Lo que importa cuando se integran los sensores de gas en los diseños de monitoreo de la calidad del aire

El control de la calidad del aire está en una encrucijada. Las soluciones tradicionales, sobre todo las estaciones de monitoreo patrocinadas por el gobierno, son grandes y costosas, y suelen analizar muestras limitadas de aire. Entretanto, los sistemas de vigilancia del aire en el hogar y la industria han utilizado durante mucho tiempo las tecnologías de detección de gases ya existentes tanto para la vigilancia de la calidad del medio ambiente como para la detección de fugas.

Sin embargo, estos sensores de gas tienen una huella relativamente grande y suelen consumir mucha energía. También carecen de las capacidades de procesamiento, la conectividad y la seguridad necesarias para las actualizaciones que permiten realizar las rutinas de autodiagnóstico e información que son fundamentales para las aplicaciones modernas de la Internet de las cosas (IoT) y la IOT industrial (IOT).

Para abordar estos problemas, están surgiendo soluciones de sensores de gas altamente integradas y flexibles de proveedores como Cypress Semiconductor, Gas Sensing Solutions, IDT, Renesas y Sensirion. Estos traen una mayor integración, potencia de procesamiento, seguridad y conectividad, y prometen mediciones más precisas para detectar los cambios ambientales en los hogares, edificios, coches, hospitales y fábricas.

En este artículo se presentarán algunos ejemplos recientes y se mostrará cómo abordan las necesidades de los diseñadores que utilizan diseños precalibrados y firmware precompilado. También examinará cómo las características de calibración y memoria facilitan las diferentes configuraciones de los sensores con la ayuda de diseños de referencia y kits de hardware.

Qué buscar en los sensores de gas para la IoT

Los avances en los sistemas microelectromecánicos (MEMS) se han convertido en un facilitador clave de los sensores de gas en miniatura y de bajo costo. A medida que la tecnología MEMS mejora, también lo hacen la precisión y la fiabilidad de los sensores. Junto con el tiempo de respuesta rápida, son características vitales que determinan la capacidad de un sensor de gas para monitorear el ambiente.

Sin embargo, aunque la tecnología de detección de gas subyacente es importante, no es el único determinante del rendimiento de un sensor. En cambio, las mejoras en las capacidades de calibración proporcionan a los diseñadores opciones en cuanto al tipo de gas, el rango de concentración y el costo. Las mejoras del firmware también van de la mano de las características de calibración para ayudar a los diseñadores a integrar rápidamente los sensores de gas en una variedad de aplicaciones de IoT.

Además, los sensores de gas en un solo chip pueden integrarse rápidamente en los diseños de IoT de monitoreo de la calidad del aire utilizando dispositivos de detección precalibrados con un firmware precompilado. Estos sensores compactos están calibrados eléctricamente con gas para asegurar la consistencia de un lote a otro. Además, la memoria no volátil (NVM) incorporada en el dispositivo del sensor almacena la configuración y proporciona espacio para otros datos.

Además de la precalibración, el firmware precompilado refuerza aún más la integración y la precisión, a la vez que reduce significativamente el consumo de energía de los sensores de gas. El firmware precompilado también simplifica el trabajo de desarrollo general, permitiendo a los diseñadores añadir nuevas capacidades de detección sin cambiar el hardware, a la vez que permite actualizaciones del sistema después de la implementación.

Sensores de gas precalibrados

Tomemos el ejemplo del módulo sensor de gas ZMOD4510IA1R de IDT que puede cuantificar concentraciones tan bajas como 20 partes por billón (ppb). Está optimizado para la detección de trazas de gases atmosféricos como los óxidos de nitrógeno (NOx) y el ozono (O₃), dos de las principales causas de la mala calidad del aire exterior. El sensor digital de gas está diseñado para supervisar la calidad del aire exterior según el Índice de Calidad del Aire (AQI) de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA). El módulo sensor tiene unas dimensiones de 3.0 mm x 3.0 mm x 0.7 milímetros (mm) y está compuesto por un elemento sensor de gas y un CI acondicionador de señal (Figura 1).

Figura 1: El módulo sensor de gas ZMOD4510IA1R emplea algoritmos para calcular las concentraciones de gases en el exterior. (Fuente de la imagen: IDT)

En el ZMOD4510IA1R, el elemento sensor consiste en un elemento calefactor en una estructura MEMS basada en silicio y un quimiorresistor de óxido metálico (MOx). El CI de acondicionamiento de señal controla la temperatura del sensor y mide la conductividad MOx, que es una función de la concentración del gas.

