具有無線供電功能的火災報警系統(tǒng)

作者/葛明，張翔，楊春宇，李金蕾( 西安電子科技大學 微電子學院射頻系統(tǒng)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：私拉線路，下班、夜間預警能力低，該作品做了針對性的規(guī)劃為，具有無線供電功能的夜間火災報警系統(tǒng)，白天天線通過無線供電模塊為電池充電存儲電能，夜間啟動低功耗的傳感器模塊，檢測溫度和光照強度，進行對周圍環(huán)境溫度和光強的監(jiān)測，并通過MCU判斷是否超過閾值以啟動警示燈進行火災預警。該作品適用于倉庫的夜間防火，由于倉庫屬性，不方便布線，也不具備條件搭載其他能源系統(tǒng)，應用該設計時減少了布線成本，美觀方便，無源狀態(tài)下的實測無限供電距離為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間至少為11個月。

　　關鍵詞：無線供電;boost電路;單片機;溫度/光強傳感模塊;智能警報

　　0 引言

　　本設計為具有無線供電功能的夜間火災報警系統(tǒng)，白天天線通過無線供電模塊為電池充電存儲電能，夜間啟動低功耗的傳感器模塊，檢測溫度和光照強度，進行對周圍環(huán)境溫度和光強的監(jiān)測，并通過MCU判斷是否超過閾值以啟動警示燈進行火災預警。

　　系統(tǒng)通過接收射頻能量，經(jīng)過整流、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)絡對電路進行阻抗匹配，經(jīng)過整流和濾波電路，將電荷存儲在電容器中。因為此時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)電路對電壓進行升高。通過射頻能量收集技術來收集環(huán)境中的能量以此來為他們自身供電，或者實現(xiàn)在沒有電池的情況下工作，比如通過給小電容充電。環(huán)境中射頻能量的收集是通過天線和整流器來實現(xiàn)的。在環(huán)境能量較大，距離較近時，能量獲取的轉(zhuǎn)換效率較高，但是隨著環(huán)境能量的減小，距離的增大，能量獲取的轉(zhuǎn)換效率不斷下降。這些問題通過添加多級的整流電路和對器件性能參數(shù)進行補償?shù)确椒ǖ玫搅顺醪降母纳疲孕枰M一步的研究改進。

　　1 設計電路的基本結構及主要原理

　　1.1 無線充電模塊的基本結構

　　天線模塊部分，為了實驗方便及降低成本，使用實驗室器材：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的天線作為發(fā)射天線和接收天線，在信號發(fā)生源與無線充電模塊之間傳遞能量。

　　無線充電模塊對環(huán)境中的能量進行獲取，首先要將能量通過天線收集傳輸?shù)诫娐分?，通過RF-DC電路，將射頻能量轉(zhuǎn)換為直流能量，然后儲存在一個電容器中。因為此時的直流能量較小，輸出電壓較低且不穩(wěn)定，所以需要一個DC-DC電路，來對前級電路的輸出電壓進行升壓操作，以確保輸出電壓可以正常使用。

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

　　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?？梢钥闯觯漕l能量通過天線接收后，產(chǎn)生一交流信號進入電路，電容C1起到一定的隔直流通交流的作用。交流信號到達節(jié)點N時，當N處的電壓的絕對值小于二極管的導通電壓時，兩個二極管處于截止狀態(tài)。當節(jié)點N處的正電壓大于2號二極管的導通電壓時，2號二極管導通，1號二極管截止，再輸出得到一個負電壓。當?shù)竭_節(jié)點N的負電壓絕對值大于1號二極管的導通電壓時，1號二極管導通，2號二極管截止，節(jié)點N的負電壓到達輸出端。經(jīng)過整流網(wǎng)絡整流的信號經(jīng)過C2和C3組成的濾波網(wǎng)絡。大電容C3在較低頻率時能夠提供很好的通路，在高頻時由于寄生電感的存在將無法提供濾波通路。而小電容C2在較低頻率時阻抗太大無法提供濾波通路，在高頻時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，無法正常驅(qū)動負載，而且輸出電壓不穩(wěn)定。所以需要后級的升壓電路對前級電路輸出電壓進行電壓的升高操作。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(nèi)升壓效果為放大13倍左右，但當升壓電路的輸入電壓超過2 V之后，升壓效果變差。由于我們后續(xù)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(nèi)。

