대기 품질 모니터링 설계에 가스 센서 통합 시 중요한 사항

대기 품질 모니터링은 기로에 서 있습니다. 대부분 정부에서 모니터링 스테이션을 후원하던 기존 솔루션은 크고 비싸며, 일반적으로 제한된 공기 샘플을 분석합니다. 가정 및 산업용 대기 품질 모니터링 시스템에서는 환경 품질 모니터링과 누출 감지 모두 기존의 가스 감지 기술을 오랫동안 사용하고 있습니다.

하지만 이러한 가스 센서는 상대적으로 실장 면적이 크고 일반적으로 많은 전력을 소비합니다. 또한 최신 사물 인터넷(IoT) 및 산업용 IoT(IIoT) 응용 분야의 토대가 되는 자체 진단 및 보고 루틴을 수행하도록 업그레이드하는 데 필요한 처리 기능, 연결성 및 보안이 부족합니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 Cypress Semiconductor, Gas Sensing Solutions, IDT, Renesas, Sensirion과 같은 벤더에서 유연한 고집적 가스 센서 솔루션을 출시하고 있습니다. 이러한 솔루션은 우수한 통합, 처리 성능, 보안 및 연결성을 제공하며 가정, 건물, 자동차, 병원, 공장 등에서 환경 변화를 감지할 수 있도록 더 정확한 측정을 보장합니다.

이 기사에서는 일부 최신 사례를 소개하고 미리 보정된 설계와 미리 컴파일된 펌웨어를 사용하여 설계자의 요구 사항을 해결하는 방법을 보여줍니다. 또한 참조 설계와 하드웨어 키트를 활용하여 다른 센서 구성을 촉진하는 데 보정 및 메모리 기능이 얼마나 도움이 되는지 살펴봅니다.

IoT용 가스 센서에서 확인할 사항

마이크로 일렉트로닉스 시스템(MEMS)의 발전을 기반으로 하여 미니어처 크기의 저가형 가스 센서가 증가하고 있습니다. MEMS 기술이 향상되면서 센서의 정확도와 신뢰성도 향상되었습니다. 신속한 응답 시간과 함께 이는 환경을 모니터링하는 가스 센서의 기능을 결정하는 중요한 특성입니다.

기본 가스 감지 기술은 중요하지만 센서의 성능을 결정하는 유일한 요소는 아닙니다. 대신, 보정 기능의 향상은 설계자에게 가스 유형, 농도 범위, 비용 등에 관한 선택 옵션을 제공합니다. 펌웨어 향상은 설계자가 가스 센서를 다양한 IoT 응용 제품에 빠르게 통합할 수 있도록 도와주는 보정 기능과도 밀접한 관련이 있습니다.

또한 사전 컴파일된 펌웨어가 탑재된 사전 보정된 감지 장치를 사용하여 대기 품질 모니터링 IoT 설계에 단일 칩 가스 센서를 빠르게 통합할 수 있습니다. 이러한 콤팩트 센서는 가스를 통해 전기적으로 보정되어 로트 간 일관성을 보장합니다. 센서 장치에 내장된 비휘발성 메모리(NVM)는 구성을 저장하고 다른 데이터를 위한 공간을 제공합니다.

사전 보정 외에도 사전 컴파일된 펌웨어는 통합 및 정확도를 강화하면서 가스 센서의 전력 소비를 대폭 줄입니다. 또한 사전 컴파일된 펌웨어는 전체 개발 작업을 간소화하여 설계자가 하드웨어를 변경하지 않고도 새로운 감지 기능을 추가하고 배포 후 시스템을 업데이트할 수 있습니다.

