低功耗无线烟雾报警器的设计

低功耗无线烟雾报警器的设计

陈欢,蒲威

赛特威尔电子股份有限公司，浙江省宁波市315000

摘要：目前，随着经济的发展，国内外独立式烟雾报警器产品功耗较高、电池使用寿命一般为2～4年，传统的烟雾报警器个体之间不能互相通信，或依赖于WIFI等网络通信。在WIFI不覆盖的区域发生火情后，其他环境中的人们不能第一时间知情，延误疏散及救援，因而有必要使报警器之间互联互通，提高效率。新一代烟雾报警器的2个重要指标要求具有超低功耗和无线通信的性能，从而保障有效工作时长和火情报警可靠性。

关键词：低功耗；无线；烟雾报警器；设计

引言

我国列车的吞吐量比较大，旅客数量众多，列车乘务员却相对少，而列车车厢环境很繁杂，必然就有许多能够引起火灾发生的因素存在，比如乘客在乘客室和卫生间等地方就可以有意或无意将易燃物品引燃，从而引发火灾，火灾发生影响将相当严重。因而及时地发现车厢内的火灾情况是确保乘客安全乘车的一个非常重要的环节。此外，如果机械装置发生故障，或者电气系统出现故障，以及设备或电缆过热的话也都会使火灾发生。如今技术的发展十分迅速，这就使愈来愈多大功率的电气设备出现在旅客列车上，一旦这些设备出现了故障，就会给火灾提供巨大的能量。为了能够防患于未然，减少列车上由于火灾造成的人力、物力、财力方面的损失，有一套合理的火灾报警系统尤为重要。

1系统设计

低功耗无线烟雾报警器主要由两大部分组成：第一部分是以RE46C190为处理器核心，其外设由烟雾传感器、电源模块、低电量检测、声音报警、指示灯模块组成，实现单个报警器的运行。第二部分是以CC1310为控制器核心，控制整个系统处于最优低功耗的状态，且实现多个报警器的互联互通。RE46C190处理器采集烟雾传感器的数据后，再把分析出来的火情信号发送给CC1310控制器，进而使附近其他报警器进行联动报警。

烟雾传感器以10s周期性采集环境烟雾特征参数，采集电路工作10s后把数据发送给RE46C190处理器进行数据处理，若分析结果有火情则发生持续声音报警和指示灯变红，若没有火情则无声光报警。电源模块给整个系统提供3V电压，当电量不足2%时，低电量检测系统以86s为周期检测出过低压，蜂鸣器发出滴滴间断报警，指示灯红色闪亮。为节省电量和超低功耗工作，CC1310控制器控制RE46C190处理器通过烟雾传感器采集数据，如果传感器的阈值高于预设，则会唤醒RE46C190处理器和CC1310控制器，发出报警同时进行无线传输，使多个系统互联互通。系统硬件结构如图1所示。

图1系统硬件结构图             图2正常和火情的检测室状态

1.1光电式烟雾传感器

CX-1086光电式烟雾传感器的侧边安装有一对发光受光器件，具有一定倾斜角度。因光的直线传播特性，在正常情况下，受光器件是接收不到发光器件发出的光的，故不产生光电流。发生火情，烟雾进入检测室时，由于烟粒子的作用，使发光器件发射的光产生漫射，这种漫射光被受光器件接收，使受光器件的阻抗发生变化，产生光电流，从而实现烟雾信号转变为电信号，RE46C190处理器收到信号，判断是否超出阈值，达到火情条件则发出报警。检测室状态如图2所示。

1.2 RE46C190

RE46C190是一款低压低电流可编程光电烟雾探测芯片。其电路将为光电烟雾探测器提供所需的所有功能，并且外部元件极少。工作电压在2.0～5.5V，低静态电流，可编程系统，集成蜂鸣器驱动，可联网并且含有报警存储器，低电池检测和迷宫测试。升压调节器可确保在低电池条件下红外二极管和喇叭的正常运行。处于待机模式时，器件会每隔86s检查一次是否存在电池低电量条件，每隔43s检查一次探测腔是否完好。RE46C190器件框图如图3所示。

