具有無(wú)線(xiàn)供電功能的火災報警系統

作者/葛明，張翔，楊春宇，李金蕾( 西安電子科技大學(xué) 微電子學(xué)院射頻系統芯片研究組，陜西 西安 710071)

　　摘要：針對倉庫火災發(fā)生的原因中：私拉線(xiàn)路，下班、夜間預警能力低，該作品做了針對性的規劃為，具有無(wú)線(xiàn)供電功能的夜間火災報警系統，白天天線(xiàn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)供電模塊為電池充電存儲電能，夜間啟動(dòng)低功耗的傳感器模塊，檢測溫度和光照強度，進(jìn)行對周?chē)h(huán)境溫度和光強的監測，并通過(guò)MCU判斷是否超過(guò)閾值以啟動(dòng)警示燈進(jìn)行火災預警。該作品適用于倉庫的夜間防火，由于倉庫屬性，不方便布線(xiàn)，也不具備條件搭載其他能源系統，應用該設計時(shí)減少了布線(xiàn)成本，美觀(guān)方便，無(wú)源狀態(tài)下的實(shí)測無(wú)限供電距離為1.4 m，由于傳感器模塊功耗極低，備用電池單次充電后的有效工作時(shí)間至少為11個(gè)月。

　　關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)供電;boost電路;單片機;溫度/光強傳感模塊;智能警報

　　0 引言

　　本設計為具有無(wú)線(xiàn)供電功能的夜間火災報警系統，白天天線(xiàn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)供電模塊為電池充電存儲電能，夜間啟動(dòng)低功耗的傳感器模塊，檢測溫度和光照強度，進(jìn)行對周?chē)h(huán)境溫度和光強的監測，并通過(guò)MCU判斷是否超過(guò)閾值以啟動(dòng)警示燈進(jìn)行火災預警。

　　系統通過(guò)接收射頻能量，經(jīng)過(guò)整流、升壓、能量存儲，將射頻能量收集在電容中。在RF-DC電路中使用L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )對電路進(jìn)行阻抗匹配，經(jīng)過(guò)整流和濾波電路，將電荷存儲在電容器中。因為此時(shí)的電路輸出電壓較小，所以需要DC-DC升壓電路，本文采用boost(升壓)電路對電壓進(jìn)行升高。通過(guò)射頻能量收集技術(shù)來(lái)收集環(huán)境中的能量以此來(lái)為他們自身供電，或者實(shí)現在沒(méi)有電池的情況下工作，比如通過(guò)給小電容充電。環(huán)境中射頻能量的收集是通過(guò)天線(xiàn)和整流器來(lái)實(shí)現的。在環(huán)境能量較大，距離較近時(shí)，能量獲取的轉換效率較高，但是隨著(zhù)環(huán)境能量的減小，距離的增大，能量獲取的轉換效率不斷下降。這些問(wèn)題通過(guò)添加多級的整流電路和對器件性能參數進(jìn)行補償等方法得到了初步的改善，但仍需要進(jìn)一步的研究改進(jìn)。

　　1 設計電路的基本結構及主要原理

　　1.1 無(wú)線(xiàn)充電模塊的基本結構

　　天線(xiàn)模塊部分，為了實(shí)驗方便及降低成本，使用實(shí)驗室器材：某品牌射頻信號發(fā)生源發(fā)射30 dBi的射頻信號，使用兩塊功率為9.2 dBi的天線(xiàn)作為發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)，在信號發(fā)生源與無(wú)線(xiàn)充電模塊之間傳遞能量。

　　無(wú)線(xiàn)充電模塊對環(huán)境中的能量進(jìn)行獲取，首先要將能量通過(guò)天線(xiàn)收集傳輸到電路中，通過(guò)RF-DC電路，將射頻能量轉換為直流能量，然后儲存在一個(gè)電容器中。因為此時(shí)的直流能量較小，輸出電壓較低且不穩定，所以需要一個(gè)DC-DC電路，來(lái)對前級電路的輸出電壓進(jìn)行升壓操作，以確保輸出電壓可以正常使用。

　　為一個(gè)環(huán)境射頻能量收集系統的大致框圖，由圖1可以看出，一個(gè)環(huán)境射頻能量收集系統主要是由四部分組成。首先環(huán)境中的射頻能量被天線(xiàn)接收，天線(xiàn)在輸出端產(chǎn)生一個(gè)交流信號，信號經(jīng)過(guò)整流器進(jìn)行整流操作，輸出一個(gè)直流信號，達到RF轉DC的目的。天線(xiàn)和整流器通常一起組成一個(gè)整流天線(xiàn)。DC-DC模塊將直流信號進(jìn)行升壓操作。升壓轉換器的關(guān)鍵點(diǎn)在于，在超低的輸入電壓情況下處于冷啟動(dòng)狀態(tài)。并且要高效輸出一個(gè)可用的輸出電壓。最后，輸出的直流能量存儲在一個(gè)電容器中進(jìn)行帶載操作。

