基于一款室外空氣質(zhì)量傳感器評(píng)估套件ZMOD4510-EVK的產(chǎn)品方案

隨著科技的進(jìn)步，人們的生活日新月異，近乎每天都會(huì)有不同的科技產(chǎn)品走入人們的世界，但是在科技進(jìn)步與技術(shù)改革的背后，環(huán)境保護(hù)逐漸地進(jìn)入人們的視線，工廠的自動(dòng)化生產(chǎn)，汽車的尾氣排放，化石燃料的燃燒，無時(shí)無刻不在影響著我們的生活。如南極的臭氧空洞，大城市的霧霾無一不在向我們預(yù)示著空氣的重要性?？諝獾馁|(zhì)量與我們的生活息息相關(guān)，而作為一個(gè)工程師該怎樣去了解室外空氣的狀態(tài)呢？答案就是本期的主題，來自IDT的一款室外空氣質(zhì)量傳感器評(píng)估套件ZMOD4510-EVK。

簡單的來說一下IDT，IDT公司主要致力于為推動(dòng)全球網(wǎng)絡(luò)智能信息包處理提供專用通信集成電路產(chǎn)品。2019 年 3 月30日，瑞薩電子完成了對(duì)IDT的收購，基于兩家公司互補(bǔ)的產(chǎn)品線開始進(jìn)行布局，打造更全面的應(yīng)用解決方案。因此，ZMOD4510-EVK是瑞薩半導(dǎo)體的產(chǎn)品方案。

ZMOD4510-EVK室外空氣質(zhì)量評(píng)估套件是為瑞薩ZMOD4510室外空氣質(zhì)量傳感器模塊而搭建的評(píng)估套件，ZMOD5410室外空氣質(zhì)量傳感器可以用于反饋空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）。其主要的原理是通過室外空氣流經(jīng)傳感器后，通過特定的微機(jī)電系統(tǒng)將空氣的質(zhì)量反饋成電阻，再通過相應(yīng)的算法計(jì)算出當(dāng)前環(huán)境下的空氣質(zhì)量，過程中主要應(yīng)用了最新的混合金屬氧化物技術(shù)來實(shí)現(xiàn)氣到電轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)微氣體的快速并準(zhǔn)確的檢測(cè)，配合MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）形成單芯片，高靈敏度，高穩(wěn)定性的空氣質(zhì)量傳感器。

使用USB連接線于電腦相連接，就可以在Windows PC的軟件端上輕松獲得室外空氣的質(zhì)量監(jiān)測(cè)。根據(jù)美國環(huán)境保護(hù)署的標(biāo)準(zhǔn)化室外空氣評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將傳感器測(cè)量出的氮氧化物（NOx）和臭氧（O3）的測(cè)量濃度與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，即可以得出當(dāng)前的室外空氣質(zhì)量。

相較于其他的空氣質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備來說瑞薩ZMOD4510-EVK有著更加明顯的優(yōu)勢(shì)，首先由于使用混合金屬氧化物技術(shù)，配合MEMS實(shí)現(xiàn)小體積，單芯片的空氣質(zhì)量檢測(cè)方案，經(jīng)過15年的可靠性測(cè)試，傳感器依然穩(wěn)定運(yùn)行?；旌辖饘傺趸锛夹g(shù)還帶了靈敏度的提升和避免了環(huán)境硅氧烷的污染。瑞薩ZMOD4510出廠時(shí)均經(jīng)過精密且嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男?zhǔn)，每個(gè)傳感器均由規(guī)定濃度的二氧化氮進(jìn)行校準(zhǔn)，即使是不同批次的產(chǎn)品也擁有穩(wěn)定一致的性能。

下面我來開始進(jìn)行ZMOD4510-EVK室外空氣質(zhì)量傳感器套件的實(shí)物介紹，想要自己動(dòng)手DIY的空氣質(zhì)量相關(guān)設(shè)備的小伙伴可需要看仔細(xì)了！

