如何使用傳感器開發(fā)套件,縮短空氣質(zhì)量設(shè)計周期?

通過給智能樓宇系統(tǒng)增加空氣質(zhì)量傳感器，工程師可以實現(xiàn)有害氣體和化學(xué)物質(zhì)聚積的早期預(yù)警，但商用空氣質(zhì)量傳感器缺乏加入智能樓宇網(wǎng)絡(luò)所需的集成功能。然而，借助易于使用的開發(fā)套件，工程師可以增加所需的處理能力和無線功能以克服這一缺陷。

為確定環(huán)境中 CO2或揮發(fā)性有機(jī)化合物 (VOC) 的 ppm 濃度，最受歡迎的空氣質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備往往采用半導(dǎo)體電化學(xué)元件，這些元件可產(chǎn)生與被測氣體或化學(xué)物質(zhì)的濃度成比例的輸出電壓。但是，溫度和濕度均會影響測量精度。溫度和濕度傳感器可以為連續(xù)補(bǔ)償算法提供數(shù)據(jù)以改善空氣質(zhì)量傳感器輸出的精度，但并沒有常規(guī)性地與此類空氣質(zhì)量傳感器集成。

此外，當(dāng)前各類空氣質(zhì)量傳感器缺乏其他類型傳感器常用的無線技術(shù)，而要連接到智能樓宇網(wǎng)絡(luò)必須有無線技術(shù)。

這些缺陷使得工程師更難以為家庭、商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用設(shè)計支持無線網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量傳感器。

不過，最近推出的適用于空氣質(zhì)量監(jiān)測產(chǎn)品的開發(fā)套件包含了溫度和濕度傳感器以及無線連接，因此相關(guān)設(shè)計挑戰(zhàn)迎刃而解。本文介紹如何使用這些開發(fā)套件來縮短空氣質(zhì)量監(jiān)測產(chǎn)品的設(shè)計周期。

MOS 傳感器特性

監(jiān)測空氣質(zhì)量的傳感器有多種類型。實例包括電化學(xué) (EC)、非分散紅外 (NDIR)、光電離檢測器 (PID) 和熱類型。

但是，金屬氧化物半導(dǎo)體 (MOS) 類型最符合智能樓宇應(yīng)用的監(jiān)測要求。這些器件結(jié)構(gòu)緊湊，價格相對便宜，可以采用電池供電（具有足夠容量定期為 MOS 傳感器的加熱器供電），檢測范圍與室內(nèi)工作場所中典型的 C02和 VOC 濃度相匹配（圖 1）。

圖 1：一天中臥室內(nèi) CO2和 VOC 的濃度變化。（圖片來源：IDT）

在運行中，檢測元件被加熱到數(shù)百攝氏度 (?C)。精確的溫度決定了元件對特定氣體或化學(xué)物質(zhì)的選擇性。靈敏度取決于材料的厚度。

傳感器采用n-型或p-型半導(dǎo)體檢測元件制造。檢測元件吸收（p-型）或解吸（n-型）目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)，與目標(biāo)化合物的電化學(xué)反應(yīng)會增加或移除半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的電子。電子遷移使檢測元件的電阻率或電導(dǎo)率從已知基線值呈線性變化（圖 2）。

圖 2：響應(yīng)目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)濃度的變化，MOS 傳感器元件的電阻率呈線性變化。本例中的化學(xué)物質(zhì)為乙醇。（圖片來源：IDT）

ams為智能家居應(yīng)用提供了一種商用 MOS 傳感器：CCS811B是一款數(shù)字 MOS 傳感器解決方案，集成了微控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和 I2C 接口（圖 3）。該器件處理傳感器原始測量結(jié)果，輸出“等效總 VOC” (eTVOC) 和“等效 CO2” (eCO2) 值。該傳感器采用 10 引線 2.7 × 4.0 × 1.1 mm 封裝。

圖 3：ams 的 CCS811B 數(shù)字 MOS 傳感器集成一個板載微控制器，用于處理傳感器的原始數(shù)據(jù)。（圖片來源：ams）

對于給定的空氣成分、溫度和濕度，每個 MOS 傳感器都有一個特征基線電阻。它用作計算氣體或化學(xué)物質(zhì)濃度的基礎(chǔ)：電阻相對于基線值的差異與氣體或化學(xué)物質(zhì)濃度成比例。

實際應(yīng)用中的環(huán)境溫度和濕度會影響傳感器元件的基線電阻，改變其靈敏度，進(jìn)而改變其精度。例如，當(dāng)環(huán)境溫度升高時，傳感器元件的基線電阻（濕度一定時）會提高，而濕度增加時，基線電阻（溫度一定時）會降低。

