基于物聯網的QCM氣體檢測系統的設計

張 錚，曹守啟，陳佳品

（1.上海海洋大學工程學院，上海201306；2.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海200240）

石英晶體微天平（QCM）是一種高靈敏的質量型傳感器，具有納克級的測量精度；快響應、低噪聲、低成本、制備方便、穩定性好等優勢。被廣泛應用于化學、物理、生物、醫學和表面科學等領域中，可以用于氣體、液體的成分分析以及微質量的測量、薄膜厚度的檢測等[1-4]。隨著半導體技術和物聯網技術的不斷發展，高靈敏度、低成本、低功耗、微型化的有害氣體無線傳感網絡系統引起了廣泛的關注和研究，具有廣闊的應用前景。基于QCM的氣體傳感器以其獨特的優勢正適合于此類應用。目前的QCM測量系統有些采用頻率計等精密儀器，檢測系統體積大，成本高[5-7]；有些測量電路多采用分立器件，設計復雜，系統易受溫度等環境因素影響[8]；有些氣體檢測需要在密閉空間進行，而目前大多數QCM檢測系統采用有線方式傳輸數據，其實用性不高。

文中在現有QCM氣體檢測系統研究的基礎上，采用新型高集成度電子器件設計QCM傳感器，并利用嵌入式技術和Semtech公司的超長距低功耗物聯網技術（LoRa）設計有害氣體的無線分布式傳感系統[9]。QCM測量電路設計同時考慮了差頻檢測和頻率測量的有效性驗證；無線傳感節點可采用電池供電，易于布設于測量空間內部；通過實驗，驗證了本設計的可靠性和有效性。本研究設計的低功耗、低成本、高可靠性的無線氣體檢測系統為QCM技術的實用化提供了一種新思路。

1　QCM工作原理

QCM氣體傳感器由石英基片、鍍銀電極、支架等部分組成，如圖1所示。在石英晶體表面涂抹一層可吸附被測氣體的氣體敏感膜，根據石英晶體微天平的質量敏感原理和Sauerbrey方程，當被測氣體分子吸附在氣體敏感膜上時，敏感膜的質量增加，從而使石英振子的諧振頻率降低。通過測量石英晶體諧振頻率的變化量，來檢測被測氣體的濃度[10]。

圖1　QCM氣體傳感器

2　QCM系統設計

2.1　總體設計

振蕩電路法主要是把晶體諧振器作為阻抗組件放到振蕩回路中，使電路的諧振頻率與晶體的本征諧振頻率相一致，原理和電路設計簡單、成本低，而且實時性很好，但對模擬電路的要求比較高。因此，本系統設計中選擇振蕩電路法作為QCM信號測量的方法。

QCM氣體檢測系統的原理圖如圖2所示，QCM氣體傳感器易受溫度等環境因素的影響，影響測量精度，因此系統增加參比晶振及其振蕩電路。參比晶振表面不涂抹氣體敏感材料，與檢測晶振處于相同的溫度環境下，抑制溫漂等非質量因素影響。檢測晶振和參比晶振分別通過振蕩電路輸出兩路獨體的振蕩信號，經差頻電路得到差頻信號并輸入單片機的計數器引腳進行測量，則兩路信號的頻率差理論上只與被測氣體濃度相關。為了驗證測量數據的有效性和差頻電路抑制溫漂的效果，系統還通過高速計數器電路對振蕩電路的原始輸出信號進行直接測量，以觀察被測信號的溫漂。

圖2　QCM系統原理圖

在一些應用中，被測環境往往是密閉態的或不便于有線接入，因此本系統設計基于LoRa物聯網技術進行無線傳輸。LoRa技術具有長距離無線通信，低功耗，穿透性強，易于擴展等特點，非常適用于設計無線氣體傳感器。

MCU采用意法半導體超低功耗STM32L系列[11]的STM32L051R8，芯片內置64 k字節FLASH，8 k字節SRAM，可運行在32 MHz，其性能完全滿足LoRa無線通信協議運行的需求。

2.2　振蕩電路

QCM振蕩電路的設計采用TI公司的高集成度芯片SN74LVC1404，如圖3所示。

圖3　QCM振蕩電路

SN74LVC1404由兩個非緩沖反向器和一個帶施密特觸發器的反相器組成，正適用于QCM振蕩電路的設計。CTRL可以在系統不工作時禁能振蕩電路，以降低能耗。如圖3所示為由SN74LVC1404設計的皮爾斯振蕩電路原理圖。振蕩電路輸出OSCOUT接入引腳A，經施密特觸發器整形后，獲得較理想的矩形脈沖SCLK。Rs為限流電阻，降低石英晶體的驅動功率，以防止超過石英晶體的容許驅動功率而加速老化或損壞；Rs和C2構成低通濾波器，可減小寄生振蕩；Rs的取值會對波形占空比和工作電流造成影響，如表1所示。RF為反饋電阻，令反相器工作在線性區域而成為高增益的反相放大器，并確保振蕩的發生。

表1　Rs對占空比和工作電流的影響

2.3　差頻電路

差頻處理可以消除環境溫度對諧振頻率的部分影響，D觸發器在一定條件下可實現兩路數字信號的差頻測量，如圖4所示，文中采用sn74lvc1g74單正邊沿D觸發器實現差頻檢測。由研究可知[12-13]，采用正邊沿D觸發器實現差頻，其輸入信號頻率須滿足條件（1）：

