【应用】带有安全云连接的空气质量监测器方案，带PM2.5传感器

时间： 2020-01-17 来源：IDT（Renesas收购）

由于雾霾天气的频繁出现,空气质量问题越来越受到居民的重视。得益于物联网的迅猛发展，多种室内空气质量监测产品不断上市，如图1所示，这些装置不但可以在液晶面板上显示当前空气环境质量指数，而且可以将空气质量数据传递在云端，用户通过手机从远端实时掌控房间内空气状况。针对此处的应用，IDT（RENESAS收购）给出了带云连接的空气质量监测器方案，其系统原理如图2所示。

图1. 家用空气质量监测器图2. 带安全云连接的空气环境质量监测器系统框图

如图2所示，该方案由电源电路、MCU主控、LCD显示、通讯、传感器等部分组成，各部分实现方案和功能描述如下：

电源电路单元

充电管理

该方案采用锂电池供电，外置USB接口，通过ISL9301管理整个充电过程。ISL9301针对单锂离子/聚合物电池具有完整的充电过程管理，具有1%的充电电压输出精度，可编程充电电流，可编程充电结束电流，用于热保护的充电电流折返，对深度放电的电池进行涓流充电，VIN管脚最大28V电压，电源和充电指示等功能，且内置断开电池开关。其工作环境温度为-40~＋85℃，适合民用和工业环境。

MCU 3.3V供电和传感器5V供电

MCU 3.3V供电采用单路输出低压差稳压器（LDO）ISL80505芯片，该芯片输出电流高达500 mA，工作时输入电压为1.8 V ~ 6 V，输出电压可以通过电阻编程在0.8 V ~ 5.5 V设置，并提供±1.8％VOUT的输出精度。具有可编程输出软起动时间，限流保护功能等。工作温度范围-40~＋125℃，可在苛刻的环境中应用。

对于某些要5V供电的传感器需，该方案中采用ISL9113升压芯片将3.3V升压到5V来实现。ISL9113输入电压范围为0.8V-4.7V，最大可提供500mA的输出电流能力(VBAT=3.0V,VOUT=5.0V)。轻载时，装置进入跳跃模式，静态电流消耗仅20μA（典型值），能有效的延长空气质量监测器电池使用时间。效率最高可达95%，十分适合电池供电的应用。另外，ISL9113具有欠压锁定功能，可在输入电压低于特定电压时，闭锁转换器，防止电池过度放电。工作温度范围-20~＋85℃。

主控MCU单元

如图1所示。MCU一方面负责实时的采集PM2.5传感器、HS3001 温湿度传感器、ZM0D4410 气体传感器数据，一方面负责对采集的数据进行运算处理，交给LCD显示，并通过WIFI实时传递到云端。对于主MCU该方案推荐S5D9系列微控制器，该类芯片采用带浮点单元的Arm Cortex-M4内核，拥有高达2MB代码闪存和64KB的数据闪存，以及640KB SRAM，最高运行频率高达120MHz，同时集成2D绘图引擎，图形LCD控制器，无需外部图形帧缓冲存储器便可直接驱动TFT LCD显示屏。同时具有10路带FIFO的串行通讯接口，3路I2C接口，2路CAN总线接口等。具有专业的片上安全特性，包括生成和安全存储对称和非对称加密技术使用的密钥的能力、真随机数发生器(TRNG)和特殊的内存保护功能，以增强物联网系统的安全性。

传感器单元

HS3001是一款高精度、完全校准的温湿度传感器，其相对湿度精度±1.5%RH，14位分辨率0.01%RH，测量湿度反应时间6S；温度精度±0.2ºС，在空气质量监测器中，该传感器与MCU通过I2C接口通讯，另外该传感器功耗极低，平均功耗仅1uA(@（每秒一次RH + T测量，8位分辨率，1.8V电源)，十分适合电池供电设备应用。

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