首先是外包裝，采用抽出式的打開方法，正面的文字描述了內(nèi)部套件的每個(gè)部分，最下面的網(wǎng)頁地址是關(guān)于這個(gè)模塊的資料。

外包裝就先告一段落，打開我們的套件，首先映入眼簾的是兩張說明書。

首先的一張是ZMOD4510-EVK 室外空氣質(zhì)量傳感器套件的快速開始指南。一共有四頁，這樣比較方便我們認(rèn)知平臺(tái)。在第一頁中，向我們提供的信息是相關(guān)的軟件以及文檔的下載地址，在idt.com/ZMOD4510-EVK的網(wǎng)站。

第二頁向我們描述了整套的硬件連接以及FTDI驅(qū)動(dòng)的安裝以及把USB線插上。

第三頁告訴我們?cè)诰W(wǎng)頁下載到的軟件中，我們需要選擇相應(yīng)的模塊，這次的就是 ZMOD4510-Outdoor Air Quality。

第四頁是軟件部分的具體界面以及使用ZMOD4510-EVK 室外空氣質(zhì)量傳感器套件進(jìn)行采集空氣質(zhì)量的數(shù)據(jù)。

總的來說，簡單的四頁紙已經(jīng)包含整個(gè)套件的使用過程，可謂是簡單明了。在idt.com/ZMOD4510-EVK的網(wǎng)站還有一份更為詳細(xì)的套件使用文檔，如果對(duì)于使用有疑惑的小伙伴可以通過這份文檔進(jìn)行了解！

該是正主ZMOD4510-EVK室外空氣質(zhì)量傳感器的套件登場的時(shí)候了。由三部分組成，一根Micro USB線（長度2米以上），一塊Gas sensor ZMOD4510傳感器板，以及一塊HiCom V3.0的連接板，整體的思路就是通過將傳感器板插在HiCom連接板上，在通過USB線與電腦主機(jī)相連接，這樣就完成了整個(gè)評(píng)估套件的搭建。

下面我們來簡單的看下板卡的組成結(jié)構(gòu)。那么我們來看Sensor板，Gas sensor ZMOD4510傳感器板的結(jié)構(gòu)十分簡單，主要的器件只有3個(gè)，ZMOD4510傳感器，一顆去耦電容，一個(gè)防呆的牛角座接插件。

也正是這樣簡單的套件居然可以完成空氣質(zhì)量的采樣，這也是得益于MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）的發(fā)展，將復(fù)雜的空氣質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)封裝在3.0 × 3.0 × 0.7 mm這樣小結(jié)構(gòu)里。14PIN的接口定義如下，使用到的只有1，5，6，7，10，14一共有6根pin，分別對(duì)應(yīng)的電源VDD，GND，以及I2C接口的SCL和SDA，另外兩個(gè)分別用于中斷的INT和復(fù)位的RES_N。

同樣的，接口的PIN也基本等于ZMOD4510芯片的管腳數(shù)。芯片上一共12根管腳。除了接口上的定義的，基本上都是電源和地。接口真的是非常的簡單，迷你的尺寸，簡單的結(jié)構(gòu)，大大降低了對(duì)空氣質(zhì)量測(cè)量的復(fù)雜度，即便是一名新手工程師也能十分容易的基于ZMOD4510完成一個(gè)空氣質(zhì)量的項(xiàng)目設(shè)計(jì)。

ZMOD4510的工作溫度在-40°C 至 65°C，基本上涵蓋了大部分場景的工作環(huán)境，電源的供應(yīng)部分從1.7V到3.6V寬電壓輸入，無需在系統(tǒng)中準(zhǔn)備特定的電源供應(yīng)。3.0*3.0*0.7mm的12-LGA封裝，為設(shè)備的小型化帶來可能，結(jié)構(gòu)簡單，測(cè)量準(zhǔn)確，可以說是空氣質(zhì)量的評(píng)估工具中十分不錯(cuò)的選擇，整體的應(yīng)用框圖可以看下圖。

目前瑞薩提供兩種型號(hào)的器件（ZMOD4510AI1V、ZMOD4510AI1R）購買，區(qū)別只是包裝方式。

接下來介紹HiCom 板，相較于ZMOD4510 Sensor Board來說HiCom board則要復(fù)雜一些，不過整體來說也不會(huì)令人疑惑，屬于通俗易懂的那種板子。

