煙霧報警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

煙霧報警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

目前，國內(nèi)外獨(dú)立的煙草采集產(chǎn)品工作量大，電池使用壽命通常為2-4年。傳統(tǒng)的煙霧源探測器的個人之間無法聯(lián)系，并且依賴于wi-fi和其他通信網(wǎng)絡(luò)。在WIFI不覆蓋的區(qū)域發(fā)生火情后，其他環(huán)境中的人們不能第一時間知情，易延誤疏散及救援，因而有必要使報警器之間互聯(lián)互通，提高效率。新一代煙霧報警器的2個重要指標(biāo)要求具有超低功耗和無線通信的性能，從而保障有效工作時長和火情報警可靠性。1高效源顯示，與其他分離器互聯(lián)互通低功耗無線煙霧報警器主要由兩大部分組成：第一部分是以RE46C190為處理器核心，其外設(shè)由煙霧傳感器、電源模塊、低電量檢測、聲音報警、指示燈模塊組成，實現(xiàn)單個報警器的運(yùn)行。第二部分是以CC1310為控制器核心，控制整個系統(tǒng)處于最優(yōu)低功耗的狀態(tài)，且實現(xiàn)多個報警器的互聯(lián)互通。RE46C190處理器采集煙霧傳感器的數(shù)據(jù)后，再把分析出來的火情信號發(fā)送給CC1310控制器，進(jìn)而使附近其他報警器進(jìn)行聯(lián)動報警。煙霧傳感器以10s周期性采集環(huán)境煙霧特征參數(shù)，采集電路工作10ms后把數(shù)據(jù)發(fā)送給RE46C190處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，若分析結(jié)果有火情則發(fā)生持續(xù)聲音報警和指示燈變紅，若沒有火情則無聲光報警。電源模塊給整個系統(tǒng)提供3V電壓，當(dāng)電量不足2%時，低電量檢測系統(tǒng)以86s為周期檢測出過低壓，蜂鳴器發(fā)出滴滴間斷報警，指示燈紅色閃亮。為節(jié)省電量和超低功耗工作，CC1310控制器控制RE46C190處理器通過煙霧傳感器采集數(shù)據(jù)，如果傳感器的閾值高于預(yù)設(shè)，則會喚醒RE46C190處理器和CC1310控制器，發(fā)出報警同時進(jìn)行無線傳輸，使多個系統(tǒng)互聯(lián)互通。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。1.1光電霧化探測系統(tǒng)測試系統(tǒng)CX-1086光電式煙霧傳感器的側(cè)邊安裝有一對發(fā)光受光器件，具有一定傾斜角度。因光的直線傳播特性，在正常情況下，受光器件是接收不到發(fā)光器件發(fā)出的光的，故不產(chǎn)生光電流。發(fā)生火情，煙霧進(jìn)入檢測室時，由于煙粒子的作用，使發(fā)光器件發(fā)射的光產(chǎn)生漫射，這種漫射光被受光器件接收，使受光器件的阻抗發(fā)生變化，產(chǎn)生光電流，從而實現(xiàn)煙霧信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺琑E46C190處理器收到信號，判斷是否超出閾值，達(dá)到火情條件則發(fā)出報警。檢測室狀態(tài)如圖2所示。RE46C190是一款低壓低電流可編程光電煙霧探測芯片。其電路將為光電煙霧探測器提供所需的所有功能，并且外部元件極少。工作電壓在2.0～5.5V，低靜態(tài)電流，可編程系統(tǒng)，集成蜂鳴器驅(qū)動，可聯(lián)網(wǎng)并且含有報警存儲器，低電池檢測和迷宮測試。升壓調(diào)節(jié)器可確保在低電池條件下紅外二極管和喇叭的正常運(yùn)行。處于待機(jī)模式時，器件會每隔86s檢查一次是否存在電池低電量條件，每隔43s檢查一次探測腔是否完好。RE46C190器件框圖如圖3所示。1.3cc13十年的工作本設(shè)計中處理器需要的功能具有無線通信功能，最重要的是工作功耗要盡可能小。經(jīng)查閱資料，最終選定TI公司的超低功耗無線微控制器（MCU）中的CC1310高性能器件。無線波段選擇的是433M，具有國際免授權(quán)、低頻設(shè)計、波長較長的特點。傳輸過程中，對障礙物的干擾和衍射能力效果較好，適合在火情多發(fā)的小區(qū)或多障礙物存在的區(qū)域使用。主要邏輯如下：初始條件下CC1310的主MCU、RF射頻內(nèi)核和外設(shè)都是關(guān)閉的，只有傳感器采樣單元獨(dú)立于上述三者進(jìn)行工作，從外部的傳感器模塊（此時煙霧傳感器和RE46C190處理器看作是傳感器模塊）進(jìn)行采樣。如果傳感器模塊的閾值高于預(yù)設(shè)，則會喚醒主MCU,主MCU會進(jìn)行相應(yīng)的操作并對RF射頻內(nèi)核進(jìn)行初始化,否則會繼續(xù)采樣。