張 錚，曹守啟，陳佳品

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

石英晶體微天平（QCM）是一種高靈敏的質(zhì)量型傳感器，具有納克級(jí)的測(cè)量精度；快響應(yīng)、低噪聲、低成本、制備方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)。被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、物理、生物、醫(yī)學(xué)和表面科學(xué)等領(lǐng)域中，可以用于氣體、液體的成分分析以及微質(zhì)量的測(cè)量、薄膜厚度的檢測(cè)等[1-4]。隨著半導(dǎo)體技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，高靈敏度、低成本、低功耗、微型化的有害氣體無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)引起了廣泛的關(guān)注和研究，具有廣闊的應(yīng)用前景。基于QCM的氣體傳感器以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)正適合于此類應(yīng)用。目前的QCM測(cè)量系統(tǒng)有些采用頻率計(jì)等精密儀器，檢測(cè)系統(tǒng)體積大，成本高[5-7]；有些測(cè)量電路多采用分立器件，設(shè)計(jì)復(fù)雜，系統(tǒng)易受溫度等環(huán)境因素影響[8]；有些氣體檢測(cè)需要在密閉空間進(jìn)行，而目前大多數(shù)QCM檢測(cè)系統(tǒng)采用有線方式傳輸數(shù)據(jù)，其實(shí)用性不高。

文中在現(xiàn)有QCM氣體檢測(cè)系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，采用新型高集成度電子器件設(shè)計(jì)QCM傳感器，并利用嵌入式技術(shù)和Semtech公司的超長(zhǎng)距低功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（LoRa）設(shè)計(jì)有害氣體的無(wú)線分布式傳感系統(tǒng)[9]。QCM測(cè)量電路設(shè)計(jì)同時(shí)考慮了差頻檢測(cè)和頻率測(cè)量的有效性驗(yàn)證；無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)可采用電池供電，易于布設(shè)于測(cè)量空間內(nèi)部；通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可靠性和有效性。本研究設(shè)計(jì)的低功耗、低成本、高可靠性的無(wú)線氣體檢測(cè)系統(tǒng)為QCM技術(shù)的實(shí)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(cè)氣體的氣體敏感膜，根據(jù)石英晶體微天平的質(zhì)量敏感原理和Sauerbrey方程，當(dāng)被測(cè)氣體分子吸附在氣體敏感膜上時(shí)，敏感膜的質(zhì)量增加，從而使石英振子的諧振頻率降低。通過(guò)測(cè)量石英晶體諧振頻率的變化量，來(lái)檢測(cè)被測(cè)氣體的濃度[10]。

圖1　QCM氣體傳感器

2　QCM系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1　總體設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低，而且實(shí)時(shí)性很好，但對(duì)模擬電路的要求比較高。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇振蕩電路法作為QCM信號(hào)測(cè)量的方法。

QCM氣體檢測(cè)系統(tǒng)的原理圖如圖2所示，QCM氣體傳感器易受溫度等環(huán)境因素的影響，影響測(cè)量精度，因此系統(tǒng)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(cè)晶振處于相同的溫度環(huán)境下，抑制溫漂等非質(zhì)量因素影響。檢測(cè)晶振和參比晶振分別通過(guò)振蕩電路輸出兩路獨(dú)體的振蕩信號(hào)，經(jīng)差頻電路得到差頻信號(hào)并輸入單片機(jī)的計(jì)數(shù)器引腳進(jìn)行測(cè)量，則兩路信號(hào)的頻率差理論上只與被測(cè)氣體濃度相關(guān)。為了驗(yàn)證測(cè)量數(shù)據(jù)的有效性和差頻電路抑制溫漂的效果，系統(tǒng)還通過(guò)高速計(jì)數(shù)器電路對(duì)振蕩電路的原始輸出信號(hào)進(jìn)行直接測(cè)量，以觀察被測(cè)信號(hào)的溫漂。

