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-14348 Qwiic 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-14352 Qwiic 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）。

　　#include 《SparkFunBME280.h》

　　#include 《SparkFunCCS811.h》

　　#define CCS811_ADDR 0x5B //Default I2C Address

　　//#define CCS811_ADDR 0x5A //Alternate I2C Address

　　//Global sensor objects

　　CCS811 myCCS811（CCS811_ADDR）;

　　BME280 myBME280;

　　void setup（）

　　{

　　Serial.begin（9600）;

　　Serial.println（）;

　　Serial.println（“Apply BME280 data to CCS811 for compensatio

　　n.”）;

　　//This begins the CCS811 sensor and prints error status of 。

　　begin（）

　　CCS811Core：：status returnCode = myCCS811.begin（）;

　　if （returnCode ！= CCS811Core：：SENSOR_SUCCESS）

　　{

　　Serial.println（“Problem with CCS811”）;

　　printDriverError（returnCode）;

　　}

　　else {

　　Serial.println（“CCS811 online”）;

　　}

　　//Initialize BME280

　　//For I2C， enable the following and disable the SPI section

　　myBME280.settings.commInterface = I2C_MODE;

　　myBME280.settings.I2CAddress = 0x77;

　　myBME280.settings.runMode = 3; //Normal mode

　　myBME280.settings.tStandby = 0;

　　myBME280.settings.filter = 4;

　　myBME280.settings.tempOverSample = 5;

　　myBME280.settings.pressOverSample = 5;

　　myBME280.settings.humidOverSample = 5;

　　//Calling .begin（） causes the settings to be loaded

　　delay（10）; //Make sure sensor had enough time to turn on.B

　　ME280 requires 2ms to start up.

　　byte id = myBME280.begin（）; //Returns ID of 0x60 if successf

　　ul

　　if （id ！= 0x60）

　　{

　　Serial.println（“Problem with BME280”）;

　　}

　　else {

　　Serial.println（“BME280 online”）;

　　}

　　}

　　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）。

　　void loop（） {

　　if （myCCS811.dataAvailable（）） //Check to see if CCS811 has n ew data （it‘s the slowest sensor）

　　{

　　myCCS811.readAlgorithmResults（）; //Read latest from CCS81

　　1 and update tVOC and CO2 variables

　　//getWeather（）; //Get latest humidity/pressure/temp data f

　　rom BME280

　　printData（）; //Pretty print all the data

　　}

　　else if （myCCS811.checkForStatusError（）） //Check to see if C

　　CS811 has thrown an error

　　{

　　Serial.println（myCCS811.getErrorRegister（））; //Prints what

　　ever CSS811 error flags are detected

　　}

　　delay（2000）; //Wait for next reading

　　}

　　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）。

　　void loop（） {

　　//Check to see if data is available

　　if （myCCS811.dataAvailable（））

　　{

　　//Calling this function updates the global tVOC and eCO2 v

　　ariables

　　myCCS811.readAlgorithmResults（）;

　　//printData fetches the values of tVOC and eCO2

　　printData（）;

　　float BMEtempC = myBME280.readTempC（）;

　　float BMEhumid = myBME280.readFloatHumidity（）;

　　Serial.print（“Applying new values （deg C， %）： ”）;

　　Serial.print（BMEtempC）;

　　Serial.print（“，”）;

　　Serial.println（BMEhumid）;

　　Serial.println（）;

　　//This sends the temperature data to the CCS811

　　myCCS811.setEnvironmentalData（BMEhumid， BMEtempC）;

　　}

　　else if （myCCS811.checkForStatusError（））

　　{

　　Serial.println（myCCS811.getErrorRegister（））; //Prints what

　　ever CSS811 error flags are detected

　　}

　　delay（2000）; //Wait for next reading

　　}

　　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-A PSoC 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

　?。ㄓ嘘P(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 Cypress CY8CKIT-062-BLE PSoC 6 BLE Pioneer 套件和 SparkFun DEV-14531 PSoC Pioneer 物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展板（配備 XB2B-WFWT-001 XBee 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>