　　1.1.1 RF-DC電路的電路結構

　　如圖2所示，為RF-DC的電路結構圖?？梢钥闯?，射頻能量通過(guò)天線(xiàn)接收后，產(chǎn)生一交流信號進(jìn)入電路，電容C1起到一定的隔直流通交流的作用。交流信號到達節點(diǎn)N時(shí)，當N處的電壓的絕對值小于二極管的導通電壓時(shí)，兩個(gè)二極管處于截止狀態(tài)。當節點(diǎn)N處的正電壓大于2號二極管的導通電壓時(shí)，2號二極管導通，1號二極管截止，再輸出得到一個(gè)負電壓。當到達節點(diǎn)N的負電壓絕對值大于1號二極管的導通電壓時(shí)，1號二極管導通，2號二極管截止，節點(diǎn)N的負電壓到達輸出端。經(jīng)過(guò)整流網(wǎng)絡(luò )整流的信號經(jīng)過(guò)C2和C3組成的濾波網(wǎng)絡(luò )。大電容C3在較低頻率時(shí)能夠提供很好的通路，在高頻時(shí)由于寄生電感的存在將無(wú)法提供濾波通路。而小電容C2在較低頻率時(shí)阻抗太大無(wú)法提供濾波通路，在高頻時(shí)可以提供很好的濾波通路。最后將直流能量存儲在較大的電容C3中。

　　1.1.2 DC-DC電路的電路結構

　　前級RF-DC電路的輸出電壓較低，無(wú)法正常驅動(dòng)負載，而且輸出電壓不穩定。所以需要后級的升壓電路對前級電路輸出電壓進(jìn)行電壓的升高操作。本文的升壓模塊采用的是boost(升壓)電路。如圖3所示為DC-DC電路的具體電路結構。

　　圖4 中的DC-DC電路的測試結果示意如圖所示。

　　對被壓電路的測試如圖所示中，可以看出在一定范圍的內升壓效果為放大13倍左右，但當升壓電路的輸入電壓超過(guò)2 V之后，升壓效果變差。由于我們后續模塊的工作電壓大致在3 V左右，因此處在倍壓效果比較好的范圍內。

　　最終由上述兩部分電路構成了能量獲取模塊的總體電路，如下圖5所示。

　　1.1.3 能量獲取系統的理論計算

　　天線(xiàn)理論中最重要的公式—Friis公式，它將發(fā)射功率、天線(xiàn)增益、距離、波長(cháng)和接收功率聯(lián)系起來(lái)。Friis公式是用來(lái)計算從發(fā)射天線(xiàn)傳輸到接收天線(xiàn)的功率：

　　其中，PTX、PRX分別是發(fā)射和接收功率，分別是發(fā)射和接收天線(xiàn)增益，λ是射頻波的波長(cháng)，r是發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)距離。

　　要計算最遠充電距離，必須知道接收端需要的最小輸入功率，參考RF-DC電路，在滿(mǎn)足后級最小供電電壓1.8 V的條件時(shí)，接收功率需要5 dB。實(shí)驗使用發(fā)射機發(fā)射功率 PTX=3 dBm，發(fā)射天線(xiàn)增益GTX=6 dB，接收天線(xiàn)增益GRX=6 dB，發(fā)射頻率900 MHz，理論計算得到最遠充電距離為1.87 m。

　　2 能量獲取電路的PCB實(shí)物有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)測試

　　經(jīng)過(guò)PCB的繪制，最終實(shí)現能量獲取系統的實(shí)物如圖6所示。該系統中已經(jīng)加入了L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )。在頻率為920 MHz，輸入射頻信號從30 dB開(kāi)始依次下降的情況下，對電路的輸出電壓進(jìn)行有線(xiàn)測試。測試結果如表1所示。

　　在完成了對能量獲取系統的有線(xiàn)測試，測試結果如表2，對其無(wú)線(xiàn)性能進(jìn)行測試。注意到無(wú)線(xiàn)情況空間中能量衰減，為保證安全性，射頻源及發(fā)射天線(xiàn)的輸出信號功率和控制為36 dB，改變天線(xiàn)接收距離測量經(jīng)過(guò)電路后的電壓輸出值并列表進(jìn)行對比。已知單片機模塊工作所需的最小供電電壓為1.8 V，列表查找滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)充電電壓要求的最大距離。

　　2.1 電池組

　　對于該設計可以有兩種模式進(jìn)行：通過(guò)無(wú)線(xiàn)充電模塊直接為傳感模塊供電進(jìn)行工作;也可先為預制的電池組充電，當射頻源無(wú)法正常工作時(shí)啟動(dòng)電池組為傳感控制模塊供電。