사전 보정된 가스 센서

20ppb의 낮은 농도를 정량화할 수 있는 IDT의 ZMOD4510IA1R 가스 센서 모듈을 예로 들어 보겠습니다. 이 모듈은 유해한 실외 대기 품질의 두 가지 주요 원인인 산화질소(NOx) 및 오존(O₃) 같은 트레이스 대기 가스를 감지하는 데 최적화되었습니다. 이 디지털 가스 센서는 미국 환경 보호국(EPA)의 대기 품질 지수(AQI)에 따라 실외 대기 품질을 모니터링하도록 설계되었습니다. 센서 모듈은 3.0mm x 3.0mm x 0.7mm 크기로 제공되며 가스 감지 소자와 신호 조정 IC로 구성되어 있습니다(그림 1).

그림 1: ZMOD4510IA1R 가스 센서 모듈은 실외 가스의 농도를 계산하는 알고리즘을 사용합니다. (이미지 출처: IDT)

ZMOD4510IA1R의 감지 소자는 실리콘 기반 MEMS 구조의 발열체와 금속 산화물(MOx) 화학 저항기로 구성되어 있습니다. 신호 조정 IC는 센서 온도를 제어하며 가스 농도와 상관 관계에 있는 MOx 전도도를 측정합니다.

보정 기능 외에도 검증된 MOx 소재를 기반으로 하는 ZMOD4510IA1R은 실록산에 대한 높은 내성으로 열악한 환경에서 우수한 신뢰성을 제공합니다. 빠른 시제품 제작과 개발을 위해 이 장치는 Windows^® PC에 대한 양방향 USB 연결을 통해 가스 센서 모듈을 테스트 및 평가할 수 있는 ZMOD4510-EVK-HC 가스 센서 평가 키트에서 지원됩니다. EVK의 마이크로 컨트롤러 기반 모듈은 I²C 통신 인터페이스를 제어하여 측정된 오존 및 산화질소 출력을 표시합니다(그림 2).

그림 2: ZMOD4510-EVK를 사용하면 설계자가 내장된 평가 소프트웨어를 통해 ZMOD4510 가스 센서를 빠르게 평가할 수 있습니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

또한 IDT의 HS300x 계열 습도 및 온도 센서는 표준 I²C 출력을 통해 완전히 보정된 상대 습도(RH) 및 온도 값을 제공하는 통합 보정 및 온도 보정 기능을 지원합니다. RH는 주어진 온도에서 수증기의 분압과 물의 평형 증기압의 비율입니다.

출력 데이터에 대한 사용자 보정이 필요하지 않으며, 폭넓은 온도 및 습도 범위에서 정확한 작동을 위해 측정된 데이터가 내부적으로 수정 및 보정됩니다. HS3001, HS3002, HS3003 및 HS3004 MEMS 센서는 3mm x 2.41mm x 0.8mm의 동일한 크기이며, 상대 습도 및 온도 측정 정확도 측면에서만 차이가 있습니다.

클라우드 기반 공기 모니터링

설계자는 가스 센서를 사용하여 대기 품질을 기록하기 위해 데이터를 로컬로 처리하거나, IP 연결을 통한 클라우드 기반 플랫폼을 사용하여 시간에 따른 통찰력을 개발할 수 있습니다. 하드웨어 키트는 대시보드를 통한 보안 클라우드 연결 및 모니터링 제어를 간소화합니다.

예를 들어, Renesas의 YSAECLOUD2 AE-Cloud2 키트는 이 회사의 Synergy S5D9 마이크로 컨트롤러를 기반으로 하여 제작된 참조 설계로서, 개발자가 W-Fi, 셀룰러 및 기타 통신 채널을 통해 ZMOD4510IA1R 가스 센서, HS3001 습도 센서와 같은 장치를 클라우드 서비스에 연결할 수 있도록 합니다. 또한 IoT 키트를 사용하면 개발자가 대시보드에 센서 데이터를 실시간으로 시각화할 수 있습니다.