Además de las características de calibración, el ZMOD4510IA1R, basado en material MOx probado, es altamente resistente a los siloxanos para ser fiable en entornos difíciles. Para un desarrollo y prototipado más rápido, está respaldado por el kit de evaluación de sensores de gas ZMOD4510-EVK-HC que permite probar y evaluar el módulo de sensor de gas a través de una conexión USB bidireccional a un PC con Windows^®. Un módulo basado en un microcontrolador en el EVK controla la interfaz de comunicación I²C para mostrar la salida medida de ozono y óxidos de nitrógeno (Figura 2).

Figura 2: El ZMOD4510-EVK permite a los diseñadores evaluar rápidamente el sensor de gas ZMOD4510 usando su software de evaluación incorporado. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

La serie de sensores de humedad y temperatura HS300x de IDT también cuenta con una lógica de calibración y compensación de temperatura integrada para proporcionar valores de humedad relativa (HR) y temperatura totalmente corregidos a través de la salida estándar de I²C. La HR es la relación entre la presión parcial del vapor de agua y la presión de vapor de equilibrio del agua a una temperatura determinada.

No es necesario que el usuario calibre los datos de salida y los datos medidos se corrigen y compensan internamente para que funcionen con precisión en una amplia gama de niveles de temperatura y humedad. Los sensores MEMS HS3001, HS3002, HS3003 y HS3004 miden 3 x 2.41 x 0.8 mm y sólo se diferencian en la precisión de las mediciones de la humedad relativa y la temperatura.

Monitoreo del aire basado en las nubes

Los diseñadores pueden utilizar sensores de gas para registrar la calidad del aire, ya sea procesando localmente los datos o desarrollando una visión a lo largo del tiempo utilizando una plataforma basada en la nube a través de una conexión IP. Aquí, los kits de hardware facilitan la conectividad segura de la nube y el control de la vigilancia a través de un tablero.

Por ejemplo, el kit YSAECLOUD2 AE-Cloud2 de Renesas es un diseño de referencia construido en torno a los microcontroladores Synergy S5D9 de la compañía. Permite a los desarrolladores conectar dispositivos como el sensor de gas ZMOD4510IA1R y el sensor de humedad HS3001 a los servicios en la nube a través de W-Fi, celular y otros canales de comunicación. El kit de IoT también permite a los desarrolladores visualizar los datos de los sensores en un tablero en tiempo real.

Hay muchas alternativas disponibles para los desarrolladores que necesiten vigilar la calidad del aire en interiores y exteriores utilizando plataformas basadas en la nube. El monitoreo inteligente de la calidad del aire de la próxima generación de Digi-Key

La plataforma de sensores de gas en la nube combina los microcontroladores PSoC 6 de Cypress Semiconductor con los sensores de gas y polvo de Sensirion (Figura 3). Los microcontroladores del PSoC 6 proporcionan periféricos programables para interactuar con cualquier sensor Sensirion.

Figura 3: Se muestra un diseño de monitoreo de la calidad del aire para casas y edificios inteligentes que envía datos a la nube a través de enlaces Wi-Fi para su presentación en un tablero. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Es importante señalar que la mayoría de los nodos de IoT que monitorean la calidad del aire, tanto en interiores como en exteriores, están limitados por la energía, a menudo funcionando con una batería. Para estas aplicaciones, el PSoC 6 prolonga la vida de la batería debido a su bajo consumo de energía. Se basa en una arquitectura Arm® Cortex®-M de doble núcleo construida con una tecnología de proceso de 40 nanómetros (nm). El consumo de energía activa es de 22 μA/MHz para el núcleo M4, y de 15 μA/MHz para el núcleo M0+. Además, el microcontrolador admite un arranque seguro, actualizaciones de firmware seguras y criptografía acelerada por hardware para los sensores de gas en entornos domésticos e industriales inteligentes, donde la seguridad de los datos y la privacidad del usuario son siempre una preocupación.

Los microcontroladores PSoC 6, junto con las soluciones de detección de gases de Sensirion, pueden ayudar a crear aplicaciones para purificadores de aire, ventilación controlada por demanda y otras aplicaciones de supervisión de la calidad del aire interior. Los dispositivos de vigilancia conectados pueden controlar con precisión el medio ambiente respondiendo rápidamente a la retroalimentación ambiental.

Por ejemplo, tomemos el sensor de gas SGP30 de Sensirion, que combina múltiples elementos sensores de óxido metálico, o píxeles, en un solo chip para medir tanto los compuestos orgánicos volátiles totales (TVOC) como una señal equivalente de _CO2 (_CO2eq). Los COV se originan en nuevos productos y materiales de construcción como alfombras, muebles, pinturas y disolventes; los tVOC se refieren a la concentración total de COV presentes en el aire y es una forma rápida de evaluar la calidad del aire interior.

