Description:

The AiF project, AgaMon, focuses on sensor data analysis methods for respiratory gas analysis.

The main goal of the project is to develop an equipment platform, “AgaMon”, for analyzing human respiratory gas. The first product under this project and based on this platform will be a smartphone adapter that will be used to determine the breath alcohol content.

This adapter will consist of a combined and modular hardware and software system that offsets a highly sensitive metal-oxide gas sensor in temperature-cyclical operation mode and uses this information in a calibration and an evaluation procedure (to be developed) to determine the concentration of the various elements in real-time, specifically the breath alcohol content. The measurement results will be displayed on the smartphone and provided via an appropriate application software that is not part of this project development.

The key elements of the system include electronic hardware, pneumatic sampling, and the calibration and evaluation procedure that allows for efficient transferability of the calibration data from sensor to sensor.

Für das AiF Projekt 3S werden die am IAI entwickelten grundlegenden Verfahren zur Sensordatenauswertung auf die spezielle Problemstellung der Atemgasanalyse übertragen und auf Mehrstoffgemische erweitert.

In verschiedenen Lebenssituationen ist die Kenntnis der ausgeatmeten Luft eines Menschen von Bedeutung. Sei es zur Feststellung des Restalkohols, um die Fahrtüchtigkeit sicher zu stellen, oder nur um zu wissen, dass kein Mundgeruch vorhanden ist. Ersteres ist durch den Einsatz von speziellen Geräten möglich, die sich aber normalerweise nicht im persönlichen Gepäck einer privaten Person befinden. Für die Feststellung von Geruch verursachenden Atemluftbestandteilen gibt es z. Z. keine Geräte auf dem Markt, die für den Privatgebrauch verwendbar sind.

Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer Geräteplattform „AGaMon“ zur Bewertung der menschlichen Atemluft. Als erstes Produkt soll im Rahmen dieses Projektes und auf Basis dieser Plattform ein Adapter für Smartphones zur Bestimmung des Atemalkoholgehaltes entwickelt werden.

Dieser Adapter soll aus einem kombinierten und modularen Hardware- und Softwaresystem bestehen, das einen hochempfindlichen Metalloxid-Gassensor in einen temperaturzyklischen Betriebsmodus versetzt und aus den gewonnenen Messdaten mit einem zu entwickelnden Kalibrier- und Auswerteverfahren in Echtzeit auf die Konzentration einzelner Bestandteile, insbesondere des Alkoholgehalts der Atemluft schließt. Die Ergebnisse der Messung sollen zur Anzeige auf dem Display des Smartphones aufbereitet und in passender Form einer Applikationssoftware, die nicht Bestandteil der Projektentwicklung ist, zur Verfügung gestellt werden.

Die zentralen Elemente des Systems sind die elektronische Hardware, die pneumatische Probenahme und das Kalibrier- und Auswerteverfahren in Verbindung mit einem effizienten Kalibrierverfahren zur batch-weisen Kalibrierung. Im Folgenden werden diese zentralen Elemente näher beschrieben:

1. Gaszuführung

Für eine reproduzierbare Messung ist eine definierte Probennahme Grundvoraussetzung. Im Rahmen des verfolgten Kompaktadapters und unter der Bedingung eines kostengünstigen Gesamtdesigns bleibt nur die Möglichkeit einer passiven Probennahme. Im Verlaufe des Projekts werden hierzu verschiedene Untersuchungen durchgeführt, deren Ergebnis die optimale Platzierung des Sensors im Gasstrom und eine möglichst nutzerfreundliche und auch hygienische Aufgabe der Atemprobe ist. Darauf aufbauend werden die Aspekte der Homogenisierung und einer für mehrere Sekunden konstanten Beaufschlagung des Sensorelementes zur Durchführung des temperaturmodulierten Betriebs adressiert. Da der Consumer-Markt angestrebt wird, muss diese Probennahme einem formschönen Gehäusedesign unterworfen werden und somit ist ein bestmöglicher Kompromiss dieser i. d. R. zuwiderlaufenden Anforderungen zu finden.

2. Elektronisches Hardwaresystem

Die Hardware des Systems ist in punkto low cost, low power, Abtastzeit und Dynamik im Rahmen des Projektes zu entwickeln. Beim Projektpartner 3S liegen Schaltungsvarianten vor, die insbesondere nicht massenfertigungs-tauglich sind, die aber als Ausgangsbasis für die Weiterentwicklung herangezogen werden. Ziel ist es, mit möglichst wenigen Bauteilen alle obigen Forderungen zu erfüllen.

