基于WIA-PA的HSE系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2．1 傳感器模塊
傳感器模塊負(fù)責(zé)采集環(huán)境參數(shù)，主要對(duì)環(huán)境溫度、環(huán)境濕度和綜合空氣質(zhì)量進(jìn)行采集。溫度傳感器采用ADT7301ARMZ，通過SPI與MCU通信；濕度傳感器和綜合空氣質(zhì)量傳感器分別采用HIH-4010-003和QS-01，均為模擬輸出，通過ADC輸入到MCU。以上傳感器的數(shù)據(jù)由MCU讀取后，再由MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理。
ADT7301ARMZ是一款高度集成的高精度數(shù)字溫度傳感器芯片，提供全量程標(biāo)定的數(shù)字輸出。該傳感器包含一個(gè)帶隙材料制成的溫度敏感元件、一個(gè)13位ADC轉(zhuǎn)換器和一個(gè)串行接口電路。串口電路兼容SPI、QSPI、MICROWIRE協(xié)議和DSPs，可以很方便地與其他微處理器／微控制器直接通信。傳感器工作溫度范圍為-40～155℃，轉(zhuǎn)換精度為±0．5℃。此外，ADT7301ARMZ也有著較寬的工作電壓(2．7～5．5 V)，提供待機(jī)模式，待機(jī)模式下電流低至1μA，非常適合電池供電和低功耗工業(yè)測(cè)量應(yīng)用。
HIH-4010-003濕度傳感器為內(nèi)置信號(hào)處理單元、經(jīng)激光修正的熱固聚合物電容式感應(yīng)元件，感應(yīng)元件采用多層結(jié)構(gòu)，使傳感器對(duì)大多數(shù)應(yīng)用環(huán)境中的不利因素(如潮濕、多塵、臟污、油類和普通化學(xué)環(huán)境)具備良好的抵抗性能。HIH-4010-003工作濕度為0％RH～100％RH；在典型工作電壓5 V下，工作電流僅為200μA，功耗低，典型響應(yīng)時(shí)間為5 s，響應(yīng)速度快；輸出接近線形，穩(wěn)定而且漂移低。傳感器在標(biāo)定數(shù)據(jù)的最佳擬合曲線下輸出精度為±3．5％RH。為了使得傳感器輸出模擬量能夠轉(zhuǎn)換為具有實(shí)際意義的物理量，同時(shí)還要獲得上述精度，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)變換處理和溫度補(bǔ)償修正處理?？梢杂萌缦鹿剑瑢@得的輸出值轉(zhuǎn)換為實(shí)際濕度值：
Sensor_RH=(R-Zero_offset)／θ
Real_RH=(Sensor_RH)／(1．054 6--0．002 16T)
式中，Sensor_RH為計(jì)算所得濕度值；Real_RH為實(shí)際空氣濕度值；R為輸出電壓值；Zero_offset為零點(diǎn)漂移；θ為輸出電壓隨濕度變化的斜率；T為溫度值。
HIH-4010-003的標(biāo)定數(shù)據(jù)分別為：Zero_offset為0．958 V、θ為30．680 mV／％RH。
QS-01是一種二氧化錫半導(dǎo)體氣體傳感器，對(duì)氣態(tài)的空氣污染(如香煙、氨氣、酒精、硫化氫、一氧化碳、氫氣、VOCs等)有很高的靈敏度，響應(yīng)時(shí)間快，功耗低。室內(nèi)空氣污染存在許多潛在重要來源，大致有如下幾個(gè)：首先是燃燒附屬產(chǎn)物，主要指在采暖和烹飪過程中產(chǎn)生的附屬物，包括一氧化碳、硫化物以及各類碳?xì)浠衔?；其次是各種揮發(fā)性有機(jī)物，主要來源于室內(nèi)潮濕陰暗角落、空氣交換設(shè)備以及建材輔料等；最后就是各種煙草煙霧。由此可見，QS-01對(duì)于室內(nèi)常見的各種污染源有著很好的檢測(cè)覆蓋率，能夠有效地響應(yīng)各種室內(nèi)常見污染。

QS-01作為一款綜合空氣質(zhì)量傳感器，容易受到環(huán)境變化的影響，輸出電阻也很容易變動(dòng)，因此需要定期在潔凈大氣環(huán)境中進(jìn)行輸出電阻(RS)的“0”點(diǎn)更新。使用QS-01來表示傳感器感度的時(shí)候，通常對(duì)比“0”點(diǎn)和空氣污濁時(shí)輸出電阻(Rs)的變化率來表示，也就是說，以檢測(cè)相對(duì)值來度量空氣質(zhì)量。同時(shí)，傳感器對(duì)溫濕度也有一定的依賴性，如圖3所示。我們以相對(duì)值來度量空氣質(zhì)量，前提是溫濕度等條件不變，所以當(dāng)溫濕度變化落差大時(shí)，為了得到較為精確的結(jié)果，需要進(jìn)行一定的溫濕度補(bǔ)償計(jì)算。QS-01傳感器對(duì)于各種不同氣體敏感性也不一樣，如圖4所示。因此，在某些特殊場(chǎng)合(例如污染氣體比較單一)，可以選取不同擬合曲線來比較精確地獲取當(dāng)前場(chǎng)合實(shí)際的空氣污染程度。

QS-01是以輸出電阻來顯示空氣污染程度的，但是直接讀取傳感器的輸出阻值(Rs)會(huì)比較困難，所以通常是讀取R(負(fù)載輸出電壓)，以電壓變動(dòng)來衡量空氣質(zhì)量：
Rs=(Vc÷R-1)×RL
式中，Rs為傳感器電阻值；Vc為供電電壓；RL為輸出負(fù)載；R為負(fù)載輸出電壓。