センサモジュールの実装

著者 ヨーロッパ人編集者

Digi-Keyのヨーロッパ担当編集者 の提供

モノのインターネット(IoT)は、消費者やビジネスのための多くの新しいアプリケーションとサービスを可能にすることを約束しています。私たちは消費者としてIoTが家庭で使用されるのを徐々に目の当たりにし始めている一方で、多くの専門家は、最も有益を受ける部門は、産業用モノのインターネット(IIoT)というフレーズが人気になっている製造業部門であると考えています。すべてのIoTベースのアプリケーションと同様に、IIoTを実現させるために、多くの場合にリモートセンサやアクチュエータがIIoTアプリケーションで使用されるでしょう。IIoTは、これまで不可能であった規模で製造とプロセス操作のデータ可視化をもたらします。加えて、予知保全体制の実行が完全に適合する製造で使用される機器の効率および性能が示されます。このようなアプリケーションに使用されるセンサは、シンプル、小型で、受動および/または半導体コンポーネントである可能性がある一方で、それらが機能する必要がある産業環境は極度の温度、振動および湿気にさらされます。このような状態で動作できるセンサとエッジノードデバイスを迅速に配置する必要があるため、IoT開発者の多くは、センサを設計に統合するためのモジュールベースのアプローチを採用しています。 

ディスクリートアプローチの使用に関連する課題を考慮し、モジュールを使用するための複数の理由があります。たとえば、温度測定は、周囲温度に応じて変化する接合電圧を生成するために抵抗と直列に接続された負温度係数(NTC)サーミスタによって達成することができます。その結果得られる接合電圧は、ホストマイクロコントローラのA/Dコンバータ(ADC)、および温度を計算するために使用される式によって読み取ることができます。しかし、NTCサーミスタの温度/抵抗特性は線形ではなく、動作温度範囲にわたって最適な線形化が求められます。また、温度補償とドリフト特性を適用する必要があります。ホストマイクロコントローラによって実行されるこの追加の処理は、より多くのMCUリソースを必要とし、製造中に各エンドセンサデバイスを較正する必要があります。もう1つの主要な考慮事項は、必要なコンポーネントが環境要因から保護されることを確保するためにNTC抵抗をカプセル化するのに使用されるパッケージングです。

Sensirion SHT35温度および湿度センサの画像

図1:SHT35温度および湿度センサ。

対照的に温度モジュールがあり、その例としてSensirionSHT35デジタル温度および湿度センサがあります(図1)。この面実装低電力デバイスはわずか2.5 x 2.5 x 0.9mmの寸法で、2.4〜5.5VDCの電源電圧で動作し、消費電流は測定中にわずか800μA、スリープ中に最小0.2μAです。この小型パッケージ内に取り囲まれているのが、湿度を測定するための静電容量式センサと、温度用のバンドギャップセンサです。このセンサは-40〜+125°C、0〜+100%の相対湿度で測定できます。完全に較正されたデジタル出力を提供するセンサ素子は、信号処理回路と、+/- 0.3°Cの温度精度、+/- 2%の相対湿度を備えた14ビットADCに接続されます。

ホストマイクロコントローラとのSensirion SHT35通信の図

図2:ホストマイクロコントローラとのSHT35通信。

ホストマイクロコントローラとの通信を図2に示します。これは、プルアップ抵抗とデカップリングコンデンサの追加を最小限に抑え、I2Cシリアルインターフェースを介して達成されます。温度と湿度の測定は、図3に示すコマンドを使用して行われます。センサデータが読み取られると、2バイトに加えて1バイトCRCチェックサム(グレーブロック)として送信されます。

Sensirion SHT3xシングルショットモード測定コマンドの画像

図3:SHT3xシングルショットモード測定コマンド。

SHT3xシリーズを使用したセンサ設計の試作を支援するために、ブレイクアウトスタイルの評価ボードが利用できます。Adafruitが製造したボードにより、センサをArduinoまたは対応プラットフォームに素早く簡単に接続できます。Arduino Sketchコード例とともにSHT3xにインターフェースするための詳細なガイドは、こちらからご覧いただけます。

デジタル温度および湿度センサのもう1つの例は、BoschBME280です。これは、絶対気圧センサも含む、金属蓋を備えた完全に囲まれたLGAパッケージデバイスです。低消費電力プロファイルと非常にコンパクトな寸法を備えたBME280は、産業用オートメーション制御からパーソナルフィットネスモニタに至るまで、幅広いバッテリ駆動のポータブルアプリケーションでの使用に適しています。図4は、BME280の機能ブロック図を示しています。

