Aktivní nošení zjišťuje čidlo. Oklikou přes teplotu a vlhkost

Moderní čidla pro měření vlhkosti či teploty už budou tak malá, že je dokážeme osadit prakticky kdekoli a na cokoli. Uživatelům se mohou dostat klidně až do uší, kde si je budou každým dnem dobrovolně vkládat, a vůbec o tom nemusí vědět. Nejrůznějšími senzory dnes v nositelné elektronice snímáme, co nás jen napadne, tak proč svůj záběr ještě více nerozšířit!

Ač to tak na první pohled nemusí vůbec vypadat, informace „vytěžené“ z ucha budou doopravdy užitečné a pomohou nám ještě lépe hospodařit s omezeným množstvím energie. Ale nepředbíhejme. Nejprve se s nepatrnými miniaturami potřebujeme seznámit a teprve pak je budeme schopni spotřebiteli „podsunout“ přesně tam, kam potřebujeme.

Na dvě desetinná místa

Menší snad již nová čidla od společnosti Sensirion být ani nemůžou. Výrobce ve své druhé generaci senzorů vlhkosti SHTW2 [1] opět sází na pouzdra typu WLCSP (Wafer-Level Chip-Scale Package) a rozhodně má co nabídnout.

Řešení je založeno na firemní technologii CMOSens®, která na jediném čipu přináší kompletní senzor, včetně rychlého rozhraní I²C. Se svým okolím tak sdílí pouhé čtyři vývody pro napájení, zem, takt SCL až 400 kHz a samozřejmě sériová data SDA. Rozměry pouzdra se ve výsledku podařilo snížit na úctyhodných 1,31 × 0,74 × 0,54 mm – zde již má vyjádření na dvě místa své opodstatnění. Oproti srovnatelným senzorům vlhkosti v pouzdrech typu DFN se totiž s velikostí dostáváme až na jednu sedminu.

Novinka roku 2016 [2], [3] nahrazující dřívější modely SHTW1 je plně kalibrovaná a pokrývá měřicí rozsah vlhkosti 0 až 100 % RH a také teplotní měření od –30 až do +100 °C, to vše s typickou přesností ±3 % pro RH, resp. ±0,4 °C – viz obr. 2. Pracuje ze zdroje 1,8 V a malá bude nejen svými rozměry, ale též spotřebou; při jednom čtení za vteřinu se v nízkopříkonovém režimu dostaneme na 2 μW. Co více si v době nositelné elektroniky a internetu věcí přát!

Zpracováno přímo u zdroje

Senzor vlhkosti, teplotní čidlo, zpracování analogových i číslicových signálů, samozřejmě nezbytný A/D převodník, paměť pro kalibrační data a na závěr ještě komunikační rozhraní I²C pracující v rychlém režimu. I takovým výčtem by se dala popsat stěžejní technologie obvodů SHTW2 s názvem CMOSens® [4], se kterou výrobce běžně šetří nejen místo, ale také náš čas. Vše již dostáváme odladěno a pěkně na jediném čipu přímo z výroby, přesně jak to vidíme na obr. 3. Docela „slabé“ analogové signály zesilujeme a zpracováváme přímo v místě jejich vzniku, a můžeme tak těžit z vyšší odolnosti vůči nežádoucím interferencím.

Pro všechny, kdo si libují v přehledech jednotlivých generací, už jen doplníme, že technologie CMOSens® nejprve řešila samotnou miniaturizaci senzoru, teprve pak mohla přidat zesilovač spolu s A/D převodníkem, ve třetí generaci se vše rozšířilo o linearizace, včetně teplotních kompenzací, zatímco aktuální pořadové číslo čtyři ještě vnáší paměť pro uložení kalibračních dat.

Vynikne až na desce

Abychom s nepatrnými strukturami dokázali smysluplně pracovat, společnost Sensirion počátkem roku 2017 představila rozšiřující desku Xplained Pro Extension Board s dvojicí senzorů SHTW2 určenou pro vývojové kity Microchipu (Atmel) Xplained Pro vyhrazené mikrokontrolérům SAM D20 s jádrem ARM Cortex-M0+, viz obr. 4 [5]. Zájemci ji dostanou např. u distributora, společnosti Mouser Electronics [6].

Od nástavby tohoto druhu očekáváme spolehlivé měření vlhkosti a také teploty, které díky miniaturním čidlům využijeme zejména v nositelné elektronice. A nejen to. S funkcí „On/Off Body Detection“ [7] mohou vývojáři např. vyhodnocovat aktivní nošení a ještě lépe tomu přizpůsobit řízení napájení z omezeného bateriového zdroje. Možností existuje celá řada. V případě sluchátek připojených k chytrému telefonu po jejich odložení třeba automaticky pozastavíme přehrávání hudby a necháme přístroj vyzvánět nahlas. Příklad takového řešení zachycuje obr. 5. Jak to celé funguje?

Nosí, nebo nenosí?

Princip je jednoduchý. Čidla vlhkosti a teploty měří obecně poměry ve svém blízkém okolí. Jakýkoli objekt s odlišnou teplotou nebo vlhkostí, způsobenou kupříkladu pocením, který se dostane do blízkosti takového senzoru, pak získané hodnoty logicky ovlivňuje. Jde tedy jen o to dostat naše malá čidla nenásilným způsobem, např. v již zmiňovaném sluchátku, poblíž kůže svého nositele. Změny zaznamenáme, zpracujeme a vyvodíme z nich správný závěr.

Názorně vše vidíme na obr. 6. Na základě odlišných poměrů „uvnitř a venku“ dostáváme ve výsledku hodnověrný binární signál vynesený zelenou barvou, popisující, zda je zařízení právě používáno, či nikoli. Jak s takovou informací dále naložíme, bude už jen a jen na nás. Vývoji konkrétní aplikace se přehledně věnují přímo stránky výrobce [8]. Rovněž se zde dozvíme více o souvisejících patentových ochranách.

Více než jen čísla

Kompletní řešení měření vlhkosti a teploty s přesným digitálním výstupem dnes nechejme spíše na výrobcích polovodičů.

V případě integrovaných obvodů SHTW2 k tomu totiž firmě Sensirion stačí pouhých 1,31 × 0,74 × 0,54 mm. My se spíše soustředíme na aplikace. S funkcí On/Off Body Detection např. spolehlivě a s minimálním příkonem odlišíme přítomnost lidského těla od jiných objektů, dokážeme na získanou informaci vhodně reagovat a bezkontaktně získaná data z okolního prostředí třeba ještě využijeme i k dalším účelům.