正面的部分主要是接口和電源的選擇，以及一個(gè)測(cè)量傳感器模塊耗電的接口。如下圖：

USB線通過X1進(jìn)行電腦與評(píng)估模塊的連接。

D1用于反饋USB電源的狀態(tài)。

K2用來選擇內(nèi)部供電還是外部供電。

R19用調(diào)整內(nèi)部供電的電壓值，調(diào)整范圍1.7V至3.6V。

D3則是內(nèi)部供電的狀態(tài)指示燈。

V ext部分則是外部供電的接口。

K3是從Sensor 接口處延申出來的接口用于與外部控制器相連接。

K1是用來協(xié)助測(cè)量傳感器模塊所消耗的電流。

D2 LED用來反饋傳感器的狀態(tài)。

板卡的背面是供電部分和USB通信部分的電路。供電部分使用的是LP38692可調(diào)的LDO，USB通信這是使用FT2232可編程的USB轉(zhuǎn)串行接口的成熟方案。剩下幾顆IC則是轉(zhuǎn)換電壓用的Level shift電平轉(zhuǎn)換芯片。

把板卡連接起來，再與電腦相連。這里筆者用了普通micro UBS數(shù)據(jù)線替換原裝超長線，也是可行的。

打開idt.com/ZMOD4510-EVK的網(wǎng)站下載相關(guān)的文檔以及軟件。

按照手冊(cè)進(jìn)行軟件環(huán)境的搭建。

需要注意解壓縮的路徑，整套軟件是基于Python實(shí)現(xiàn)的，IDT將Python的程序進(jìn)行打包，變成可以執(zhí)行的exe文件，如果解壓的路徑有中文路徑，那么就會(huì)提示庫缺失無法找到。

我們將壓縮包解壓到純英文的路徑里即可正常啟動(dòng)程序。

我們選擇當(dāng)前的評(píng)估環(huán)境，ZMOD4510 – Outdoor Air Quality。點(diǎn)擊OK。

選擇OK后，就會(huì)打開軟件環(huán)境點(diǎn)擊Start sensor準(zhǔn)備開始采集數(shù)據(jù)。

這時(shí)會(huì)彈出一個(gè)對(duì)話框用于指定所采集數(shù)據(jù)保存的文件。點(diǎn)擊保存后軟件會(huì)自動(dòng)尋找設(shè)備并開始采集。

可以從log框中看見軟件部分已經(jīng)自動(dòng)找到了ZMOD4510 評(píng)估套件。軟件會(huì)開始自動(dòng)采集，可以通過Algorithm Result部分看見當(dāng)前的空氣質(zhì)量，但是軟件相對(duì)來說可調(diào)整的部分比較少，無法指定測(cè)量的頻率周期等信息。

隨著測(cè)量時(shí)間的增加，log上可以看見測(cè)量的時(shí)間以及數(shù)據(jù)。并且會(huì)同步在下面的數(shù)軸上進(jìn)行描點(diǎn)的表示，形成趨勢(shì)方便分析。

比如筆者所在的環(huán)境，數(shù)值變化不大，空氣質(zhì)量指數(shù)在100左右。

對(duì)比EPA提供的空氣質(zhì)量指數(shù)水平，筆者所處的空氣質(zhì)量不是很好，后期可能考慮買個(gè)空氣凈化器提升下生活品質(zhì)。

總結(jié)：

本期的ZMOD4510-EVK室外空氣質(zhì)量傳感器套件測(cè)評(píng)基本到這里就要結(jié)束了，下面再簡單的總結(jié)一下吧。ZMOD4510是MEMS技術(shù)的結(jié)晶，將復(fù)雜的空氣質(zhì)量評(píng)估方案集成在3*3毫米的封裝內(nèi)，為空氣質(zhì)量評(píng)估設(shè)備帶來小型化、易實(shí)現(xiàn)的成熟方案。集成的評(píng)估模塊與軟件可以使開發(fā)人員快速了解ZMOD4510的性能以及實(shí)現(xiàn)。為后面的方案設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。對(duì)ZMOD4510模塊感興趣的話可以訪問idt.com/ZMOD4510-EVK官方網(wǎng)站進(jìn)行了解。
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