能量收集型無(wú)線(xiàn)火焰探測器參考設計

　　引言

　　能量收集型無(wú)線(xiàn)火焰探測器參考設計(以下簡(jiǎn)稱(chēng)設計)是世健國際貿易(上海)有限公司參照 GB15631-2008《特種火災探測器》并按照物聯(lián)網(wǎng)思維設計的一種結合低功耗藍牙(BLE)、能量收集技術(shù)的高集成度超低功耗三波段點(diǎn)型紅外火焰探測器的參考設計。

　　圖1 火焰探測器框圖結構

　　設計僅需依靠自然光或室內燈光的照射就能夠滿(mǎn)足系統供電，無(wú)需拿下設備充電或更換電池， 也無(wú)需連接電源線(xiàn)，在光照充足且不間斷的情況下僅依靠一塊25mm×53mm的光伏板就能穩定的為整個(gè)系統持續提供電力，它在200Lux的光照度下大約能夠提供55uW的電能，用戶(hù)可以根據具體應用場(chǎng)景來(lái)選擇不同的光伏板。在夜晚或光照不充足的時(shí)候也可以額外增加一塊紐扣電池作為備用電源來(lái)給系統供電，一顆CR2032可以使設備連續工作180個(gè)夜晚。設計還額外提供了一個(gè)Micro USB供電口，用戶(hù)可以使用充電寶為設備供電以便于在某些場(chǎng)景靈活快速的搭建火焰探測器。

　　當把光伏板置于光照度充足的環(huán)境下，Energy Harvesting PMIC即開(kāi)始把從光伏板中收集的電能存入能量存儲電容Cvstore中，待Cvstore的電壓達到設定的閾值，便開(kāi)始給整個(gè)系統供電，同 時(shí)PMIC從光伏板中獲得的電能再源源不斷的充入Cvstore中，所以關(guān)鍵點(diǎn)就在整個(gè)系統的電能消耗 上要做到消耗小于輸入才能維持整個(gè)系統的電量收支平衡。在典型的Energy Harvesting應用中 Cvstore的電容容量大約為200uF，這樣的電容大小能夠維持一個(gè)MCU加一個(gè)低功耗傳感器的周期性數據采集和BLE發(fā)射，根據傳感器的數量和功耗以及數據采集和BLE發(fā)送的間隔時(shí)間可以適當調整Cvstore的容量來(lái)達到相應的電能消耗需求。

　　為了讓整個(gè)系統實(shí)現超低功耗，MCU和傳感器大部分時(shí)間都處在深度睡眠的狀態(tài)，周期性的

　　(通常為幾秒)醒來(lái)采集一次數據并通過(guò)BLE發(fā)送一次，或者當傳感器被信號觸發(fā)后使用中斷把MCU喚醒，之后再進(jìn)行數據采集和發(fā)送。整個(gè)系統在深度睡眠下的待機電流是非常低的，通常根據傳感器數量和工作模式的不同從幾個(gè)uA到十幾u(yù)A不等，此時(shí) PMIC 的電能輸入遠大于電能消耗，所以這段時(shí)間是Cvstore進(jìn)行充電的過(guò)程。當周期性的數據采集和數據發(fā)送事件或傳感器觸發(fā)中斷發(fā)生時(shí)，系統的電能消耗呈脈沖式的爆發(fā)，MCU 醒來(lái)操作傳感器并進(jìn)行 BLE 發(fā)送，此時(shí)系統的電流可能達到幾十mA，Cvstore積攢的大部分電能會(huì )被很快消耗殆盡，系統要在Cvstore存儲的電能消耗殆盡前完成數據采集和發(fā)送并再次進(jìn)入到深度睡眠模式，這樣使得Cvstore可以再次從光伏板充電為下一次觸發(fā)事件準備好充足的電能。

　　設計中采用的應用方式是當火焰信號高于傳感器預設的閾值時(shí)，傳感器首先會(huì )從低功耗休眠模 式中喚醒，然后再把 MCU 喚醒來(lái)讀取3個(gè)傳感器的數據，當得到了一定量的數據后MCU開(kāi)始通過(guò)特定的算法來(lái)判斷此次觸發(fā)是真正的火焰信號還是虛假信號(其他熱源或光源干擾)。MCU會(huì )通過(guò)BLE把此次觸發(fā)的結果發(fā)送到后臺以達到報警的目的，然后整個(gè)系統會(huì )再次進(jìn)入到深度睡眠等待下一次觸發(fā)。

