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工程师的便携式空气质量监控站 ——ZMOD4510-EVK评估套件评测
发布时间:2021-04-08
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工程师的便携式空气质量监控站 ——ZMOD4510-EVK评估套件评测
发布时间:2021-04-08
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      随着科技的进步,人们的生活日新月异,近乎每天都会有不同的科技产品走入人们的世界,但是在科技进步与技术改革的背后,环境保护逐渐地进入人们的视线,工厂的自动化生产,汽车的尾气排放,化石燃料的燃烧,无时无刻不在影响着我们的生活。如南极的臭氧空洞,大城市的雾霾无一不在向我们预示着空气的重要性。空气的质量与我们的生活息息相关,而作为一个工程师该怎样去了解室外空气的状态呢?答案就是本期的主题,来自IDT的一款室外空气质量传感器评估套件ZMOD4510-EVK。

      简单的来说一下IDT,IDT公司主要致力于为推动全球网络智能信息包处理提供专用通信集成电路产品。2019 年 3 月30日,瑞萨电子完成了对IDT的收购,基于两家公司互补的产品线开始进行布局,打造更全面的应用解决方案。因此,ZMOD4510-EVK是瑞萨半导体的产品方案。

      ZMOD4510-EVK室外空气质量评估套件是为瑞萨ZMOD4510室外空气质量传感器模块而搭建的评估套件,ZMOD5410室外空气质量传感器可以用于反馈空气质量指数(AQI)。其主要的原理是通过室外空气流经传感器后,通过特定的微机电系统将空气的质量反馈成电阻,再通过相应的算法计算出当前环境下的空气质量,过程中主要应用了最新的混合金属氧化物技术来实现气到电转换,进而实现对微气体的快速并准确的检测,配合MEMS(微机电系统)形成单芯片,高灵敏度,高稳定性的空气质量传感器。
     使用USB连接线于电脑相连接,就可以在Windows PC的软件端上轻松获得室外空气的质量监测。根据美国环境保护署的标准化室外空气评级标准,将传感器测量出的氮氧化物(NOx)和臭氧(O3)的测量浓度与标准进行比较,即可以得出当前的室外空气质量。

     相较于其他的空气质量检测设备来说瑞萨ZMOD4510-EVK有着更加明显的优势,首先由于使用混合金属氧化物技术,配合MEMS实现小体积,单芯片的空气质量检测方案,经过15年的可靠性测试,传感器依然稳定运行。混合金属氧化物技术还带了灵敏度的提升和避免了环境硅氧烷的污染。瑞萨ZMOD4510出厂时均经过精密且严谨的校准,每个传感器均由规定浓度的二氧化氮进行校准,即使是不同批次的产品也拥有稳定一致的性能。

测评视频:

    下面我来开始进行ZMOD4510-EVK室外空气质量传感器套件的实物介绍,想要自己动手DIY的空气质量相关设备的小伙伴可需要看仔细了!

     首先是外包装,采用抽出式的打开方法,正面的文字描述了内部套件的每个部分,最下面的网页地址是关于这个模块的资料。

    外包装就先告一段落,打开我们的套件,首先映入眼帘的是两张说明书。

     首先的一张是ZMOD4510-EVK 室外空气质量传感器套件的快速开始指南。一共有四页,这样比较方便我们认知平台。在第一页中,向我们提供的信息是相关的软件以及文档的下载地址,在idt.com/ZMOD4510-EVK的网站。

    第二页向我们描述了整套的硬件连接以及FTDI驱动的安装以及把USB线插上。

    第三页告诉我们在网页下载到的软件中,我们需要选择相应的模块,这次的就是 ZMOD4510-Outdoor Air Quality。

    第四页是软件部分的具体界面以及使用ZMOD4510-EVK 室外空气质量传感器套件进行采集空气质量的数据。

     总的来说,简单的四页纸已经包含整个套件的使用过程,可谓是简单明了。在idt.com/ZMOD4510-EVK的网站还有一份更为详细的套件使用文档,如果对于使用有疑惑的小伙伴可以通过这份文档进行了解!