傳感器制造商建議將空氣質(zhì)量傳感器與溫度和濕度傳感器配合使用，以便監(jiān)控微處理器可以運行算法來連續(xù)補(bǔ)償基線電阻的變化。

針對此類應(yīng)用，Bosch Sensortec的BME280是一款頗受歡迎的器件。BME280 將數(shù)字濕度、壓力和溫度結(jié)合在一個 LGA 封裝中，基底面為 2.5 x 2.5 x 0.93 mm。該傳感器具有 I2C 接口，可與外部微處理器通信，并需要 1.71 至 3.6 V 的電源為傳感器供電。當(dāng)傳感器處于休眠模式時，電流消耗降至 0.1 微安 (μA)。

商用 MOS 傳感器缺乏加入無線網(wǎng)絡(luò)所需的內(nèi)置連接能力。然而，有許多低功耗無線芯片可專用于直接與傳感器介接。其中許多器件還包含非常強(qiáng)大的嵌入式微處理器，足以運行所需算法來處理原始傳感器數(shù)據(jù)及補(bǔ)償濕度和溫度變化。（有關(guān)適合此應(yīng)用的無線技術(shù)的更多信息，請參見 Digi-Key 文章“低功耗無線技術(shù)之比較”。）

開發(fā)基礎(chǔ)型空氣質(zhì)量傳感器

設(shè)計具無線連接功能的空氣質(zhì)量監(jiān)測器需要工程師將分立式 MOS 傳感器、濕度和溫度傳感器、無線收發(fā)器以及（某些情況下）微處理器結(jié)合成一個有效系統(tǒng)。這種復(fù)雜性使得該任務(wù)非常艱巨且耗時。

然而，市場上有一系列開發(fā)套件可供選擇，它們能大大簡化初始設(shè)計和測試過程。例如，SparkFun Electronics用于空氣質(zhì)量傳感器開發(fā)的SEN-14348Qwiic 環(huán)境型組合分線板將 CCS811B 空氣質(zhì)量傳感器與用于溫度和濕度補(bǔ)償?shù)?BME280 傳感器相結(jié)合，并含有兩個物理 I2C 接口，采用 4 引腳極化 Qwiic 連接器（圖 4）。

圖 4：SparkFun 的 SEN-14348 分線板結(jié)合了 CCS811B 傳感器和用于溫度和濕度補(bǔ)償?shù)?BME280 器件。（圖片來源：SparkFun）

雖然 SEN-14348 可用作溫度和濕度補(bǔ)償型空氣質(zhì)量傳感器設(shè)計的基礎(chǔ)，但它并不是一個綜合性解決方案。CCS811B 包含一個微處理器，但除了監(jiān)控周期性測量和執(zhí)行基線補(bǔ)償之外，該器件的能力有限。對于更復(fù)雜的應(yīng)用，例如監(jiān)測空氣質(zhì)量閾值或計算氣體/化學(xué)物質(zhì)長期濃度，則超出了該微處理器的能力。為利用 SEN-14348 支持更高級的應(yīng)用，需要將其連接到功能更強(qiáng)大的微處理器。

對于初步開發(fā)，SparkFun 建議將 SEN-14348 分線板連接到Arduino兼容計算機(jī)，例如RedBoard。RedBoard 通過 USB 電纜（其也為電路板供電）連接到 PC，以便從 Arduino IDE 上傳代碼。為將 RedBoard 與 Qwiic 分線板一起使用，計算機(jī)需要利用DEV-14352Qwiic 擴(kuò)展板進(jìn)行適配。擴(kuò)展板含有一個 I2C 連接器，并將 5 V RedBoard 電源調(diào)節(jié)至 SEN-14348 分線板上傳感器所需的 3.3 V 電壓。

開始的時候，開發(fā)人員需要從 Github 下載 SparkFun CCS811 和 BME280 Arduino 庫。傳感器從 Arduino IDE 對采樣率、有限脈沖響應(yīng) (FIR) 濾波器系數(shù)和過采樣模式等信息進(jìn)行配置。

