能量收集型無(wú)線火焰探測(cè)器參考設(shè)計(jì)

　　引言

　　能量收集型無(wú)線火焰探測(cè)器參考設(shè)計(jì)(以下簡(jiǎn)稱設(shè)計(jì))是世健國(guó)際貿(mào)易(上海)有限公司參照 GB15631-2008《特種火災(zāi)探測(cè)器》并按照物聯(lián)網(wǎng)思維設(shè)計(jì)的一種結(jié)合低功耗藍(lán)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(cè)器的參考設(shè)計(jì)。

　　圖1 火焰探測(cè)器框圖結(jié)構(gòu)

　　設(shè)計(jì)僅需依靠自然光或室內(nèi)燈光的照射就能夠滿足系統(tǒng)供電，無(wú)需拿下設(shè)備充電或更換電池， 也無(wú)需連接電源線，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(wěn)定的為整個(gè)系統(tǒng)持續(xù)提供電力，它在200Lux的光照度下大約能夠提供55uW的電能，用戶可以根據(jù)具體應(yīng)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(tǒng)供電，一顆CR2032可以使設(shè)備連續(xù)工作180個(gè)夜晚。設(shè)計(jì)還額外提供了一個(gè)Micro USB供電口，用戶可以使用充電寶為設(shè)備供電以便于在某些場(chǎng)景靈活快速的搭建火焰探測(cè)器。

　　當(dāng)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(chǔ)電容Cvstore中，待Cvstore的電壓達(dá)到設(shè)定的閾值，便開(kāi)始給整個(gè)系統(tǒng)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(tǒng)的電能消耗 上要做到消耗小于輸入才能維持整個(gè)系統(tǒng)的電量收支平衡。在典型的Energy Harvesting應(yīng)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(shù)據(jù)采集和BLE發(fā)射，根據(jù)傳感器的數(shù)量和功耗以及數(shù)據(jù)采集和BLE發(fā)送的間隔時(shí)間可以適當(dāng)調(diào)整Cvstore的容量來(lái)達(dá)到相應(yīng)的電能消耗需求。

　　為了讓整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)并通過(guò)BLE發(fā)送一次，或者當(dāng)傳感器被信號(hào)觸發(fā)后使用中斷把MCU喚醒，之后再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和發(fā)送。整個(gè)系統(tǒng)在深度睡眠下的待機(jī)電流是非常低的，通常根據(jù)傳感器數(shù)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(yuǎn)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(dāng)周期性的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送事件或傳感器觸發(fā)中斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)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(tǒng)的電流可能達(dá)到幾十mA，Cvstore積攢的大部分電能會(huì)被很快消耗殆盡，系統(tǒng)要在Cvstore存儲(chǔ)的電能消耗殆盡前完成數(shù)據(jù)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(zhǔn)備好充足的電能。

　　設(shè)計(jì)中采用的應(yīng)用方式是當(dāng)火焰信號(hào)高于傳感器預(yù)設(shè)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(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)玫搅艘欢康臄?shù)據(jù)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(hào)還是虛假信號(hào)(其他熱源或光源干擾)。MCU會(huì)通過(guò)BLE把此次觸發(fā)的結(jié)果發(fā)送到后臺(tái)以達(dá)到報(bào)警的目的，然后整個(gè)系統(tǒng)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(jí)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(guó)際獎(jiǎng)項(xiàng)的 Energy Harvesting 系列中的 S6AE101A，此款 PMIC 是 Cypress 設(shè)計(jì)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(nèi)置的開(kāi)關(guān)電路存入到能量存儲(chǔ)電容 Cvstore 中，當(dāng)電 容的電壓達(dá)到了預(yù)設(shè)的電壓范圍內(nèi)，芯片就打開(kāi)內(nèi)部開(kāi)關(guān)電路讓電容對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電。當(dāng)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(hù)，當(dāng)輸入電壓大于 5.4V 時(shí)，PMIC 的過(guò)壓保護(hù)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(shè)備設(shè) 計(jì)。

　　圖2 S6AE101A內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

　　英文解釋：

　　Multiplexer 多路復(fù)用器 power gating switch功率門控開(kāi)關(guān) storage control存儲(chǔ)控制器

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

　　Control block 控制塊

　　設(shè)計(jì)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(cè)火焰信號(hào)， 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(yùn)動(dòng)、太陽(yáng)光等虛假信號(hào)對(duì)于火焰探測(cè)器的誤觸發(fā)。ezPyro是英國(guó) Pyreos推出的數(shù)字接口超低功耗熱電紅外傳感器，與傳統(tǒng)模擬接口型紅外傳感器相比，ezPyro 系列 數(shù)字接口型傳感器內(nèi)部集成了傳感器、模擬前端、15位ΔΣ模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)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(shè)計(jì)整體體積尺寸。

　　ezPyro不同于傳統(tǒng)模擬式接口傳感器，而采用抗干擾性更強(qiáng)的工業(yè)級(jí)別I2C數(shù)字接口。通過(guò) I2C 接口 MCU 可以對(duì)芯片進(jìn)行片內(nèi)的高通濾波、低通濾波、采樣率等參數(shù)的配置，以及芯片工作模 式、采樣通道的設(shè)置等非常簡(jiǎn)便，用戶不再需要在外圍搭建高通低通濾波器等器件，節(jié)省空間也節(jié) 省成本，中斷觸發(fā)的數(shù)據(jù)采集模式也無(wú)需 MCU 每時(shí)每刻都從傳感器接收數(shù)據(jù)。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(jī)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(yīng)時(shí)間使得傳感器能夠快速準(zhǔn)確的響應(yīng)火焰信號(hào)。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(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖和連接示意圖

　　英文解釋：

　　Single device 單一設(shè)備 sensor 傳感器 analog front-end 模擬前端

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

　　Reference/regulator 參考/調(diào)節(jié)器 clock generator 時(shí)鐘發(fā)生器

　　3 devices with synchronized sampling 同步采樣的3個(gè)設(shè)備

　　設(shè)計(jì)的主控芯片采用Cypress的PSoC4-BLE。PSoC4-BLE是基于Cortex-M0內(nèi)核的集超低功耗、 豐富接口、豐富片內(nèi)資源、BLE于一身的MCU。在深度睡眠(Deep Sleep)模式下 PSoC4-BLE 待機(jī)電 流僅為1.3uA，對(duì)于微型光伏板供電或紐扣電池供電的應(yīng)用來(lái)說(shuō)非常適合。PSoC4-BLE 片內(nèi)集成了非 常豐富的資源和外設(shè)，除了目前 MCU 上比較常見(jiàn)的數(shù)字接口、ADC 等，PSoC4-BLE 還集成了運(yùn)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 部分的天線匹配電路的設(shè)計(jì)變得非常簡(jiǎn)單，不再需要一堆電容電感計(jì)算阻抗等高頻 特性，片外只需一個(gè)電容一個(gè)電感便完成了天線匹配電路的設(shè)計(jì)，十分便捷。

　　整個(gè)設(shè)計(jì)順應(yīng)最新的IoT物聯(lián)網(wǎng)思想，實(shí)現(xiàn)了超低能耗、清潔能源環(huán)保節(jié)能、無(wú)需布線、無(wú)需 充電、BLE、超小體積于一體的火焰探測(cè)器。設(shè)計(jì)符合《GB15631-2008 特種火災(zāi)探測(cè)器》中30秒內(nèi) 發(fā)出報(bào)警的要求，用戶可根據(jù)實(shí)際情況自行研發(fā)后臺(tái)報(bào)警系統(tǒng)。

　　作者：世健國(guó)際貿(mào)易(上海)有限公司供稿