     该是正主ZMOD4510-EVK室外空气质量传感器的套件登场的时候了。由三部分组成,一根Micro USB线(长度2米以上),一块Gas sensor ZMOD4510传感器板,以及一块HiCom V3.0的连接板,整体的思路就是通过将传感器板插在HiCom连接板上,在通过USB线与电脑主机相连接,这样就完成了整个评估套件的搭建。

    下面我们来简单的看下板卡的组成结构。那么我们来看Sensor板,Gas sensor ZMOD4510传感器板的结构十分简单,主要的器件只有3个,ZMOD4510传感器,一颗去耦电容,一个防呆的牛角座接插件。

    也正是这样简单的套件居然可以完成空气质量的采样,这也是得益于MEMS(微机电系统)的发展,将复杂的空气质量评估系统封装在3.0 × 3.0 × 0.7 mm这样小结构里。14PIN的接口定义如下,使用到的只有1,5,6,7,10,14一共有6根pin,分别对应的电源VDD,GND,以及I2C接口的SCL和SDA,另外两个分别用于中断的INT和复位的RES_N。

      同样的,接口的PIN也基本等于ZMOD4510芯片的管脚数。芯片上一共12根管脚。除了接口上的定义的,基本上都是电源和地。接口真的是非常的简单,迷你的尺寸,简单的结构,大大降低了对空气质量测量的复杂度,即便是一名新手工程师也能十分容易的基于ZMOD4510完成一个空气质量的项目设计。

     ZMOD4510的工作温度在-40°C 至 65°C,基本上涵盖了大部分场景的工作环境,电源的供应部分从1.7V到3.6V宽电压输入,无需在系统中准备特定的电源供应。3.0*3.0*0.7mm的12-LGA封装,为设备的小型化带来可能,结构简单,测量准确,可以说是空气质量的评估工具中十分不错的选择,整体的应用框图可以看下图。

     目前瑞萨提供两种型号的器件(ZMOD4510AI1V、ZMOD4510AI1R)购买,区别只是包装方式。

     接下来介绍HiCom 板,相较于ZMOD4510 Sensor Board来说HiCom board则要复杂一些,不过整体来说也不会令人疑惑,属于通俗易懂的那种板子。

正面的部分主要是接口和电源的选择,以及一个测量传感器模块耗电的接口。如下图:

  • USB线通过X1进行电脑与评估模块的连接。
  • D1用于反馈USB电源的状态。
  • K2用来选择内部供电还是外部供电。
  • R19用调整内部供电的电压值,调整范围1.7V至3.6V。
  • D3则是内部供电的状态指示灯。
  • V ext部分则是外部供电的接口。
  • K3是从Sensor 接口处延申出来的接口用于与外部控制器相连接。
  • K1是用来协助测量传感器模块所消耗的电流。
  • D2 LED用来反馈传感器的状态。


    板卡的背面是供电部分和USB通信部分的电路。供电部分使用的是LP38692可调的LDO,USB通信这是使用FT2232可编程的USB转串行接口的成熟方案。剩下几颗IC则是转换电压用的Level shift电平转换芯片。

    把板卡连接起来,再与电脑相连。这里笔者用了普通micro UBS数据线替换原装超长线,也是可行的。

    打开idt.com/ZMOD4510-EVK的网站下载相关的文档以及软件。

    按照手册进行软件环境的搭建。

     需要注意解压缩的路径,整套软件是基于Python实现的,IDT将Python的程序进行打包,变成可以执行的exe文件,如果解压的路径有中文路径,那么就会提示库缺失无法找到。

     我们将压缩包解压到纯英文的路径里即可正常启动程序。

    我们选择当前的评估环境,ZMOD4510 – Outdoor Air Quality。点击OK。

    选择OK后,就会打开软件环境点击Start sensor准备开始采集数据。

    这时会弹出一个对话框用于指定所采集数据保存的文件。点击保存后软件会自动寻找设备并开始采集。

     可以从log框中看见软件部分已经自动找到了ZMOD4510 评估套件。软件会开始自动采集,可以通过Algorithm Result部分看见当前的空气质量,但是软件相对来说可调整的部分比较少,无法指定测量的频率周期等信息。

      随着测量时间的增加,log上可以看见测量的时间以及数据。并且会同步在下面的数轴上进行描点的表示,形成趋势方便分析。

      比如笔者所在的环境,数值变化不大,空气质量指数在100左右。

     对比EPA提供的空气质量指数水平,笔者所处的空气质量不是很好,后期可能考虑买个空气净化器提升下生活品质。

总结:   

     本期的ZMOD4510-EVK室外空气质量传感器套件测评基本到这里就要结束了,下面再简单的总结一下吧。ZMOD4510是MEMS技术的结晶,将复杂的空气质量评估方案集成在3*3毫米的封装内,为空气质量评估设备带来小型化、易实现的成熟方案。集成的评估模块与软件可以使开发人员快速了解ZMOD4510的性能以及实现。为后面的方案设计打下良好的基础。对ZMOD4510模块感兴趣的话可以访问idt.com/ZMOD4510-EVK官方网站进行了解。

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