　　預制的電池組模塊由兩枚3.7 V的蓄電池組成，對無(wú)線(xiàn)充電模塊產(chǎn)生的電能進(jìn)行收集。實(shí)際中，MCU靜態(tài)平均功耗為20 μA，光照傳感器MAX44009靜態(tài)功耗1 μA。若將總功耗按25 μA計算，在使用該電池組時(shí)，單次為電池充滿(mǎn)電系統在有源模式可以連續工作11個(gè)月。

　　2.2 溫度傳感模塊

　　在該模塊中，我們利用了主芯片“MSP430G2553”的偏上溫度傳感器和外接設備的光照傳感器“max44009”進(jìn)行溫度和光強的檢測，同時(shí)達到降低功耗的目的。

　　2.2.1 設計流程圖

　　整體把握該模塊的實(shí)現方式之后，規劃合理的流程圖，如圖7所示。

　　首先對各部分進(jìn)行初始化，包括：顯示屏的初始化、時(shí)鐘初始化、監控模塊的初始化、I/O端口的初始化及溫度傳感器和光照傳感器的初始化。進(jìn)行溫度傳感器和光照傳感器的數據讀取和轉化，并通過(guò)接口傳入OLED 屏幕進(jìn)行顯示。同時(shí)將數據傳入MCU判斷是否高于設定閾值，是則點(diǎn)亮LED燈進(jìn)行預警，否則結束該次循環(huán)。

　　2.2.2 模塊的設計實(shí)現

　　該模塊的系統原理圖如圖8所示：包括了六個(gè)主要部分：電源部分，閾值報警LED部分，OLED 屏幕顯示部分，光照傳感器部分，MCU最小系統及溫度傳感器部分及下載、調試接口部分。

　　電源部分主要對整個(gè)系統前端電池組的輸出電壓和輸出電流進(jìn)行穩壓和整流作用，使該模塊對前端電路的電壓電流穩定度的依賴(lài)降低，因而該模塊的輸入電壓在 3.3 V~6.5 V之間即可正常工作。閾值報警LED部分，主要作用在溫度傳感器和光強傳感器的傳輸數據高于設置的閾值溫度或光強時(shí)，啟動(dòng)LED常亮，產(chǎn)生預警作用。OLED 屏幕顯示部分控制字符顯示、顯示溫度和光強數據。光照傳感器和溫度傳感器對外界溫度光強做出反應，讀取數據、轉換數據并傳輸數據到MCU。MCU最小系統對傳輸的數據進(jìn)行判斷并作出應答和反饋。通過(guò)下載及調試接口對該模塊進(jìn)行代碼編寫(xiě)燒錄和運行。

　　2.2.3 代碼及板級實(shí)現

　　將各部分模塊代碼編譯完成，通過(guò)頂層模塊進(jìn)行調用，并對所設閾值進(jìn)行判定，如圖所示，為了便于演示和測量，我們將閾值設為當溫度大于28攝氏度或者光照強度大于1000 Lux時(shí)使電路控制LED燈點(diǎn)亮，以起到警示和降低功耗的雙重目的。

　　為方便示范和測量檢測，后期對電路進(jìn)行規劃布局，將各部分的電路集成到一塊PCB上，形成完整穩定的傳感器模塊，并可通過(guò)預留的接口對閾值進(jìn)行調節和更改。完成的最終PCB版圖如下。

　　3 結論

　　至此，該作品的講解結束，目前依舊存在一些問(wèn)題有待解決，比如無(wú)線(xiàn)供電距離不夠長(cháng);為降低傳感器模塊功耗所測數據較少，有待希望增加其他傳感數據，例如煙霧傳感器等。

　　隨著(zhù)科技的進(jìn)步與發(fā)展，越來(lái)越多的設備變得智能化，高效的使用能量獲取技術(shù)取代電池來(lái)為傳感器供電變得越來(lái)越被公眾所關(guān)注。根據環(huán)境中射頻能量的分布特點(diǎn)，設計使用多頻段的能量獲取電路可以有效提高電路的輸出功率，提高對環(huán)境中射頻能量的利用率。同時(shí)，能量獲取電路可獲取的最低輸入功率也有望會(huì )越來(lái)越小，通過(guò)對射頻整流器性能的提升，可以有效降低能量獲取電路在充電階段的功耗，進(jìn)而使能量獲取電路的最低輸入功率進(jìn)一步減小。希望之后有機會(huì )將該作品更加完善，使用更加穩定，并擴大適用范圍，適應更多的使用場(chǎng)景。

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　　作者簡(jiǎn)介：

　　葛明(1994-)，男，研究生，主要研究方向：射頻電路/系統驗證/數字IC電路設計方面學(xué)習研究。

　　張翔(1995-)，女，研究生，主要研究方向：數字IC前端設計方面的學(xué)習研究。

　　楊春宇(1994-)，男，研究生，主要研究方向：模擬IC電路設計/系統驗證方面的學(xué)習研究。

　　李金蕾(1996-)，女，研究生，主要研究方向：數字IC后端設計方面的學(xué)習研究。

本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第3期第53頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處