圖2　QCM系統(tǒng)原理圖

在一些應(yīng)用中，被測(cè)環(huán)境往往是密閉態(tài)的或不便于有線接入，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行無(wú)線傳輸。LoRa技術(shù)具有長(zhǎng)距離無(wú)線通信，低功耗，穿透性強(qiáng)，易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，非常適用于設(shè)計(jì)無(wú)線氣體傳感器。

MCU采用意法半導(dǎo)體超低功耗STM32L系列[11]的STM32L051R8，芯片內(nèi)置64 k字節(jié)FLASH，8 k字節(jié)SRAM，可運(yùn)行在32 MHz，其性能完全滿足LoRa無(wú)線通信協(xié)議運(yùn)行的需求。

2.2　振蕩電路

QCM振蕩電路的設(shè)計(jì)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(gè)非緩沖反向器和一個(gè)帶施密特觸發(fā)器的反相器組成，正適用于QCM振蕩電路的設(shè)計(jì)。CTRL可以在系統(tǒng)不工作時(shí)禁能振蕩電路，以降低能耗。如圖3所示為由SN74LVC1404設(shè)計(jì)的皮爾斯振蕩電路原理圖。振蕩電路輸出OSCOUT接入引腳A，經(jīng)施密特觸發(fā)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(qū)動(dòng)功率，以防止超過(guò)石英晶體的容許驅(qū)動(dòng)功率而加速老化或損壞；Rs和C2構(gòu)成低通濾波器，可減小寄生振蕩；Rs的取值會(huì)對(duì)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(qū)域而成為高增益的反相放大器，并確保振蕩的發(fā)生。

表1　Rs對(duì)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(huán)境溫度對(duì)諧振頻率的部分影響，D觸發(fā)器在一定條件下可實(shí)現(xiàn)兩路數(shù)字信號(hào)的差頻測(cè)量，如圖4所示，文中采用sn74lvc1g74單正邊沿D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)差頻檢測(cè)。由研究可知[12-13]，采用正邊沿D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)差頻，其輸入信號(hào)頻率須滿足條件（1）：

則差頻輸出fout=fD-fCLK，因此，檢測(cè)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(hào)的差頻輸出。

圖4　基于D觸發(fā)器的差頻電路

2.4　高速計(jì)數(shù)器電路

為了驗(yàn)證該差頻設(shè)計(jì)對(duì)于溫漂的抑制效果和差頻測(cè)量的有效性；本研究還專門設(shè)計(jì)了高速計(jì)數(shù)器采樣電路，其中一路的電路設(shè)計(jì)如圖5所示，SN74LV8154為雙路16位二進(jìn)制高速計(jì)數(shù)器，其可測(cè)量信號(hào)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(hào)輸入，從而構(gòu)成一個(gè)32位高速計(jì)數(shù)器，完全滿足對(duì)原始頻率信號(hào)SCLK1和SCLK2的測(cè)量。

圖5　高速計(jì)數(shù)器采樣電路

由于單片機(jī)的計(jì)時(shí)精度取決于晶振，因此本系統(tǒng)使用了高精度的恒溫晶振，其頻率溫度穩(wěn)定性低于0.1ppm。高速計(jì)數(shù)器與恒溫晶振部分電路僅是出于驗(yàn)證本研究設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和有效性的目的，實(shí)際應(yīng)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(kuò)頻調(diào)制跳頻技術(shù)，其通信距離，接收靈敏度都遠(yuǎn)超現(xiàn)在的FSK、GFSK調(diào)制，可以實(shí)現(xiàn)-148 dbm的高靈敏度，從而在同等的功耗下取得更遠(yuǎn)的無(wú)線通信距離。充足的鏈路預(yù)算，使其無(wú)線通信距離理論上可達(dá)5千米以上。且多個(gè)傳輸?shù)男盘?hào)占用同一個(gè)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(fā)射功率+13 dBm時(shí)，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(guò)SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2.6　網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于LoRa技術(shù)的氣體傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖6所示[15]，由于無(wú)線傳輸距離增加，不需要中繼節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的使用，簡(jiǎn)化了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)包括LoRa氣體傳感器終端節(jié)點(diǎn)、LoRa網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)庫(kù)與遠(yuǎn)程終端3部分。其中，LoRa氣體傳感器與LoRa網(wǎng)關(guān)組成星形拓?fù)浼軜?gòu)，各個(gè)LoRa終端節(jié)點(diǎn)采用電池供電。通過(guò)QCM傳感器感知環(huán)境中被測(cè)氣體的變化，并周期性地上傳感知數(shù)據(jù)。LoRa網(wǎng)關(guān)對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到氣體數(shù)據(jù)庫(kù)中。科研人員或用戶可通過(guò)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)氣體數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。

