基于物联网的QCM气体检测系统的设计

2018-06-11曹守启陈佳品

电子设计工程 2018年11期

张铮，曹守启，陈佳品

（1.上海海洋大学工程学院，上海201306；2.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240）

石英晶体微天平（QCM）是一种高灵敏的质量型传感器，具有纳克级的测量精度；快响应、低噪声、低成本、制备方便、稳定性好等优势。被广泛应用于化学、物理、生物、医学和表面科学等领域中，可以用于气体、液体的成分分析以及微质量的测量、薄膜厚度的检测等[1-4]。随着半导体技术和物联网技术的不断发展，高灵敏度、低成本、低功耗、微型化的有害气体无线传感网络系统引起了广泛的关注和研究，具有广阔的应用前景。基于QCM的气体传感器以其独特的优势正适合于此类应用。目前的QCM测量系统有些采用频率计等精密仪器，检测系统体积大，成本高[5-7]；有些测量电路多采用分立器件，设计复杂，系统易受温度等环境因素影响[8]；有些气体检测需要在密闭空间进行，而目前大多数QCM检测系统采用有线方式传输数据，其实用性不高。

文中在现有QCM气体检测系统研究的基础上，采用新型高集成度电子器件设计QCM传感器，并利用嵌入式技术和Semtech公司的超长距低功耗物联网技术（LoRa）设计有害气体的无线分布式传感系统[9]。QCM测量电路设计同时考虑了差频检测和频率测量的有效性验证；无线传感节点可采用电池供电，易于布设于测量空间内部；通过实验，验证了本设计的可靠性和有效性。本研究设计的低功耗、低成本、高可靠性的无线气体检测系统为QCM技术的实用化提供了一种新思路。

1　QCM工作原理

QCM气体传感器由石英基片、镀银电极、支架等部分组成，如图1所示。在石英晶体表面涂抹一层可吸附被测气体的气体敏感膜，根据石英晶体微天平的质量敏感原理和Sauerbrey方程，当被测气体分子吸附在气体敏感膜上时，敏感膜的质量增加，从而使石英振子的谐振频率降低。通过测量石英晶体谐振频率的变化量，来检测被测气体的浓度[10]。

图1　QCM气体传感器

2　QCM系统设计

2.1　总体设计

振荡电路法主要是把晶体谐振器作为阻抗组件放到振荡回路中，使电路的谐振频率与晶体的本征谐振频率相一致，原理和电路设计简单、成本低，而且实时性很好，但对模拟电路的要求比较高。因此，本系统设计中选择振荡电路法作为QCM信号测量的方法。

QCM气体检测系统的原理图如图2所示，QCM气体传感器易受温度等环境因素的影响，影响测量精度，因此系统增加参比晶振及其振荡电路。参比晶振表面不涂抹气体敏感材料，与检测晶振处于相同的温度环境下，抑制温漂等非质量因素影响。检测晶振和参比晶振分别通过振荡电路输出两路独体的振荡信号，经差频电路得到差频信号并输入单片机的计数器引脚进行测量，则两路信号的频率差理论上只与被测气体浓度相关。为了验证测量数据的有效性和差频电路抑制温漂的效果，系统还通过高速计数器电路对振荡电路的原始输出信号进行直接测量，以观察被测信号的温漂。

图2　QCM系统原理图

在一些应用中，被测环境往往是密闭态的或不便于有线接入，因此本系统设计基于LoRa物联网技术进行无线传输。LoRa技术具有长距离无线通信，低功耗，穿透性强，易于扩展等特点，非常适用于设计无线气体传感器。

MCU采用意法半导体超低功耗STM32L系列[11]的STM32L051R8，芯片内置64 k字节FLASH，8 k字节SRAM，可运行在32 MHz，其性能完全满足LoRa无线通信协议运行的需求。

2.2　振荡电路

QCM振荡电路的设计采用TI公司的高集成度芯片SN74LVC1404，如图3所示。

图3　QCM振荡电路

SN74LVC1404由两个非缓冲反向器和一个带施密特触发器的反相器组成，正适用于QCM振荡电路的设计。CTRL可以在系统不工作时禁能振荡电路，以降低能耗。如图3所示为由SN74LVC1404设计的皮尔斯振荡电路原理图。振荡电路输出OSCOUT接入引脚A，经施密特触发器整形后，获得较理想的矩形脉冲SCLK。Rs为限流电阻，降低石英晶体的驱动功率，以防止超过石英晶体的容许驱动功率而加速老化或损坏；Rs和C2构成低通滤波器，可减小寄生振荡；Rs的取值会对波形占空比和工作电流造成影响，如表1所示。RF为反馈电阻，令反相器工作在线性区域而成为高增益的反相放大器，并确保振荡的发生。