主MCU通過發(fā)送TX命令對RF射頻內(nèi)核進(jìn)行操控，RF射頻內(nèi)核接收到數(shù)據(jù)后會自動進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送處理，并把傳輸數(shù)據(jù)返還給主MCU。當(dāng)發(fā)射完成后主MCU會關(guān)閉RF射頻內(nèi)核，回到省電狀態(tài)。工作狀態(tài)下CC1310芯片內(nèi)部狀態(tài)如圖4所示。程序中每10s采集一次，即將芯片從超低功耗模式下通過外部中斷的方式進(jìn)行一次喚醒操作，喚醒后進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集工作，然后再次進(jìn)入休眠狀態(tài)，周而復(fù)始。這樣可以在其余時間讓系統(tǒng)處于超低功耗模式，達(dá)到超長續(xù)航的目的。由于CC1310芯片上內(nèi)置了RF射頻核心,本設(shè)計采用TI開發(fā)的專門針對CC13XX系列的SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。無線信號傳輸?shù)钠毡榉绞接?種：點對點網(wǎng)絡(luò)、星狀網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。考慮到實際的應(yīng)用需求為大面積信息傳遞，遠(yuǎn)距離的信息覆蓋，總結(jié)得出需要單點報警后多點連鎖報警，且隨后的次級點也能夠?qū)⒒鹎樾盘杺鬟f出去，達(dá)到協(xié)同報警的目的，故選擇了網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)連接模式。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的每一個節(jié)點都是既是核心也是終端，能夠?qū)⑿畔⒆畲蟪潭鹊貍鬟f開來，實現(xiàn)大面積蛛網(wǎng)狀信息傳遞。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)連接方式如圖5所示。1.4電池低電量監(jiān)測采用小體積，大容量的松下電池CR123A，額定電壓3V，單顆容量1400mAh,電池低電量監(jiān)測由RE46C190控制，芯片會每隔86s檢查一次是否存在電池低電量，條件設(shè)置點為2%。低電量時蜂鳴器斷續(xù)滴滴響和指示燈閃亮，提醒控制人員該節(jié)點需要更換電池。1.5基于npn的動態(tài)開關(guān)特性蜂鳴器選用了電磁式3V一體耐高溫有源蜂鳴器TMB12A03。因芯片的IO直驅(qū)蜂鳴器可能導(dǎo)致芯片供電電流不足導(dǎo)致蜂鳴器的聲音過小，故利用NPN型三極管8050的開關(guān)特性。指示燈電路選用了LED燈作為發(fā)光源，工作電流小，功耗低，可以由芯片IO口直接驅(qū)動，電路簡潔。2提取熱控制函數(shù)cs軟件主要邏輯如下：進(jìn)行IO的初始化，設(shè)置好IO狀態(tài)和通信頻率；初始化射頻內(nèi)核，設(shè)置好通信地址后，程序以10s為一個周期進(jìn)行模擬口數(shù)據(jù)的讀取工作，以判斷目前是否有火情發(fā)生，以86s為一個周期檢測電池電量是否充足。若出現(xiàn)火情，則執(zhí)行持續(xù)聲音報警和指示燈變紅，若低電量則執(zhí)行蜂鳴器滴滴間斷報警和指示燈紅色閃亮。同時，接受射頻函數(shù)接收來自射頻信號的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。如果有火情則控制蜂鳴器以及燈光進(jìn)行聯(lián)動報警，或者把自身的火情狀態(tài)通過射頻端口發(fā)射出去。軟件流程如圖6所示。3能耗測試和報警強(qiáng)度測試實物的外形尺寸為43mm×47mm×30mm，體積輕巧。功耗測試：通過直流電源供電，將電流表串聯(lián)在供電口的方式進(jìn)行了功耗測試。實驗結(jié)果表明：在休眠模式下的待機(jī)電流大約為14μA，功耗測試如圖7所示。系統(tǒng)由容量為1400mAh的3V電池供電，可計算理論待機(jī)時間t約為11a，式（1）中的E為電能，P為功率，U為電壓，I為電流。有效通信距離測試：經(jīng)過實際測量后得知，在1km以內(nèi)時,能夠有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，超過1.1km后會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象,超過1.2km后無法正常通信。因此，本設(shè)計實際有效通信距離為1km以內(nèi)。報警強(qiáng)度測試：通過測試，得到在5m范圍內(nèi)時聲音為70～91dB，隨著距離的加大，聲音會逐漸減弱。報警強(qiáng)度分貝如圖8所示。4基于cc1350的慧消防解決方案為了解決火情信息不能及時發(fā)出以及常規(guī)煙霧報警器續(xù)航時間短的問題，提出了一種低功耗無線煙霧報警器設(shè)計方案，為智慧消防應(yīng)用提供一種新的解決方案。采用RE46