Bosch BME280センサの機能ブロック図

図4:組み合わされた湿度、圧力および温度センサであるBosch BME280の機能ブロック図。

センサアナログおよびデジタルブロックを、アプリケーション要件に応じて、1.7〜3.6VのDC電源から、および1.2〜3.6Vの別のデジタルインターフェース電源から給電できます。SPIインターフェースとI2Cインターフェースの両方がサポートされており、センサは3つの異なるパワーモードで動作することができます。ホストMCUは測定をトリガすることができるか、またはセンサはあらかじめ決められたレートでそれらを自動的に提供することができます。消費電力はスリープで最小0.1μA、スタンバイで0.2μAで、圧力測定中に最大714μAです。3つのセンサ動作モードは、スリープモード、強制モード、およびノーマルモードです。スリープのデフォルトのスタートアップモード中に、ADCの動作はなく、すべてのレジスタがアクセス可能です。

Bosch BME280センサモード移行の図

図5:BME280センサモード移行の図。

強制モードは、ホストマイクロコントローラからのSPIまたはI2Cリクエストを通して呼び出され、1回の測定が行われます。結果は保存され、センサはスリープに戻ります。ノーマルモードで、継続的サイクルの測定が行われ、結果が保存され、センサはスリープに戻ります。

BME280のデータシートには、動作モード、シリアル通信、および測定結果レジスタへのアクセス方法の詳細が記載されています。このドキュメントでは、気象モニタリングからゲーミングに及ぶ、さまざまなアプリケーション使用事例向けに推奨されるいくつかのセンサセットアッププロファイルも提供しています。これらは、各種の異なるアプリケーション向けに、省電力、サンプリングレート、ノイズフィルタリングおよびデータ出力レートの最適なバランスを提供します。

BME280をベースとした設計の試作を希望する技術者は、図6に示すAdafruit BME280センサブレイクアウトボードを試すことが推奨されます。

組み合わされたセンサブレイクアウトボードのAdafruit BME280の画像

図6:組み合わされたセンサブレイクアウトボードのAdafruit BME280。

Adafruitは、こちらからダウンロード可能な、センサと動作させるための詳細なガイドを提供します。このガイドには、AdafruitのGitHubリポジトリから利用できるArduino BME280ライブラリへのリンクや、Arduino UNOまたは対応シングルボードコンピュータへのインターフェースが含まれます。図7は、ライブラリとともに提供されるBME280テストスケッチからのコードスニペットを示しています。これは、画像の上部で、ArduinoへのSPIピン接続の割り当てと、画像の下部で、ライブラリを使用すると値の読み取りがいかにシンプルであるかを示します。

Adafruit BME280テストスケッチからのコードスニペット

図7:Adafruit BME280テストスケッチからのコードスニペット。

差圧センサは、ガスボイラ、燃料電池およびHVACシステムなどの多くの産業用アプリケーションで一般的に使用されているもう1つのタイプです。例として、大量アプリケーションで空気または非侵襲性ガスの圧力を測定するように設計されたSensirion SDP8xxファミリがあります。SDP810センサは、0.1Paの精度で、+/- 500Paの圧力範囲を測定できるデジタル差圧センサです。ホストMCUとの通信は、I2Cインターフェースを介して行われます。図8は、センサの機能ブロック図および画像を示しています。

Sensirion SDP810のブロック図および画像

図8:Sensirion SDP810のブロック図および画像。

図9に示すように、差圧センサを使用してガスの流量を測定することができます。この例では、主通路または管を通る流れを計算するためにバイパス流が使用されます。測定は、体積流量(l/min)または質量流量(標準立方センチメートル/分)としてレポートできます。この後者のケースは、基準点が特定の温度および圧力での加熱アプリケーションにおいて一般的に使用されます。

差圧センサでのSensirion流量測定の図

図9:差圧センサでの流量測定。

BME280センサと同様に、SDP810はトリガまたは連続動作モードで動作できます。シンプルなプロトコルは、I2Cバスにわたるコマンドシーケンスを構築するために使用されます。また、SDP810センサのバージョンであるSDP816が利用でき、アナログ出力を提供します。アナログ出力は、差圧に対する線形関係となるように、または平方根変換として構成することができます。

結論

この記事では、幅広い産業用アプリケーション向けに設計されたセンサモジュールのごく一部を取り上げました。ディスクリートアプローチによってもたらされる課題に対処するのではなく、デジタルセンサモジュールで設計することで、開発チームは多くの時間と労力を節約することができます。

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