表1　Rs对占空比和工作电流的影响

2.3　差频电路

差频处理可以消除环境温度对谐振频率的部分影响，D触发器在一定条件下可实现两路数字信号的差频测量，如图4所示，文中采用sn74lvc1g74单正边沿D触发器实现差频检测。由研究可知[12-13]，采用正边沿D触发器实现差频，其输入信号频率须满足条件（1）：

则差频输出fout=fD-fCLK，因此，检测晶振输出SCLK1接CLK引脚，参比晶振输出SCLK2接D引脚，Q引脚输出DCLK1为两路信号的差频输出。

图4　基于D触发器的差频电路

2.4　高速计数器电路

为了验证该差频设计对于温漂的抑制效果和差频测量的有效性；本研究还专门设计了高速计数器采样电路，其中一路的电路设计如图5所示，SN74LV8154为双路16位二进制高速计数器，其可测量信号频率上限为40 MHz，可将RCOA与CLKBEN引脚连接在一起，再把CLKA与CLKB引脚连接在一起作为高频信号输入，从而构成一个32位高速计数器，完全满足对原始频率信号SCLK1和SCLK2的测量。

图5　高速计数器采样电路

由于单片机的计时精度取决于晶振，因此本系统使用了高精度的恒温晶振，其频率温度稳定性低于0.1ppm。高速计数器与恒温晶振部分电路仅是出于验证本研究设计的准确性和有效性的目的，实际应用中可省去。

2.5　LoRa射频电路

LoRa射频模块[14]采用Semtech公司的SX1278器件，该器件工作在433 MHz频段，采用了LoRa TM扩频调制跳频技术，其通信距离，接收灵敏度都远超现在的FSK、GFSK调制，可以实现-148 dbm的高灵敏度，从而在同等的功耗下取得更远的无线通信距离。充足的链路预算，使其无线通信距离理论上可达5千米以上。且多个传输的信号占用同一个信道而不受影响，具有高抗干扰性和最大限度的减小电流功耗。其发射功率+13 dBm时，电流29 mA；接收电流低，典型值11 mA，休眠电流仅0.2 μA。SX1278与MCU通过SPI接口进行数据交互。

2.6　网络架构

基于LoRa技术的气体传感网络架构如图6所示[15]，由于无线传输距离增加，不需要中继节点和路由节点的使用，简化了无线网络系统的设计。系统包括LoRa气体传感器终端节点、LoRa网关、数据库与远程终端3部分。其中，LoRa气体传感器与LoRa网关组成星形拓扑架构，各个LoRa终端节点采用电池供电。通过QCM传感器感知环境中被测气体的变化，并周期性地上传感知数据。LoRa网关对网络内所有节点的感知数据进行采集，并将数据存储到气体数据库中。科研人员或用户可通过远程网络访问气体数据库中的数据。

图6　基于LoRa技术的网络架构

基于LoRa的星型网络架构与基于Zigbee技术[16]的网状网络架构相比，消除了同步开销和路由转发，具有最低的通信延迟。LoRa终端节点发送完数据后立即进入休眠状态，直到下一个数据采集周期才被唤醒，不需要空闲侦听，因而降低了LoRa终端传感器节点的功耗，大大延长了LoRa无线气体检测系统的网络寿命。

3　实验

本实验所用的石英晶振的基频是10 MHz±15 ppm，如图1所示，使用介孔材料NH2-SBA-15作为敏感材料[17]。测试系统包括只有一个进口和出口的封闭气腔，测试前，涂覆有敏感膜的QCM器件垂直悬挂于充满氮气的气腔中，直至测量频率稳定；然后以氮气为载气，通入甲醛气体直至响应稳定；最后再次通入氮气完成脱附过程。通过LoRa无线技术传输实验空间内的QCM传感器采集的数据。

如图7所示，传感器在甲醛浓度为50 ppm时的重复性测试曲线图；在温湿度稳定的实验环境下重复3次通入50 ppm的甲醛气体，从图中可以看出每次传感器的响应值都保持在约800 Hz左右，3次响应和恢复时间近乎相同，分别约为11 s和15 s。每次恢复后都能回到原基线位置。该实验结果说明了本方案设计的无线QCM气体传感器具有良好的可逆性和稳定性。