物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 前景光明，將為消費(fèi)者和企業(yè)提供多種全新的應(yīng)用和服務(wù)。作為消費(fèi)者，我們注意到 IoT 正緩步進(jìn)入千家萬戶，但許多專家認(rèn)為最大的獲利者將是制造業(yè)，因?yàn)檫@一行業(yè)中，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 一詞已經(jīng)廣為流行。和所有基于 IoT 的應(yīng)用一樣，它實(shí)質(zhì)上由常見的遠(yuǎn)程傳感器和致動器構(gòu)成，可切實(shí)發(fā)揮 IIoT 的作用。IIoT 將實(shí)現(xiàn)規(guī)模空前的有關(guān)制造和流程操作的數(shù)據(jù)可見性。另外，它將顯示制造設(shè)備的能效和性能數(shù)據(jù)，再輔以預(yù)測性維護(hù)機(jī)制，將達(dá)到相得益彰的效果。用于此類應(yīng)用的傳感器可能是簡單、小型、無源和/或半導(dǎo)體元器件，但這些元器件所在的工業(yè)環(huán)境中存在著極端溫度、振動和濕度的影響。由于需要快速部署可在上述條件中正常工作的傳感器和邊緣節(jié)點(diǎn)設(shè)備，眾多 IoT 開發(fā)人員采用了基于模塊的方法將傳感器集成到各自的設(shè)計(jì)中。

鑒于分立解決方案存在的各種挑戰(zhàn)，模塊有理由成為優(yōu)先之選。例如，溫度測量可以通過將負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻與電阻器串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)，以便產(chǎn)生的結(jié)電壓能夠隨環(huán)境溫度而變化。然后，產(chǎn)生的結(jié)電壓可以由主微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 進(jìn)行讀數(shù)，并利用公式計(jì)算溫度。但 NTC 熱敏電阻的溫度/電阻具有非線性特征，需要在整個工作溫度范圍內(nèi)進(jìn)行最佳擬合線性化。此外，還需考慮溫度補(bǔ)償和漂移特性。主微控制器額外執(zhí)行的處理過程需要占用更多的 MCU 資源，且所有終端傳感器都應(yīng)在制造期間完成校準(zhǔn)。用于密封 NTC 電阻器的封裝是另一個主要考慮因素，需要確保所需元器件免受環(huán)境影響。

圖 1： SHT35 溫度和濕度傳感器。

相較于上述方案，我們可以采用溫度模塊，現(xiàn)以 Sensirion 的 SHT35 數(shù)字溫度和濕度傳感器為例（圖 1）。這款表面貼裝低功耗設(shè)備尺寸僅為 2.5 x 2.5 x 0.9 mm，在 2.4 至 5.5 VDC 供電電壓下工作，測量時電流消耗僅為 800 μA，休眠模式下電流低至 0.2 μA。小型封裝內(nèi)置測量濕度的電容式傳感器和測量溫度的帶隙傳感器。這種傳感器可以測量的溫度范圍為 -40 至 +125°C，相對濕度范圍為 0 至 +100%。由于提供完全校準(zhǔn)的數(shù)字輸出，傳感器元件可連接到信號處理電路與一個 14 位 ADC，其中 ADC 的溫度和相對濕度精度分別達(dá)到 +/- 0.3°C 和 +/- 2%。

圖 2： SHT35 與主微控制器通信。

圖 2 所示為與主微控制器的通信過程。兩者通過 I2C 串行接口實(shí)現(xiàn)通信，只需增加極少的上拉電阻器和去耦電容器。溫度和濕度測量需要使用圖 3 指定的命令。傳感器數(shù)據(jù)一經(jīng)讀取，將以兩個字節(jié)加上單字節(jié) CRC 校驗(yàn)和（灰色模塊）的形式傳輸。

圖 3： SHT3x 單步運(yùn)算模式測量命令。

如果要使用 SHT3x 系列協(xié)助傳感器的原型設(shè)計(jì)，分線式評估板是一個不錯的選擇。這款評估板由 Adafruit 推出，可讓傳感器簡單快速地連接到 Arduino 或兼容平臺。有關(guān)連接到 SHT3x 的詳細(xì)指南和 Arduino Sketch 代碼示例，請點(diǎn)擊此處。

Bosch BME280 是另一個數(shù)字溫度和濕度傳感器的例子。這是一款全封閉 LGA 封裝設(shè)備，具有金屬頂蓋，還配備一個絕對氣壓傳感器。藉由低功耗設(shè)計(jì)和極其緊湊的尺寸，BME280 適用于多種電池供電的便攜式應(yīng)用，從工業(yè)自動化控制到個人健身監(jiān)測設(shè)備，不一而足。圖 4 為 BME280 功能框圖。