　　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(tǒng)的理論計算

　　天線理論中最重要的公式—Friis公式，它將發(fā)射功率、天線增益、距離、波長和接收功率聯(lián)系起來。Friis公式是用來計算從發(fā)射天線傳輸?shù)浇邮仗炀€的功率：

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

　　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，在滿足后級最小供電電壓1.8 V的條件時，接收功率需要5 dB。實驗使用發(fā)射機發(fā)射功率 PTX=3 dBm，發(fā)射天線增益GTX=6 dB，接收天線增益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實物有線與無線測試

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

　　在完成了對能量獲取系統(tǒng)的有線測試，測試結果如表2，對其無線性能進行測試。注意到無線情況空間中能量衰減，為保證安全性，射頻源及發(fā)射天線的輸出信號功率和控制為36 dB，改變天線接收距離測量經(jīng)過電路后的電壓輸出值并列表進行對比。已知單片機模塊工作所需的最小供電電壓為1.8 V，列表查找滿足無線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行：通過無線充電模塊直接為傳感模塊供電進行工作;也可先為預制的電池組充電，當射頻源無法正常工作時啟動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，對無線充電模塊產(chǎn)生的電能進行收集。實際中，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，單次為電池充滿電系統(tǒng)在有源模式可以連續(xù)工作11個月。

　　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”進行溫度和光強的檢測，同時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現(xiàn)方式之后，規(guī)劃合理的流程圖，如圖7所示。

　　首先對各部分進行初始化，包括：顯示屏的初始化、時鐘初始化、監(jiān)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。進行溫度傳感器和光照傳感器的數(shù)據(jù)讀取和轉(zhuǎn)化，并通過接口傳入OLED 屏幕進行顯示。同時將數(shù)據(jù)傳入MCU判斷是否高于設定閾值，是則點亮LED燈進行預警，否則結束該次循環(huán)。

　　2.2.2 模塊的設計實現(xiàn)

　　該模塊的系統(tǒng)原理圖如圖8所示：包括了六個主要部分：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(tǒng)及溫度傳感器部分及下載、調(diào)試接口部分。

　　電源部分主要對整個系統(tǒng)前端電池組的輸出電壓和輸出電流進行穩(wěn)壓和整流作用，使該模塊對前端電路的電壓電流穩(wěn)定度的依賴降低，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(shù)據(jù)高于設置的閾值溫度或光強時，啟動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(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)并傳輸數(shù)據(jù)到MCU。MCU最小系統(tǒng)對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行判斷并作出應答和反饋。通過下載及調(diào)試接口對該模塊進行代碼編寫燒錄和運行。

　　2.2.3 代碼及板級實現(xiàn)

　　將各部分模塊代碼編譯完成，通過頂層模塊進行調(diào)用，并對所設閾值進行判定，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時使電路控制LED燈點亮，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，后期對電路進行規(guī)劃布局，將各部分的電路集成到一塊PCB上，形成完整穩(wěn)定的傳感器模塊，并可通過預留的接口對閾值進行調(diào)節(jié)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題有待解決，比如無線供電距離不夠長;為降低傳感器模塊功耗所測數(shù)據(jù)較少，有待希望增加其他傳感數(shù)據(jù)，例如煙霧傳感器等。

　　隨著科技的進步與發(fā)展，越來越多的設備變得智能化，高效的使用能量獲取技術取代電池來為傳感器供電變得越來越被公眾所關注。根據(jù)環(huán)境中射頻能量的分布特點，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，能量獲取電路可獲取的最低輸入功率也有望會越來越小，通過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，進而使能量獲取電路的最低輸入功率進一步減小。希望之后有機會將該作品更加完善，使用更加穩(wěn)定，并擴大適用范圍，適應更多的使用場景。

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　　作者簡介：

　　葛明(1994-)，男，研究生，主要研究方向：射頻電路/系統(tǒng)驗證/數(shù)字IC電路設計方面學習研究。

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

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

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

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