클라우드 기반 플랫폼을 사용하여 실내와 실외의 대기 품질을 모니터링해야 하는 개발자가 사용할 수 있는 대안은 많습니다. Digi-Key의 고유한 차세대 스마트 대기 품질 모니터링

클라우드 지원 가스 센서 플랫폼은 Cypress Semiconductor의 PSoC 6 마이크로 컨트롤러와 Sensirion의 가스 및 먼지 센서를 결합합니다(그림 3). PSoC 6 마이크로 컨트롤러는 모든 Sensirion 센서와 연결할 수 있는 프로그래밍 가능 주변 장치를 제공합니다.

그림 3: 대시보드에 표시하기 위해 Wi-Fi 링크를 통해 데이터를 클라우드에 전송하는 스마트 홈 및 건물을 위한 대기 품질 모니터링 설계를 보여줍니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

실내와 실외의 대기 품질을 모니터링하는 대부분의 IoT 노드는 에너지 제약적이며 배터리가 방전될 수 있습니다. 이러한 응용 분야에서 PSoC 6은 전력 소비가 낮아 배터리 수명이 연장됩니다. 또한 40nm 공정 기술을 토대로 제작된 이중 코어 Arm® Cortex®-M 아키텍처를 기반으로 합니다. 유효 전력 소비는 M4 코어의 경우 22μA/MHz이고, M0+ 코어의 경우 15μA/MHz입니다. 마이크로 컨트롤러는 데이터 보안과 사용자 개인정보 보호가 항상 문제가 되는 스마트 홈 및 산업 환경에서 가스 센서에 대한 보안 부트, 보안 펌웨어 업데이트 및 하드웨어 가속 암호화를 지원합니다.

PSoC 6 마이크로 컨트롤러를 Sensirion의 가스 감지 솔루션과 함께 사용하면 공기 정화기, 수요 제어 환기 및 기타 대기 품질 모니터링 응용 분야를 위한 응용 제품을 제작할 수 있습니다. 연결된 모니터링 장치는 환경 피드백에 빠르게 대응하여 환경을 정밀하게 제어할 수 있습니다.

예를 들어, Sensirion의 SGP30 가스 센서는 여러 금속 산화 감지 소자 또는 픽셀을 단일 칩에 결합하여 총 휘발성 유기 화합물(TVOC)과 CO₂ 등가 신호(CO_2eq)를 모두 측정합니다. VOC는 카펫, 가구, 페인트, 용제와 같은 신제품 및 건물 소재에서 발생하고, tVOC는 대기 중에 존재하는 VOC의 총 농도를 말하며 실내 대기 품질을 빠르게 평가할 수 있는 방법입니다.

SGP30은 2.45mm x 2.45mm x 0.9mm의 소형 패키지 내 일반 멤브레인에서 tVOC 및 CO_2eq를 측정할 수 있습니다. 실록산이라는 화학 화합물로 인해 몇 개월이 지나면 안정성과 정확도가 저하되는 기존 가스 센서와 달리 이 다중 가스 센서의 감지 소자는 이러한 유형의 오염에 대한 내성이 있습니다. 이러한 특성은 드리프트를 줄여서 장기적인 안정성을 보장합니다.

SGP30 가스 센서의 감지 소자는 MOx 나노입자의 가열 필름으로 제조됩니다. 또한 Sensirion은 다른 센서 부품(발열체 및 전극)을 칩에 내장하여 센서 실장 면적을 축소했습니다(그림 4).

그림 4: SGP30 다중 가스 센서는 온도 제어 마이크로 플레이트 및 I²C 인터페이스를 제공하는 단일 칩에 네 개의 감지 소자를 통합합니다. (이미지 출처: Sensirion)

통합에 대한 기대치를 높이기 위해 Sensirion은 SGP30 가스 센서를 SHTC1 습도 및 온도 센서와 결합하여 센서 콤보 모듈 SVM30을 제작했습니다. 여러 감지 소자와 함께 이 모듈에는 아날로그 및 디지털 신호 처리, 아날로그 디지털 컨버터(ADC), 보정 및 데이터 메모리, I²C 표준 모드를 지원하는 디지털 통신 인터페이스가 포함되어 있습니다.