圖 4： 結(jié)合濕度、壓力和溫度傳感器的 Bosch BME280 功能框圖。

傳感器模擬和數(shù)字模塊可由 1.7 至 3.6 V 的 DC 電源和 1.2 至 3.6 V 的獨(dú)立數(shù)字接口電源提供，具體取決于應(yīng)用要求。傳感器支持 SPI 和 I2C 接口，且能夠以三種不同的功耗模式工作。主 MCU 可觸發(fā)測量功能，或讓傳感器以預(yù)先確定的速率自動測量。功耗在休眠模式下低至 0.1 μA，待機(jī)模式為 0.2 μA，而壓力測量期間最高可達(dá) 714 μA。三種傳感器工作模式為休眠、強(qiáng)制和普通。默認(rèn)模式為休眠模式，在此模式下，將無任何 ADC 操作，且所有寄存器均可訪問。

圖 5： BME280 傳感器模式轉(zhuǎn)換示意圖。

強(qiáng)制模式通過主微控制器發(fā)出 SPI 或 I2C 請求才能調(diào)用，且每次僅執(zhí)行一次測量。保存測量結(jié)果之后，傳感器恢復(fù)到休眠模式。普通模式可持續(xù)執(zhí)行多次測量，保存測量結(jié)果之后，傳感器恢復(fù)到休眠模式。

BME280 上的規(guī)格書詳細(xì)解釋了工作模式、串行通信和訪問測量結(jié)果寄存器的方法。另外，本文檔還專門針對不同應(yīng)用使用案例推薦了一些傳感器設(shè)置配置文件，應(yīng)用領(lǐng)域從天氣監(jiān)測到游戲，一應(yīng)俱全。這些設(shè)置配置文檔讓各種不同應(yīng)用的功率節(jié)省、采樣率、噪聲過濾和數(shù)據(jù)輸出率各方面達(dá)到了最佳平衡狀態(tài)。

對于希望基于 BME280 進(jìn)行原型設(shè)計(jì)的工程師，建議嘗試 Adafruit BME280 傳感器分線板，如圖 6 所示。

圖 6： Adafruit BME280 結(jié)合式傳感器分線板

Adafruit 提供詳細(xì)的傳感器使用指南，點(diǎn)擊此處即可下載。使用指南包括連接 Arduino UNO 或兼容性單板計(jì)算機(jī)的方法，另外還提供 Arduino BME280 庫（從 Adafruit GitHub 存儲庫獲取）的鏈接。圖 7 顯示 BME280 測試草圖（由庫提供）代碼片段。圖片上方重點(diǎn)介紹將 SPI 引腳連接分配到 Arduino 的方法，而圖片下方突出顯示使用庫讀取數(shù)值的簡單之處。

圖 7： Adafruit BME280 測試草圖代碼片段。

差壓傳感器是燃?xì)忮仩t、燃料電池和 HVAC 系統(tǒng)等眾多工業(yè)應(yīng)用中另一種常見的傳感器類型。以 Sensirion SDP8xx 系列為例，這款傳感器專門用于測量大容量應(yīng)用的空氣或非腐蝕性氣體的壓力。SDP810 傳感器是一款數(shù)字差壓傳感器，可以測量 +/- 500 Pa 范圍內(nèi)的氣壓，精度高達(dá) 0.1 Pa。通過 I2C 接口實(shí)現(xiàn)與主 MCU 的通信。圖 8 為功能框圖和傳感器圖片。

圖 8： Sensirion SDP810 框圖和圖片。

差壓傳感器可用于測量氣體流速，如圖 9 所示。在此示例中，旁路氣流用于計(jì)算通過主要通道或管道的氣流。報(bào)告測量結(jié)果時可使用容積流量 (l/min) 或質(zhì)量流量（每分鐘標(biāo)準(zhǔn)立方厘米）。其中后者通常用于加熱應(yīng)用中，基準(zhǔn)點(diǎn)為特定溫度和氣壓。

圖 9： 使用差壓傳感器進(jìn)行流量測量

和 BME280 傳感器一樣，SDP810 可以在觸發(fā)或持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的模式下工作。在 I2C 總線構(gòu)建命令序列過程中，可使用簡單協(xié)議。我們還提供了 SDP810 傳感器的 SDP816 版本，該版本可實(shí)現(xiàn)模擬輸出。模擬輸出可以配置為與差壓呈線性關(guān)系，或者平方根轉(zhuǎn)換。

結(jié)論

本文僅涉及到一小部分用于各種工業(yè)應(yīng)用的傳感器模塊。由于無需應(yīng)對分立方案存在的挑戰(zhàn)，使用數(shù)字傳感器模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)可以為開發(fā)團(tuán)隊(duì)節(jié)省大量的時間和精力。