本文探討如何利用體積小、功耗低及使用壽命長的感測器，嵌入到強大的工業物聯網（IIoT）解決方案中，藉以提升環境監測的成效。
人們比以往任何時候都更了解我們的環境對周圍事物和我們自己的影響。例如在家工作，有時會在小房間裡工作，這時我們就能夠敏銳地意識到周遭的空氣品質。在這種情況下，二氧化碳（CO2）感測器可以指導何時打開門窗，以避免頭痛、精神功能受損和嗜睡。
工業過程，尤其是化石燃料的燃燒，會將有害氣體和顆粒物（PM）釋放到大氣中。研究顯示，這些氣體對於那些患有肺部疾病或其他長期疾病的人來說影響尤為嚴重。為了解決這個問題，需要準確的量測來幫助確定解決問題的行動計劃，並評估對策的結果。
近年來，半導體製造商在量測技術方面取得了重大進展，提高了檢測揮發性有機化合物（VOC）、顆粒物、氣體、相對濕度和溫度的能力。此外，這種感測器體積小，功耗極低，並且使用壽命長。這使得它們非常適合嵌入到強大的工業物聯網（IIoT）解決方案中。
監測二氧化氮和臭氧
世界衛生組織（WHO）對排放的氣體進行了區分，如二氧化氮（NO2），以及由化學反應產生的臭氧（O3）等。NO2會導致某些呼吸系統疾病，並且在使用內燃機的場景中普遍濃度較高。O3在大氣中會自然形成，保護我們免受有害紫外線的傷害。然而，它在靠近地面的地方被越來越多地量測出來，這會對年輕人、老年人和有呼吸問題的人構成風險。
Mikroe Air Quality 8 Click採用瑞薩電子ZMOD4510預校準數位感測器（圖1），為量測此類氣體提供了順暢的途徑。Quality 8 Click板專為室內和室外作業而設計，透過其3.3V的I2C介面與主機微控制器（MCU）連接。當然，該板可與Mikroe開發板上可用的mikroBUS插座連接，並得到mikroSDK庫的完全支援。
| 圖1 : Mikroe空氣品質8 Click可同時檢測NO2和臭氧，同時消耗的功率小於23mW。該板得到了mikroSDK的完全支援。（source：貿澤電子） |
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ZMOD4510採用與加熱器耦合的矽基微機電系統（MEMS）。它的信號調節電路監控化學電阻，將量測值轉換為數位值。其在連續運行中消耗的功率小於23mW，監測可以精確到十億分之一（ppb）的範圍內。它是生成空氣質量指數（AQI）和臭氧測量值的理想選擇，適用於相對濕度（RH）在5%至90%之間，溫度介於-20°C至50°C之間的環境。
密切關注氣壓和溫度
氣壓感測器可用於檢測智慧空氣過濾器何時達到其使用壽命。它們還內建到氣壓計中以監測天氣狀況。由於溫度感測是一種相對簡單的量測類型，因此氣壓感測器通常將溫度和其他感測選項整合在單個封裝中。意法半導體ILPS22QS雙滿刻度壓力感測器可當成數位輸出氣壓計使用就是這種情況（圖2）。
| 圖2 : ILPS22QS支持絕對氣壓感測，但也可以量測溫度並作為使用者介面運作。（source：貿澤電子） |
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該元件採用微型10腳位HLGA、2 × 2 × 0.73mm封裝，可根據作業模式進行260至1260或4060hPA的絕對量測。它具有溫度補償功能，每秒提供1到200次的24位輸出資料，支援SPI、I2C和MIPI I3CSM。該元件工作電源電壓為1.7至3.6V，其先進先出（FIFO）緩衝器可儲存多達128個量測值。
它內建的類比集線器可在氣壓計、溫度和兩個附加類比輸入之間切換。這些輸入可用作意法半導體的Qvar靜電感測器，透過實施合適的電極，諸如漏水檢測或用戶介面（例如敲擊、按下和滑動）等功能是可能的。在僅關注壓力量測的情況下，電流消耗可低至1.8μA。
IIoT應用的感測器平臺
創新需要時間來評估可用技術的實際效能和局限性。幸運的是，意法半導體STWIN SensorTile無線工業節點等感測器節點簡化了概念驗證開發階段。它內建了不少於九種感測技術，從陀螺儀和運動感測器到磁力計和振動感測器，以及STM32L4R9ZIJ6超低功耗MCU（圖3）。該套件還配備了鋰聚合物（Li-Po）電池、STLink-V3Mini除錯器/程式器和塑料保護外殼。
| 圖3 : STWIN SensorTile內建九種感測器技術、藍牙和RS485連接。擴展板支援Wi-Fi和LTE蜂巢式網路。（source：貿澤電子） |
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在此套件中，藍牙（低功耗）和RS485提供連接，同時使用可選的Wi-Fi和LTE蜂巢式網路擴展板支援無線介面。結合其優化的軟體庫，它很容易內建到基於雲的監控解決方案中，以在適當準備的儀表板中顯示量測和事件檢測。
（本文作者Marcel Consee任職於貿澤電子EMEA經銷團隊）