El SGP30 puede medir el tVOC y el _CO2eq en una membrana común en un diminuto paquete que mide 2.45 x 2.45 x 0.9 mm. Además, a diferencia de los sensores de gas tradicionales que pierden estabilidad y precisión después de unos meses debido a los compuestos químicos llamados siloxanos, los elementos de detección de este sensor multigas son resistentes a este tipo de contaminación. Esta característica reduce la deriva para asegurar la estabilidad a largo plazo.

Los elementos de detección del sensor de gas SGP30 están hechos de una película calentada de nanopartículas de MOx. Sensirion también ha incrustado los otros componentes del sensor calentador y electrodos dentro del chip para reducir la huella del sensor (Figura 4).

Figura 4: El sensor multigas del SGP30 integra cuatro elementos sensores, o píxeles, en un solo chip que presenta una microplaca de temperatura controlada y una interfaz I²C. (Fuente de la imagen: Sensirion)

Para aumentar aún más el nivel de integración, Sensirion ha combinado el sensor de gas SGP30 con su sensor de humedad y temperatura SHTC1 para crear un módulo combinado de sensores, el SVM30. Junto con los múltiples elementos de detección, incluye el procesamiento de señales analógicas y digitales, un convertidor analógico-digital (ADC), la calibración y la memoria de datos, y una interfaz de comunicación digital que soporta el modo estándar I²C.

La velocidad de detección del gas

La velocidad de detección es otro obstáculo cuando se trata de los niveles de CO₂ que cambian rápidamente en el análisis de la respiración y otras aplicaciones de monitoreo del aire en tiempo real. Es necesario que los sensores de gas aumenten significativamente la tasa de muestreo, especialmente para los sensores de calidad del aire interior alimentados con baterías.

Gas Sensing Solutions ha construido el sensor de gas SprintIR-WF-20 en torno a la tecnología LED de antimonio indio y diseños ópticos. Como tal, evita tanto las partes móviles (MEMS) como los filamentos calentados (Figura 5). Captura 20 lecturas por segundo y viene con un adaptador de flujo opcional. Además, el SprintIR-WF-20 tiene tres rangos de medición: 0 - 5%, 0 - 20% y 0 - 100% de concentraciones de _CO2. Su precisión es de ±70 ppm (+5% de la lectura).

Figura 5: El sensor de CO₂ SprintIR-WF-20 está disponible con opciones para soportar estructuras de flujo o de difusión. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

El sensor se comunica a través de una simple interfaz UART con una variedad de redes inalámbricas de IoT como Zigbee, LoRaWAN, Sigfox y EnOcean. A 35 miliwatts (mW), el SprintIR-WF-20 necesita mucha menos energía que los típicos sensores de CO₂ de infrarrojos no disruptivos (NDIR); funciona con 3.25 a 5.5 voltios y consume una corriente media de menos de 15 miliwatts (mA) (100 mA, pico). Estas cifras hacen que el SprintIR-WF-20 sea adecuado para dispositivos con baterías, como los que se pueden llevar puestos. Los nuevos cambios en el firmware mejoran aún más la duración de la batería y aumentan la precisión de la detección de CO₂.

El sensor de gas viene con un kit de evaluación, el EVKITSWF-20, así que todo lo que tienen que hacer los diseñadores es conectar el sensor de CO₂ a una computadora a través de una memoria USB y empezar a registrar los datos del sensor. La memoria USB contiene el software de evaluación autoinstalable. Vale la pena mencionar que la autocalibración funciona para la mayoría de las aplicaciones de monitoreo de la calidad del aire, aunque el kit de evaluación permite a los desarrolladores calibrar a cero para entornos específicos.

Conclusión

Los diseñadores de dispositivos de detección de gas para dispositivos y sistemas IoT y IioT se están alejando de los diseños tradicionales, grandes e independientes. Al hacerlo, necesitan buscar soluciones de detección de gases que les permitan mejorar la precisión, la fiabilidad y el tiempo de respuesta, y reducir el costo y el consumo de energía; todo ello aprovechando plenamente las capacidades de la IoT y de las plataformas de recopilación y análisis de datos basadas en la nube. Otras características fundamentales que hay que tener en cuenta son el diseño de la interfaz, la velocidad de detección y el rango de concentración.

Como se ha demostrado, hay muchas soluciones disponibles que no sólo satisfacen las necesidades de los diseñadores, sino que también simplifican la integración de estas capacidades de detección mejoradas en factores de forma pequeños que son imprescindibles para los dispositivos que funcionan con baterías. También incluyen capacidades de calibración y programas informáticos actualizables que son fundamentales para la configuración eficiente y la reconfiguración de los diseños de vigilancia de la calidad del aire. Usando estos sensores de gas, junto con la conectividad de las nubes, los diseñadores pueden trabajar dentro de ecosistemas de hardware y software de gran apoyo para atender los requisitos de diseño actuales y futuros de IoT y IIoT.