下面的代碼片段顯示了獲取讀數(shù)之前初始化 BME280 傳感器的例程（CCS811 的初始化例程類似）。

復(fù)制#include#include#defineCCS811_ADDR0x5B//DefaultI2CAddress//#defineCCS811_ADDR0x5A//AlternateI2CAddress//GlobalsensorobjectsCCS811myCCS811(CCS811_ADDR);BME280myBME280;voidsetup(){Serial.begin(9600);Serial.println();Serial.println("ApplyBME280datatoCCS811forcompensation.");//ThisbeginstheCCS811sensorandprintserrorstatusof.begin()CCS811Core::statusreturnCode=myCCS811.begin();if(returnCode!=CCS811Core::SENSOR_SUCCESS){Serial.println("ProblemwithCCS811");printDriverError(returnCode);}else{Serial.println("CCS811online");}//InitializeBME280//ForI2C,enablethefollowinganddisabletheSPIsectionmyBME280.settings.commInterface=I2C_MODE;myBME280.settings.I2CAddress=0x77;myBME280.settings.runMode=3;//NormalmodemyBME280.settings.tStandby=0;myBME280.settings.filter=4;myBME280.settings.tempOverSample=5;myBME280.settings.pressOverSample=5;myBME280.settings.humidOverSample=5;//Calling.begin()causesthesettingstobeloadeddelay(10);//Makesuresensorhadenoughtimetoturnon.BME280requires2mstostartup.byteid=myBME280.begin();//ReturnsIDof0x60ifsuccessfulif(id!=0x60){Serial.println("ProblemwithBME280");}else{Serial.println("BME280online");}}

代碼片段 1：獲取讀數(shù)之前初始化 BME280 傳感器的例程。（代碼來源：SparkFun）

要從傳感器獲取讀數(shù)，必須在代碼（Arduino“草圖”）中添加一個 void 循環(huán)（代碼片段 2）。

復(fù)制voidloop(){if(myCCS811.dataAvailable())//ChecktoseeifCCS811hasnewdata(it'stheslowestsensor){myCCS811.readAlgorithmResults();//ReadlatestfromCCS811andupdatetVOCandCO2variables//getWeather();//Getlatesthumidity/pressure/tempdatafromBME280printData();//Prettyprintallthedata}elseif(myCCS811.checkForStatusError())//ChecktoseeifCCS811hasthrownanerror{Serial.println(myCCS811.getErrorRegister());//PrintswhateverCSS811errorflagsaredetected}delay(2000);//Waitfornextreading}

代碼片段 2：從 CCS811 傳感器獲取讀數(shù)并輸出的例程。（代碼來源：SparkFun）

來自 BME280 的環(huán)境數(shù)據(jù)（“ENV_DATA”）被寫入 CCS811，因此可以將補(bǔ)償因子應(yīng)用于基線電阻，以考慮溫度和濕度的影響。

濕度和溫度信息以無符號 16 位整數(shù)形式傳遞，分辨率為 1/512％ RH 和 1/512 度。濕度的默認(rèn)值為 50％ (= 0x64, 0x00)。例如，48.5％ 的濕度 = 0x61, 0x00。溫度讀數(shù)包括一個偏移，0 對應(yīng) -25°C。默認(rèn)值為 25°C (= 0x64, 0x00)。例如，23.5°C = 0x61, 0x00。

從 BME280 向 CCS811 饋送溫度和濕度信息后，微處理器便可應(yīng)用補(bǔ)償算法（代碼片段 3）。

復(fù)制voidloop(){//Checktoseeifdataisavailableif(myCCS811.dataAvailable()){//CallingthisfunctionupdatestheglobaltVOCandeCO2variablesmyCCS811.readAlgorithmResults();//printDatafetchesthevaluesoftVOCandeCO2printData();floatBMEtempC=myBME280.readTempC();floatBMEhumid=myBME280.readFloatHumidity();Serial.print("Applyingnewvalues(degC,%):");Serial.print(BMEtempC);Serial.print(",");Serial.println(BMEhumid);Serial.println();//ThissendsthetemperaturedatatotheCCS811myCCS811.setEnvironmentalData(BMEhumid,BMEtempC);}elseif(myCCS811.checkForStatusError()){Serial.println(myCCS811.getErrorRegister());//PrintswhateverCSS811errorflagsaredetected}delay(2000);//Waitfornextreading}

代碼片段 3：饋送溫度和濕度數(shù)據(jù)以使 CCS811 傳感器能夠執(zhí)行補(bǔ)償算法。（代碼來源：SparkFun）

給物聯(lián)網(wǎng)增加空氣質(zhì)量傳感器

雖然利用 SparkFun SEN-14348 分線板、Arduino 計算機(jī)和擴(kuò)展板可以控制和整理空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，但該系統(tǒng)沒有無線連接能力。Cypress Semiconductor的CY8CKIT-042-BLE-APSoC 4 BLE Pioneer 套件包含無線功能，可滿足無線連接要求。

PSoC 4 BLE Pioneer 套件是一款旨在幫助工程師開發(fā)無線傳感器應(yīng)用的開發(fā)工具。該套件允許工程師編寫和編譯應(yīng)用程序，然后將固件移植到 Cypress PSoC 4 低功耗藍(lán)牙 SoC。該 SoC 采用 32 位、48 MHz Arm?Cortex?-M0 處理器和低功耗藍(lán)牙無線電。

這種情況下，分線板的補(bǔ)償空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)通過分線板的 I2C 接口饋送到套件印刷電路板上的 I2C 連接器。除了從 I2C 接口的 SDA 線接收數(shù)據(jù)外，處理器還能復(fù)位、中斷傳感器及將其置于休眠狀態(tài)。

