。

总结

在为物联网和工业物联网设备与系统设计气体感测设备时，设计人员正在抛弃传统的大型独立式设计。为此，他们需要的气体感测解决方案应能帮助他们改善精度、可靠性和响应时间，降低成本和功耗，同时充分利用物联网和基于云的数据收集与分析平台的功能。其他需要注意的核心特性是接口设计、感测速度和浓度范围。

如本文所述，目前有许多解决方案可供选择，不仅能满足设计人员的需求，而且还能轻松地将这些增强的感测能力集成到小尺寸封装中，而小尺寸是电池供电设备的必然要求。另外，它们还有校准功能和可更新的固件，这些特性对于空气质量监测设计的高效配置和重新配置至关重要。利用这些气体传感器，再加上云连接，设计人员可以在硬件和软件生态系统的大力支持下，很好地满足当前及未来的物联网和工业物联网设计要求。