則差頻輸出fout=fD-fCLK，因此，檢測晶振輸出SCLK1接CLK引腳，參比晶振輸出SCLK2接D引腳，Q引腳輸出DCLK1為兩路信號的差頻輸出。

圖4　基于D觸發器的差頻電路

2.4　高速計數器電路

為了驗證該差頻設計對于溫漂的抑制效果和差頻測量的有效性；本研究還專門設計了高速計數器采樣電路，其中一路的電路設計如圖5所示，SN74LV8154為雙路16位二進制高速計數器，其可測量信號頻率上限為40 MHz，可將RCOA與CLKBEN引腳連接在一起，再把CLKA與CLKB引腳連接在一起作為高頻信號輸入，從而構成一個32位高速計數器，完全滿足對原始頻率信號SCLK1和SCLK2的測量。

圖5　高速計數器采樣電路

由于單片機的計時精度取決于晶振，因此本系統使用了高精度的恒溫晶振，其頻率溫度穩定性低于0.1ppm。高速計數器與恒溫晶振部分電路僅是出于驗證本研究設計的準確性和有效性的目的，實際應用中可省去。

2.5　LoRa射頻電路

LoRa射頻模塊[14]采用Semtech公司的SX1278器件，該器件工作在433 MHz頻段，采用了LoRa TM擴頻調制跳頻技術，其通信距離，接收靈敏度都遠超現在的FSK、GFSK調制，可以實現-148 dbm的高靈敏度，從而在同等的功耗下取得更遠的無線通信距離。充足的鏈路預算，使其無線通信距離理論上可達5千米以上。且多個傳輸的信號占用同一個信道而不受影響，具有高抗干擾性和最大限度的減小電流功耗。其發射功率+13 dBm時，電流29 mA；接收電流低，典型值11 mA，休眠電流僅0.2 μA。SX1278與MCU通過SPI接口進行數據交互。

2.6　網絡架構

基于LoRa技術的氣體傳感網絡架構如圖6所示[15]，由于無線傳輸距離增加，不需要中繼節點和路由節點的使用，簡化了無線網絡系統的設計。系統包括LoRa氣體傳感器終端節點、LoRa網關、數據庫與遠程終端3部分。其中，LoRa氣體傳感器與LoRa網關組成星形拓撲架構，各個LoRa終端節點采用電池供電。通過QCM傳感器感知環境中被測氣體的變化，并周期性地上傳感知數據。LoRa網關對網絡內所有節點的感知數據進行采集，并將數據存儲到氣體數據庫中?？蒲腥藛T或用戶可通過遠程網絡訪問氣體數據庫中的數據。

圖6　基于LoRa技術的網絡架構

基于LoRa的星型網絡架構與基于Zigbee技術[16]的網狀網絡架構相比，消除了同步開銷和路由轉發，具有最低的通信延遲。LoRa終端節點發送完數據后立即進入休眠狀態，直到下一個數據采集周期才被喚醒，不需要空閑偵聽，因而降低了LoRa終端傳感器節點的功耗，大大延長了LoRa無線氣體檢測系統的網絡壽命。

3　實驗

本實驗所用的石英晶振的基頻是10 MHz±15 ppm，如圖1所示，使用介孔材料NH2-SBA-15作為敏感材料[17]。測試系統包括只有一個進口和出口的封閉氣腔，測試前，涂覆有敏感膜的QCM器件垂直懸掛于充滿氮氣的氣腔中，直至測量頻率穩定；然后以氮氣為載氣，通入甲醛氣體直至響應穩定；最后再次通入氮氣完成脫附過程。通過LoRa無線技術傳輸實驗空間內的QCM傳感器采集的數據。

如圖7所示，傳感器在甲醛濃度為50 ppm時的重復性測試曲線圖；在溫濕度穩定的實驗環境下重復3次通入50 ppm的甲醛氣體，從圖中可以看出每次傳感器的響應值都保持在約800 Hz左右，3次響應和恢復時間近乎相同，分別約為11 s和15 s。每次恢復后都能回到原基線位置。該實驗結果說明了本方案設計的無線QCM氣體傳感器具有良好的可逆性和穩定性。

圖7　重復性測試曲線圖

傳感器在不同濃度甲醛時的測試數據如表2所示；對濃度為10～50 ppm不同的甲醛氣體進行測試并獲取無線感知數據，由表可知，隨著甲醛氣體濃度的增大，響應頻率也隨之增大，在測試量程內具有較好的線性度和靈敏度。

表2　不同濃度時的響應

為了驗證差頻電路對溫度等環境干擾的抑制效果，將參比晶振和檢測晶振處于相同的溫度環境下，通入50 ppm的甲醛氣體，測量參比晶振，檢測晶振和差頻電路的頻率輸出隨溫度的變化情況。

參比晶振和檢測晶振頻率輸出隨溫度變化的曲線分別如圖8所示。

圖8　晶振頻率輸出隨溫度變化圖

參比晶振和檢測晶振的頻率輸出在10～45℃范圍內都隨溫度的升高而降低，溫漂近150 Hz，嚴重影響測量精度和系統的穩定性。

基于D觸發器的差頻輸出與檢測晶振頻率輸出的溫漂對比如表3所示。通過多次實驗觀察，差頻電路輸出在10～45℃范圍內，隨溫度的升高略有升高，僅有15 Hz左右的頻率變化，可見本方案的差頻設計對頻率輸出溫漂有較好的抑制作用。

表3　溫漂對比表

4　結論

本論文設計的無線QCM氣體檢測系統，充分利用新型高集成度電子器件和嵌入式技術，具有功耗低、集成度高、穩定性好等優勢；基于LoRa物聯網技術的數據采集方式有利于QCM傳感器的實用化。通過實驗驗證了差頻電路設計的有效性，以及對溫漂的抑制作用。