Neben der eigentlichen Betriebs- und Ausleseelektronik für den Metalloxid-Gassensor muss von Anfang an Wert auf eine geeignete Kommunikation der ausgewerteten Daten zum Smartphone gelegt werden, da diese Kommunikationsschnittstelle energieintensiv sein und unter Umständen zu Kompatibilitätsproblemen führen kann. Da es aktuell noch keinen von allen Smartphone-Herstellern genormten Lade- und Kommunikationsstecker gibt, wird auch eine Kommunikation über die Audio/Kopfhörer-Schnittstelle in Betracht gezogen.

3. Firmware

Die zu programmierende Firmware steuert alle internen Messabläufe und fährt die applikationsspezifischen Temperaturprofile an. Sie bildet den Rahmen zur modularen Integration der Auswertealgorithmen.

Sie beinhaltet außerdem ein Kommunikationsmodul, das den softwaretechnischen Transfer der Daten zu einschlägigen Smartphone-Schnittstellen zulässt.

Auch dieses Modul muss spezielle Power-Management-Konzepte beinhalten, z. B. ein automatischer Abschalten nach der Messung sowie eine möglichst kurze Zeitspanne nach dem Einschalten bis zum Vorliegen der Messbereitschaft.

4. Modulare Kalibrier- und Auswertealgorithmen

Um ein Sensorsystem für den Anwendungsfall zu ertüchtigen, muss es zunächst kalibriert werden. Dazu wird das zu untersuchende Gasgemisch an definiert dosierten Kalibrierpunkten, d.h. fest vorgegebenen Einzelkonzentrationen, gemessen. Auf der Basis dieser Messergebnisse wird dann das mathematische Kalibriermodell erstellt. Im KIT wurden im Rahmen von Forschungsprojekten hierzu Konzepte innovativer Verfahren zur Kalibrierung von Gassensoren (Erstellung des mathematischen Kalibriermodell) entwickelt und patentiert. Diese Verfahren werden für das spezielle Anwendungsszenario, für die spezielle zyklische Betriebsweise des Sensorsystems (temperaturmodulierten Signale) und für das im Rahmen dieses Projektes zu untersuchende Gasgemisch weiterentwickelt und angepasst.

Ein Auswerteverfahren muss in der Lage sein mit einem auf der Basis des mathematischen Kalibriermodells ökonomisch, d.h. in Echtzeit und mit geringem Speicherplatz, kalibrierten Sensoren, eine Stoffidentifikation und eine Stoffanalyse durchzuführen. Im KIT wurden im Rahmen von Forschungsprojekten Konzepte innovativer Verfahren zur Auswertung von Sensorsignalen von Gassensoren entwickelt und patentiert. Diese Verfahren werden für das spezielle Anwendungsszenario, für die spezielle zyklische Betriebsweise des Sensorsystems (temperaturmodulierten Signale) und für das im Rahmen dieses Projektes zu untersuchende Gasgemisch weiterentwickelt und angepasst.

Diese Verfahren sollen modular in das Gesamtsystem integriert werden.

5. Kalibrationsstrategie (batch-weise Kalibrierung)

Um eine hinreichende Analysegenauigkeit zu erzielen, muss jeder einzelne Sensor einer Fertigungscharge individuell kalibriert werden. Dazu müssen bisher für alle Sensoren aufwändige Kalibriermessungen durchgeführt werden, um das jeweilige mathematische Kalibriermodell zu erstellen.  Das neu zu entwickelnde Verfahren ermittelt den Referenzsensor für den definierten Anwendungsfall und kann dann über ein mathematisches Verfahren alle zu diesem Referenzsensor passenden Sensoren aus einer Fertigungscharge herausfinden. Für diese müssen dann nicht mehr zeitaufwändig individuelle Kalibriermessungen durchgeführt werden, sondern es können dafür zum Großteil numerisch erzeugte Referenzwerte zur Kalibrierung verwendet werden, mit denen mit Hilfe des in 4. erwähnten Kalibrierverfahrens das jeweilige Sensor-individuelle, mathematische Kalibriermodell erstellt werden kann. Die nicht in das Klassifikationsschema passenden Sensoren werden sofort als fehlerhaft identifiziert und ausgesondert, ohne dass für Sie eine aufwendige Kalibrierung versucht werden muss.

Das zur Messung im Labor und auch im Feldtest prinzipiell geeignete Gesamtsystem (ohne Umsetzung der low-power- oder Kompaktheitsanforderungen)