圖6　基于LoRa技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于LoRa的星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與基于Zigbee技術(shù)[16]的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，消除了同步開銷和路由轉(zhuǎn)發(fā)，具有最低的通信延遲。LoRa終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送完數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到下一個(gè)數(shù)據(jù)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(jié)點(diǎn)的功耗，大大延長(zhǎng)了LoRa無(wú)線氣體檢測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)壽命。

3　實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)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(cè)試系統(tǒng)包括只有一個(gè)進(jìn)口和出口的封閉氣腔，測(cè)試前，涂覆有敏感膜的QCM器件垂直懸掛于充滿氮?dú)獾臍馇恢校敝翜y(cè)量頻率穩(wěn)定；然后以氮?dú)鉃檩d氣，通入甲醛氣體直至響應(yīng)穩(wěn)定；最后再次通入氮?dú)馔瓿擅摳竭^(guò)程。通過(guò)LoRa無(wú)線技術(shù)傳輸實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)的QCM傳感器采集的數(shù)據(jù)。

如圖7所示，傳感器在甲醛濃度為50 ppm時(shí)的重復(fù)性測(cè)試曲線圖；在溫濕度穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下重復(fù)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(yīng)值都保持在約800 Hz左右，3次響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間近乎相同，分別約為11 s和15 s。每次恢復(fù)后都能回到原基線位置。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了本方案設(shè)計(jì)的無(wú)線QCM氣體傳感器具有良好的可逆性和穩(wěn)定性。

圖7　重復(fù)性測(cè)試曲線圖

傳感器在不同濃度甲醛時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示；對(duì)濃度為10～50 ppm不同的甲醛氣體進(jìn)行測(cè)試并獲取無(wú)線感知數(shù)據(jù)，由表可知，隨著甲醛氣體濃度的增大，響應(yīng)頻率也隨之增大，在測(cè)試量程內(nèi)具有較好的線性度和靈敏度。

表2　不同濃度時(shí)的響應(yīng)

為了驗(yàn)證差頻電路對(duì)溫度等環(huán)境干擾的抑制效果，將參比晶振和檢測(cè)晶振處于相同的溫度環(huán)境下，通入50 ppm的甲醛氣體，測(cè)量參比晶振，檢測(cè)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(cè)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(cè)晶振的頻率輸出在10～45℃范圍內(nèi)都隨溫度的升高而降低，溫漂近150 Hz，嚴(yán)重影響測(cè)量精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

基于D觸發(fā)器的差頻輸出與檢測(cè)晶振頻率輸出的溫漂對(duì)比如表3所示。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)觀察，差頻電路輸出在10～45℃范圍內(nèi)，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(shè)計(jì)對(duì)頻率輸出溫漂有較好的抑制作用。

表3　溫漂對(duì)比表

4　結(jié)論

本論文設(shè)計(jì)的無(wú)線QCM氣體檢測(cè)系統(tǒng)，充分利用新型高集成度電子器件和嵌入式技術(shù)，具有功耗低、集成度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)；基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集方式有利于QCM傳感器的實(shí)用化。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了差頻電路設(shè)計(jì)的有效性，以及對(duì)溫漂的抑制作用。