图3  RE46C190器件框图

1.3 CC1310及无线传输

本设计中处理器需要的功能具有无线通信功能，最重要的是工作功耗要尽可能小。经查阅资料，最终选定TI公司的超低功耗无线微控制器（MCU）中的CC1310高性能器件。无线波段选择的是433M，具有国际免授权、低频设计、波长较长的特点。传输过程中，对障碍物的干扰和衍射能力效果较好，适合在火情多发的小区或多障碍物存在的区域使用。主要逻辑如下：初始条件下CC1310的主MCU、RF射频内核和外设都是关闭的，只有传感器采样单元独立于上述三者进行工作，从外部的传感器模块（此时烟雾传感器和RE46C190处理器看作是传感器模块）进行采样。如果传感器模块的阈值高于预设，则会唤醒主MCU，主MCU会进行相应的操作并对RF射频内核进行初始化，否则会继续采样。主MCU通过发送TX命令对RF射频内核进行操控，RF射频内核接收到数据后会自动进行数据的传送处理，并把传输数据返还给主MCU。当发射完成后主MCU会关闭RF射频内核，回到省电状态。

1.4电源模块及低电量检测

采用小体积，大容量的松下电池CR123A，额定电压3V，单颗容量1400mAh，电池低电量监测由RE46C190控制，芯片会每隔86s检查一次是否存在电池低电量，条件设置点为2%。低电量时蜂鸣器断续滴滴响和指示灯闪亮，提醒控制人员该节点需要更换电池。

1.5声音报警及指示灯

蜂鸣器选用了电磁式3V一体耐高温有源蜂鸣器TMB12A03。因芯片的IO直驱蜂鸣器可能导致芯片供电电流不足导致蜂鸣器的声音过小，故利用NPN型三极管8050的开关特性。指示灯电路选用了LED灯作为发光源，工作电流小，功耗低，可以由芯片IO口直接驱动，电路简洁。

2系统的软件设计

主要通过微处理器的软件编程来具体实现无线烟雾监测报警系统的功能，软件设计主要的包括烟雾探测器，集中报警主机，还有本地报警分机以及手持式的修改车号器四个组成部分。其中，烟雾探测器选用ATMEGA8L作为它的一个主要控制芯片，而各地的报警分机、集中报警主机和手持式的车号修改器采用ATMEGA128L微处理器作为主控芯片。软件使用的开发平台选择的是ATMEL公司无偿供给的一款AVＲStudio软件，它既支持仿真调试也支持下载。编程软件采用的是方便移植、易模块化、具有良好可读性的C语言来进行嵌入式程序的设计，其流程框图如图4所示。

图4系统的软件流程

2.1基于DTU模块的无线烟雾报警系统底层软件设计

设计基于DTU模块的无线烟雾报警系统底层软件时要满足以下几点功能：能够采集传感器调理电路输出的高低电平信号；能够完成DTU模块的初始化；能够按一定的通信协议发送烟雾传感器输出的报警信号。STM32时钟初始化功能模块主要功能：把外部8Mhz的晶振时钟经PLL锁相环倍频到72Mhz，此时钟即为STM32的系统时钟；SMT32IO口初始化用于把采集烟雾传感器报警信号的IO口设置为带上拉电阻的输入工作模式。当传感器有报警信号时，此端口读入的信号为高电平，当一切正常时，此端口读入的为低电平。

DTU模块初始化用于初始化DTU模块的工作状态，这里，DTU工作与服务器模式，数据透明传输。底层软件判断DTU模块联网正常后开始读取烟雾传感器的报警状态，并把报警状态加入设计好的通信协议里面，通过STM32的串口发送到DTU模块，DTU模块再转化为WIFI信号通过互联网发送到用户终端。实现烟雾传感器的报警信息的远程传输。

2.2基于DTU模块的无线烟雾报警系统手机APP应用软件设计

本文设计的基于DTU模块的无线烟雾报警系统手机APP应用软件时基于Android系统的。能够实现与底层终端的联网功能；能够接收底层终端通过网络发送的报警信息；能够解析通信协议，获取烟雾传感器的报警状体；能够直观、实时显示烟雾传感器的报警状态。手机APP应用软件联网时，在软件中已经设置好了默认的服务器IP地址和端口号，打开APP后，点击“开启”按钮，如果联网成功，会显示“已连接！”用于提示联网成功。联网成功后，在点击“开始”按钮之前，由于没有获取到烟雾传感器的报警信息，此时显示“暂无数据”。当点击“开始”按钮后，如果有报警信息，则显示“有火警警报！”；如果没有报警信息，则显示“正常！”。