　　電源部分使用小型多串型光伏面板供電，為下一級的電源管理芯片(PMIC)提供電源輸入。電源 管理芯片(PMIC)采用 Cypress 多次獲得國際獎項的 Energy Harvesting 系列中的 S6AE101A，此款 PMIC 是 Cypress 設計推出的能量收集系列芯片中的一款。S6AE101A 的靜態(tài)電流只有 250nA、啟動(dòng)功 率只有 1.2uW，即使在只有 100Lux 的低光照度環(huán)境下該 PMIC 仍舊能夠從光伏板中獲取電能輸入。 S6AE101A 把從光伏板中獲得的電能通過(guò)芯片內置的開(kāi)關(guān)電路存入到能量存儲電容 Cvstore 中，當電 容的電壓達到了預設的電壓范圍內，芯片就打開(kāi)內部開(kāi)關(guān)電路讓電容對負載進(jìn)行供電。當光照度不 足以為 PMIC 提供足夠供電時(shí)，PMIC 會(huì )從光伏板供電切換到備用紐扣電池供電(可選)。S6AE101A 還擁有 Over Voltage Protection(OVP)過(guò)壓保護，當輸入電壓大于 5.4V 時(shí)，PMIC 的過(guò)壓保護就 會(huì )開(kāi)啟，以防芯片收到過(guò)壓損害。S6AE101A 的封裝尺寸只有 3mm×3mm，非常適合微型化的設備設 計。

　　圖2 S6AE101A內部結構框圖

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　　Multiplexer 多路復用器 power gating switch功率門(mén)控開(kāi)關(guān) storage control存儲控制器

　　Over voltage protection 過(guò)電壓保護器 voltage reference circuit 電壓參考電路

　　Control block 控制塊

　　設計共有 3 個(gè)紅外傳感器：主傳感器采用ePY12251 flame channel(4.48um)來(lái)探測火焰信號， 另 外2個(gè)傳感器采用ePY12111 human motion rejection(5.00um)和ePY12211 rejection channel(3.91um)用以判斷人體運動(dòng)、太陽(yáng)光等虛假信號對于火焰探測器的誤觸發(fā)。ezPyro是英國 Pyreos推出的數字接口超低功耗熱電紅外傳感器，與傳統模擬接口型紅外傳感器相比，ezPyro 系列 數字接口型傳感器內部集成了傳感器、模擬前端、15位ΔΣ模數轉換、數字濾波器、FIFO以及中 斷喚醒控制等部分，同時(shí)5.65mm×3.7mm×1.55mm的封裝也大幅減小了設計整體體積尺寸。

　　ezPyro不同于傳統模擬式接口傳感器，而采用抗干擾性更強的工業(yè)級別I2C數字接口。通過(guò) I2C 接口 MCU 可以對芯片進(jìn)行片內的高通濾波、低通濾波、采樣率等參數的配置，以及芯片工作模 式、采樣通道的設置等非常簡(jiǎn)便，用戶(hù)不再需要在外圍搭建高通低通濾波器等器件，節省空間也節 省成本，中斷觸發(fā)的數據采集模式也無(wú)需 MCU 每時(shí)每刻都從傳感器接收數據。ezPyro在采樣時(shí)電流 消耗最低僅有3.2uA，在低功耗空閑時(shí)的待機電流更是只有1.8uA。在性能方面高信噪比和靈敏度加 上快速反應時(shí)間使得傳感器能夠快速準確的響應火焰信號。多個(gè)芯片之間也可以組成菊花鏈進(jìn)行同 步采樣。

　　圖3 ezPyro內部結構框圖和連接示意圖

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　　Single device 單一設備 sensor 傳感器 analog front-end 模擬前端

　　digital filter FIFO Timing ctrl interrupt ctrl wake-upv 數字濾波器的FIFO定時(shí)中斷喚醒鍵Ctrl

　　Reference/regulator 參考/調節器 clock generator 時(shí)鐘發(fā)生器

　　3 devices with synchronized sampling 同步采樣的3個(gè)設備

　　設計的主控芯片采用Cypress的PSoC4-BLE。PSoC4-BLE是基于Cortex-M0內核的集超低功耗、 豐富接口、豐富片內資源、BLE于一身的MCU。在深度睡眠(Deep Sleep)模式下 PSoC4-BLE 待機電 流僅為1.3uA，對于微型光伏板供電或紐扣電池供電的應用來(lái)說(shuō)非常適合。PSoC4-BLE 片內集成了非 常豐富的資源和外設，除了目前 MCU 上比較常見(jiàn)的數字接口、ADC 等，PSoC4-BLE 還集成了運算放大 器、CapSense 電容觸摸、UDB(Universal Digital Block)等。值得一提的是 PSoC4-BLE還集成了Balun，因此 BLE 部分的天線(xiàn)匹配電路的設計變得非常簡(jiǎn)單，不再需要一堆電容電感計算阻抗等高頻 特性，片外只需一個(gè)電容一個(gè)電感便完成了天線(xiàn)匹配電路的設計，十分便捷。

　　整個(gè)設計順應最新的IoT物聯(lián)網(wǎng)思想，實(shí)現了超低能耗、清潔能源環(huán)保節能、無(wú)需布線(xiàn)、無(wú)需 充電、BLE、超小體積于一體的火焰探測器。設計符合《GB15631-2008 特種火災探測器》中30秒內 發(fā)出報警的要求，用戶(hù)可根據實(shí)際情況自行研發(fā)后臺報警系統。

　　作者：世健國際貿易(上海)有限公司供稿