Validation of cyber-physical systems in gas sensor measurements

Abstract

In this thesis a cyber-physical system for gas sensor measurements was constructed. In the design implementation, two different approaches were taken; we created a device for calibrating and testing the sensors and another device acting as independent battery-powered measurement platform. Both systems are compatible with a separate circuit (sensor)board coupled within the sensors. This board supports both commercial Taguchi-type and custom sensors. In addition, the circuit (sensor)board includes optional heater circuits for gas sensors as well as a separate temperature and humidity sensor.

The devices utilize Arduino-based microcontrollers and a Raspberry Pi single board computer which were programmed to execute the specified functions. According to the nature of cyber-physical system, devices are able to save the data to a memory card and upload it to internet using the selected cloud service.

In order to validate the specified functionality of the devices, gas sensors were fabricated by inkjet-printing platinum decorated tungsten(VI) oxide nanoparticles onto a substrate. The substrate was then wire bonded to a dual in-line package-compatible chip carrier. Test measurements and sensor calibration were carried out in a custom test chamber in hydrogen gas environment.

Tässä työssä valmistettiin kyberfyysinen järjestelmä kaasusensorimittauksille. Suunniteltu toteutus sisältää kaksi lähestymistapaa; yksi laite sensoreiden kalibrointiin ja testaukseen sekä toinen akkukäyttöinen, itsenäisenä mittausalustana toimiva laite. Sensorit sijoitettiin erilliselle piirilevylle joka oli yhteensopiva molempien järjestelmien kanssa. Tämä sensorikortti tukee sekä kaupallisia Taguchi-tyyppisiä sensoreita että itsetehtyjä sensoreita. Se sisältää myös valinnaiset lämmityspiirit kaasusensoreille sekä erillisen lämpötila- ja kosteussensorin.

Laitteet hyödyntävät Arduino-pohjaisia mikrokontrollereita sekä Raspberry Pi -pienoistietokonetta jotka ohjelmointiin toteuttamaan vaaditut toiminnot. Noudattaen kyberfyysisien järjestelmien luonnetta laitteet tallentavat mittausdatan muistikortille ja lähettävät datan valittuun pilvipalveluun.

Toiminnallisuuden todentamiseksi valmistettiin kaasusensoreita platinalla päällystetyistä wolframitrioksidi -nanopartikkeleista. Partikkelit tulostettiin substraatille mustesuihkutulostimella ja lankabondattiin dual in-line package-yhteensopivaan välikappaleeseen. Mittaukset tehtiin erikoisvalmisteisessa testikammiossa vetykaasussa.