가스 감지 속도

감지 속도는 호흡 분석 및 다른 실시간 대기 모니터링 응용 분야에서 빠르게 변화하는 CO₂ 수준에서 볼 때 다른 걸림돌이 되는 블록입니다. 특히, 배터리 구동 실내 대기 품질 센서의 경우 가스 센서의 샘플링 속도를 크게 높여야 합니다.

Gas Sensing Solutions는 안티몬화 인듐 LED 기술과 광학 설계를 기반으로 하여 SprintIR-WF-20 가스 센서를 제작했습니다. 따라서 움직이는 부품(MEMS)과 가열 필라멘트가 필요하지 않습니다(그림 5). 이 센서는 20rps를 캡처하고 선택적으로 플로 스루 어댑터가 함께 제공됩니다. 또한 SprintIR-WF-20은 세 측정 범위(CO₂ 농도 0% ~ 5%, 0% ~ 20% 및 0% ~ 100%)를 지원합니다. 정확도는 ±70ppm(읽기의 +5%)입니다.

그림 5: SprintIR-WF-20 CO₂ 센서는 플로 스루 또는 확산 구조를 지원하는 옵션이 제공됩니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

이 센서는 간단한 UART 인터페이스를 통해 Zigbee, LoRaWAN, Sigfox, EnOcean과 같은 다양한 무선 IoT 네트워크와 통신합니다. 35mW에서 SprintIR-WF-20은 일반 비파괴 적외선(NDIR) CO₂ 센서보다 훨씬 적은 전력을 소비하고, 3.25V ~ 5.5V로 가동되며, 평균 15mA(최대 100mA) 미만의 전류를 소비합니다. 따라서 SprintIR-WF-20은 웨어러블과 같은 배터리 구동 장치에 적합합니다. 새로운 펌웨어 변경으로 배터리 수명이 연장되고 CO₂ 감지 정확도가 향상됩니다.

가스 센서는 EVKITSWF-20 평가 키트와 함께 제공되므로 설계자는 USB 스틱을 통해 CO₂ 센서를 컴퓨터에 연결하여 센서 데이터 기록을 시작하면 됩니다. USB 스틱에는 자동 설치 평가 소프트웨어가 포함되어 있습니다. 평가 키트에서 개발자가 특정 환경에 맞게 영점을 보정할 수 있지만 대부분의 대기 품질 모니터링 응용 분야에서 자동 보정이 적용됩니다.

결론

IoT 및 IIoT 장치 및 시스템을 위한 가스 감지 장치 설계자들은 기존의 대규모 독립형 설계에서 벗어나고 있습니다. 따라서 IoT 및 클라우드 기반 데이터 수집 및 분석 플랫폼의 기능을 최대한 활용하면서 정확도, 신뢰성 및 응답 시간을 개선하고, 비용 및 전력 소비를 줄일 수 있는 가스 감지 솔루션을 모색해야 합니다. 확인해야 할 다른 핵심 기능으로는 인터페이스 설계, 감지 속도, 농도 범위 등이 있습니다.

위에서 살펴본 바와 같이 설계자의 요구 사항을 충족하면서 배터리 구동 장치의 요구 사항인 소형 폼 팩터에 향상된 감지 기능을 손쉽게 통합할 수 있는 여러 솔루션이 있습니다. 여기에는 대기 품질 모니터링 설계를 효율적으로 구성하거나 재구성하는 데 필요한 보정 기능과 업데이트 가능한 펌웨어가 포함됩니다. 이러한 가스 센서를 클라우드 연결과 함께 사용하여 설계자는 고도의 하드웨어 및 소프트웨어 지원 에코시스템 내에서 현재와 미래의 IoT 및 IIoT 설계 요구 사항을 충족할 수 있습니다.