使用該套件時，需要進(jìn)行一些開發(fā)工作來編程和調(diào)試空氣質(zhì)量傳感器設(shè)計。Cypress 提供 Windows CySmart 主機(jī)仿真工具（在 PC 上運行）和低功耗藍(lán)牙適配器，以用于編碼和測試。在開發(fā)過程中，適配器和 Pioneer 套件可以同時連接到共用主機(jī) PC（圖 5）。

圖 5：Cypress 提供低功耗藍(lán)牙開發(fā)工具和適配器（配置為低功耗藍(lán)牙中央器件），以幫助利用 PSoC 4 BLE Pioneer 套件進(jìn)行應(yīng)用固件開發(fā)。（圖片來源：Cypress Semiconductor）

采用 CY8CKIT-042-BLE-A PSoC 4 BLE Pioneer 套件的設(shè)計開發(fā)流程包括四個階段：

• 在 PSoC Creator 原理圖頁面中創(chuàng)建設(shè)計

• 編寫固件以初始化和處理低功耗藍(lán)牙事件

• 利用 Pioneer 套件對低功耗藍(lán)牙 SoC 進(jìn)行編程

• 使用 CySmart 主機(jī)仿真工具（或手機(jī)應(yīng)用）測試設(shè)計

（有關(guān)低功耗藍(lán)牙應(yīng)用開發(fā)的詳細(xì)信息，請參見 Digi-Key 文章“兼容藍(lán)牙 4.1、4.2 和 5 的低功耗藍(lán)牙 SoC 和工具可應(yīng)對物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)”。）

借助應(yīng)用程序固件，低功耗藍(lán)牙 SoC 得以整理和處理傳感器數(shù)據(jù)，并通過低功耗藍(lán)牙鏈路將信息傳輸?shù)?a target="_blank">智能手機(jī)等設(shè)備進(jìn)行分析和顯示。

然后，來自傳感器的數(shù)據(jù)可以從智能手機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)到云服務(wù)器以保存數(shù)據(jù)，并可能基于數(shù)據(jù)觸發(fā)“If This Then That” (IFTTT) 通知。例如，若兒童臥室中的 CO2讀數(shù)持續(xù)較高，可能會觸發(fā)父母智能手機(jī)通知，建議增加通風(fēng)。

直接從傳感器連接到云要更復(fù)雜一點。低功耗藍(lán)牙 SoC（例如 Cypress 元器件）一般缺少本地 IPv6 網(wǎng)絡(luò)層。解決方案是將藍(lán)牙數(shù)據(jù)發(fā)送到一個使用替代協(xié)議的“網(wǎng)關(guān)”，從而連接到云（例如 Wi-Fi）。

Cypress 和 SparkFun 再次合作，使其成為可能。通過使用 CypressCY8CKIT-062-BLEPSoC 6 BLE Pioneer 套件和 SparkFunDEV-14531PSoC Pioneer 物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展板（配備XB2B-WFWT-001XBee Wi-Fi 模塊），工程師可以開發(fā)一個網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)從傳感器獲取補(bǔ)償空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，通過低功耗藍(lán)牙鏈路將數(shù)據(jù)從 CY8CKIT-042-BLE-A PSoC 4 BLE Pioneer 套件傳輸?shù)?CY8CKIT-062-BLE PSoC 6 BLE Pioneer 套件，然后從那里通過 Wi-Fi 傳輸?shù)皆贫耍▓D 6）。（有關(guān)使用 Wi-Fi 模塊連接到云的更多信息，請參見 Digi-Key 技術(shù)文章“802.11x 模塊及開發(fā)套件可幫助簡化物聯(lián)網(wǎng)無線設(shè)計工作”。）

圖 6：這個由 Cypress 和 SparkFun 開發(fā)套件構(gòu)建的無線系統(tǒng)使用低功耗藍(lán)牙和 Wi-Fi 將空氣質(zhì)量傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到云端。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

總結(jié)

將空氣質(zhì)量傳感器納入智能樓宇網(wǎng)絡(luò)變得越來越重要，因為人們?nèi)找嬉庾R到 VOC 及 CO2等氣體在受控通風(fēng)建筑物中聚積會給身體帶來有害影響。

商用空氣質(zhì)量傳感器目前缺乏其他（模塊化）傳感器常見的強(qiáng)大集成微處理器和無線連接功能。然而，借助易于使用的設(shè)計工具，工程師不僅能夠補(bǔ)償原始空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的溫度和濕度影響，還能通過低功耗藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)無線傳輸信息，利用智能手機(jī)網(wǎng)絡(luò)或 Wi-Fi 模塊將信息傳輸?shù)皆贫恕?/p>