3系统抗干扰措施

3.1电源设计

实践证明，单片机死机现象大多数是由电源干扰造成的。电源做得好坏，直接影响整个电路的抗干扰能力的好坏，因此，提高电源系统的供电质量，对确保单片机安全可靠运行是非常重要的。在每块印制电路板的电源与地之间并接去耦电容，即5~10uF电解电容和一个0.01~0.1uF的电容，这可以消除电源线和地线中的脉冲电流干扰。每个芯片的电源线和地线间要加旁路电容，并尽量靠近芯片，一般选用0.01~0.1uF。采用有过流、过压、过热等保护的集成式直流稳压电源芯片。

PCB布局布线。印制电路板(PCB)支撑着电子产品中电路元件和器件，并为它们提供相互之间的电气连接。随着电子产品小型化、微型化的快速发展，PCB板的电子元件及电气连接线的密度越来越高，PCB布局布线的好坏直接影响电子产品抗干扰能力。因此，在进行设计时，必须遵守PCB设计的一般原则，并应符合抗干扰设计的要求。布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。电源线要尽量粗;CPU、RAM、ROM等主芯片的VCC和GND之间接电解电容及瓷片电掉高、低频干扰脉冲;独立系统结构，减少接插件与连线，提高可靠性，减少故障率;集成块与插座接触可靠。最好将集成块直接焊在印制板上，防止器件接不良引发的故障。电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号，尽可能把干扰源(如电机，继电器)与敏感元件(如单片机)远离。

隔离技术。隔离技术是指将噪声源与信号线相互隔离开的技术。在单片机系列中经常采用光电耦合器来实现传感器与输入通道的隔离、I/0接口的隔离及内部电路的隔离。此外，在远距离传输信号时，也需要采用光电隔离技术。在对被传输的模拟信号进行隔离时，官选用线性光电耦合器，其电流传输比接近于常数。由于本系统既有数字电路控制系统又有功率控制系统，所以主要采用数字电路和功率电路进行隔离的方法来保证系统的工作稳定。

3.2软件抗干扰措施

软件抗干扰具有设计灵活、节省硬件资源、可靠性好的特点。因此，除了采取硬件抗干扰方法外，还要采取如下软件抗干扰措施。

算术平均滤波。算术平均滤波法常见的软件滤波方法之一。其具体滤波方法是，对需要采样的信号连续采样N次，计算N个数据的算术平均值。它能降低因外界偶然因素引起的信号。波动干扰，对缓慢变化的信号有良好的滤波效果。由于旅客列车环境复杂，烟雾探测器及容易受电磁脉冲、浪涌、静电等干扰。所以本设计采用算术平均滤波法---烟雾探测器连续采集200次传感器输出的电压信号，然后求平均值。

3.3安装工艺抗干扰措施

提高设备可靠性的软硬件措施除了完善自身设计、选用优质器件、增加干扰防护和规范安装等常见措施外，安装工艺的优化措施也是非常必要的。旅客列车烟雾报警系统各分机、主机及车号修改器均采用金属屏蔽外壳，可以有效地防止外部电磁干扰窜入系统，提高系统设备的抗干扰性能。安装设备时尽量远离列车电气设备，以避免空间电磁干扰。设备内部电池等大型器件均采用海绵胶加以质定，可以有效地减轻机械冲击带来的破坏。传感器信号线用线槽或金属蛇皮管加以包裹，减少线路与墙壁的摩擦，同时减缓老化和防止蚊虫侵入。系统设备最容易受到机械振动破坏的地方是接插件部分，安装时在接插件部分涂抹硅胶加以牢固。

结语

无线的烟雾监测报警防范系统不仅在检测烟雾的浓度，数据的无线通信，报警方面效果很好，还可以设置车号，查询历史，不仅满足了旅客列车在火灾防范预警方面的要求，而且操作起来容易，性能也相对比较好。最佳的烟雾报警系统应包含报警控制开关，这将给烟雾报警器的测试、静音及定位功能提供便捷，可以使用户方便地测试每一个报警系统，并确定出报警器对于误报是否能够做出正确反应。这是该无线互连烟雾报警装置的重要安全功能，用户将不必依次测试安装在天花板上的报警器。

参考文献

［1］郑隆举，李慧芳，杜亚恒．火灾报警系统的发展与探析［J］．科技信息，2013(33):263－264．

［2］赵德月．基于MSP430F2012单片机的烟雾传感器设计［J］．工矿自动化，2011(8):110－112．

［3］李艳艳．无线烟雾报警系统［J］．消防科学与技术，2013，32(4):421．