具有无线供电功能的火灾报警系统

  /葛明,张翔,杨春宇,李金蕾( 西安电子科技大学 微电子学院射频系统芯片研究组,陕西 西安 710071)

  摘要:针对仓库火灾发生的原因中:私拉线路,下班、夜间预警能力低,该作品做了针对性的规划为,具有无线供电功能的夜间火灾报警系统,白天天线通过无线供电模块为电池充电存储电能,夜间启动低功耗的传感器模块,检测温度和光照强度,进行对周围环境温度和光强的监测,并通过MCU判断是否超过阈值以启动警示灯进行火灾预警。该作品适用于仓库的夜间防火,由于仓库属性,不方便布线,也不具备条件搭载其他能源系统,应用该设计时减少了布线成本,美观方便,无源状态下的实测无限供电距离为1.4 m,由于传感器模块功耗极低,备用电池单次充电后的有效工作时间至少为11个月。

  本设计为具有无线供电功能的夜间火灾报警系统,白天天线通过无线供电模块为电池充电存储电能,夜间启动低功耗的传感器模块,检测温度和光照强度,进行对周围环境温度和光强的监测,并通过MCU判断是否超过阈值以启动警示灯进行火灾预警。

  系统通过接收射频能量,经过整流、升压、能量存储,将射频能量收集在电容中。在RF-DC电路中使用L型阻抗匹配网络对电路进行阻抗匹配,经过整流和滤波电路,将电荷存储在电容器中。因为此时的电路输出电压较小,所以需要DC-DC升压电路,本文采用boost(升压)电路对电压进行升高。通过射频能量收集技术来收集环境中的能量以此来为他们自身供电,或者实现在没有电池的情况下工作,比如通过给小电容充电。环境中射频能量的收集是通过天线和整流器来实现的。在环境能量较大,距离较近时,能量获取的转换效率较高,但是随着环境能量的减小,距离的增大,能量获取的转换效率不断下降。这些问题通过添加多级的整流电路和对器件性能参数进行补偿等方法得到了初步的改善,但仍需要进一步的研究改进。

  天线模块部分,为了实验方便及降低成本,使用实验室器材:某品牌射频信号发生源发射30 dBi的射频信号,使用两块功率为9.2 dBi的天线作为发射天线和接收天线,在信号发生源与无线充电模块之间传递能量。

  无线充电模块对环境中的能量进行获取,首先要将能量通过天线收集传输到电路中,通过RF-DC电路,将射频能量转换为直流能量,然后储存在一个电容器中。因为此时的直流能量较小,输出电压较低且不稳定,所以需要一个DC-DC电路,来对前级电路的输出电压进行升压操作,以确保输出电压可以正常使用。

  为一个环境射频能量收集系统的大致框图,由图1可以看出,一个环境射频能量收集系统主要是由四部分组成。首先环境中的射频能量被天线接收,天线在输出端产生一个交流信号,信号经过整流器进行整流操作,输出一个直流信号,达到RF转DC的目的。天线和整流器通常一起组成一个整流天线。DC-DC模块将直流信号进行升压操作。升压转换器的关键点在于,在超低的输入电压情况下处于冷启动状态。并且要高效输出一个可用的输出电压。最后,输出的直流能量存储在一个电容器中进行带载操作。

  如图2所示,为RF-DC的电路结构图。可以看出,射频能量通过天线接收后,产生一交流信号进入电路,电容C1起到一定的隔直流通交流的作用。交流信号到达节点N时,当N处的电压的绝对值小于二极管的导通电压时,两个二极管处于截止状态。当节点N处的正电压大于2号二极管的导通电压时,2号二极管导通,1号二极管截止,再输出得到一个负电压。当到达节点N的负电压绝对值大于1号二极管的导通电压时,1号二极管导通,2号二极管截止,节点N的负电压到达输出端。经过整流网络整流的信号经过C2和C3组成的滤波网络。大电容C3在较低频率时能够提供很好的通路,在高频时由于寄生电感的存在将无法提供滤波通路。而小电容C2在较低频率时阻抗太大无法提供滤波通路,在高频时可以提供很好的滤波通路。最后将直流能量存储在较大的电容C3中。

  前级RF-DC电路的输出电压较低,无法正常驱动负载,而且输出电压不稳定。所以需要后级的升压电路对前级电路输出电压进行电压的升高操作。本文的升压模块采用的是boost(升压)电路。如图3所示为DC-DC电路的具体电路结构。

  对被压电路的测试如图所示中,可以看出在一定范围的内升压效果为放大13倍左右,但当升压电路的输入电压超过2 V之后,升压效果变差。由于我们后续模块的工作电压大致在3 V左右,因此处在倍压效果比较好的范围内。

  天线理论中最重要的公式—Friis公式,它将发射功率、天线增益、距离、波长和接收功率联系起来。Friis公式是用来计算从发射天线传输到接收天线的功率:

  其中,PTX、PRX分别是发射和接收功率,分别是发射和接收天线增益,λ是射频波的波长,r是发射天线和接收天线距离。

  要计算最远充电距离,必须知道接收端需要的最小输入功率,参考RF-DC电路,在满足后级最小供电电压1.8 V的条件时,接收功率需要5 dB。实验使用发射机发射功率 PTX=3 dBm,发射天线 dB,接收天线 MHz,理论计算得到最远充电距离为1.87 m。

  经过PCB的绘制,最终实现能量获取系统的实物如图6所示。该系统中已经加入了L型阻抗匹配网络。在频率为920 MHz,输入射频信号从30 dB开始依次下降的情况下,对电路的输出电压进行有线所示。

  在完成了对能量获取系统的有线,对其无线性能进行测试。注意到无线情况空间中能量衰减,为保证安全性,射频源及发射天线的输出信号功率和控制为36 dB,改变天线接收距离测量经过电路后的电压输出值并列表进行对比。已知单片机模块工作所需的最小供电电压为1.8 V,列表查找满足无线充电电压要求的最大距离。

  对于该设计可以有两种模式进行:通过无线充电模块直接为传感模块供电进行工作;也可先为预制的电池组充电,当射频源无法正常工作时启动电池组为传感控制模块供电。

  预制的电池组模块由两枚3.7 V的蓄电池组成,对无线充电模块产生的电能进行收集。实际中,MCU静态平均功耗为20 μA,光照传感器MAX44009静态功耗1 μA。若将总功耗按25 μA计算,在使用该电池组时,单次为电池充满电系统在有源模式可以连续工作11个月。

  在该模块中,我们利用了主芯片“MSP430G2553”的偏上温度传感器和外接设备的光照传感器“max44009”进行温度和光强的检测,同时达到降低功耗的目的。

  首先对各部分进行初始化,包括:显示屏的初始化、时钟初始化、监控模块的初始化、I/O端口的初始化及温度传感器和光照传感器的初始化。进行温度传感器和光照传感器的数据读取和转化,并通过接口传入OLED 屏幕进行显示。同时将数据传入MCU判断是否高于设定阈值,是则点亮LED灯进行预警,否则结束该次循环。

  该模块的系统原理图如图8所示:包括了六个主要部分:电源部分,阈值报警LED部分,OLED 屏幕显示部分,光照传感器部分,MCU最小系统及温度传感器部分及下载、调试接口部分。

  电源部分主要对整个系统前端电池组的输出电压和输出电流进行稳压和整流作用,使该模块对前端电路的电压电流稳定度的依赖降低,因而该模块的输入电压在 3.3 V~6.5 V之间即可正常工作。阈值报警LED部分,主要作用在温度传感器和光强传感器的传输数据高于设置的阈值温度或光强时,启动LED常亮,产生预警作用。OLED 屏幕显示部分控制字符显示、显示温度和光强数据。光照传感器和温度传感器对外界温度光强做出反应,读取数据、转换数据并传输数据到MCU。MCU最小系统对传输的数据进行判断并作出应答和反馈。通过下载及调试接口对该模块进行代码编写烧录和运行。

  将各部分模块代码编译完成,通过顶层模块进行调用,并对所设阈值进行判定,如图所示,为了便于演示和测量,我们将阈值设为当温度大于28摄氏度或者光照强度大于1000 Lux时使电路控制LED灯点亮,以起到警示和降低功耗的双重目的。

  为方便示范和测量检测,后期对电路进行规划布局,将各部分的电路集成到一块PCB上,形成完整稳定的传感器模块,并可通过预留的接口对阈值进行调节和更改。完成的最终PCB版图如下。

  至此,该作品的讲解结束,目前依旧存在一些问题有待解决,比如无线供电距离不够长;为降低传感器模块功耗所测数据较少,有待希望增加其他传感数据,例如烟雾传感器等。

  随着科技的进步与发展,越来越多的设备变得智能化,高效的使用能量获取技术取代电池来为传感器供电变得越来越被公众所关注。根据环境中射频能量的分布特点,设计使用多频段的能量获取电路可以有效提高电路的输出功率,提高对环境中射频能量的利用率。同时,能量获取电路可获取的最低输入功率也有望会越来越小,通过对射频整流器性能的提升,可以有效降低能量获取电路在充电阶段的功耗,进而使能量获取电路的最低输入功率进一步减小。希望之后有机会将该作品更加完善,使用更加稳定,并扩大适用范围,适应更多的使用场景。

  [6]王伟印.用于射频能量收集的集成RF-DC转换器的开发[D].杭州:浙江大学, 2017.

  [8]王光奇.基于ARM的远距离双频读卡器系统的研究[D].成都:西华大学,2008.

  [9]胡汉才.单片机原理及系统设计[M].北京:清华大学出版社, 2002.

  葛明(1994-),男,研究生,主要研究方向:射频电路/系统验证/数字IC电路设计方面学习研究。

  张翔(1995-),女,研究生,主要研究方向:数字IC前端设计方面的学习研究。

  杨春宇(1994-),男,研究生,主要研究方向:模拟IC电路设计/系统验证方面的学习研究。

  李金蕾(1996-),女,研究生,主要研究方向:数字IC后端设计方面的学习研究。

  本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第3期第53页,欢迎您写论文时引用,并注明出处

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