能量收集型無線火焰探測器參考設計

　　引言

　　能量收集型無線火焰探測器參考設計(以下簡稱設計)是世健國際貿(mào)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(jié)合低功耗藍牙(BLE)、能量收集技術的高集成度超低功耗三波段點型紅外火焰探測器的參考設計。

　　圖1 火焰探測器框圖結(jié)構

　　設計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，無需拿下設備充電或更換電池， 也無需連接電源線，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)具體應用場景來選擇不同的光伏板。在夜晚或光照不充足的時候也可以額外增加一塊紐扣電池作為備用電源來給系統(tǒng)供電，一顆CR2032可以使設備連續(xù)工作180個夜晚。設計還額外提供了一個Micro USB供電口，用戶可以使用充電寶為設備供電以便于在某些場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，便開始給整個系統(tǒng)供電，同 時PMIC從光伏板中獲得的電能再源源不斷的充入Cvstore中，所以關鍵點就在整個系統(tǒng)的電能消耗 上要做到消耗小于輸入才能維持整個系統(tǒng)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MCU加一個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)送的間隔時間可以適當調(diào)整Cvstore的容量來達到相應的電能消耗需求。

　　為了讓整個系統(tǒng)實現(xiàn)超低功耗，MCU和傳感器大部分時間都處在深度睡眠的狀態(tài)，周期性的

　　(通常為幾秒)醒來采集一次數(shù)據(jù)并通過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，之后再進行數(shù)據(jù)采集和發(fā)送。整個系統(tǒng)在深度睡眠下的待機電流是非常低的，通常根據(jù)傳感器數(shù)量和工作模式的不同從幾個uA到十幾uA不等，此時 PMIC 的電能輸入遠大于電能消耗，所以這段時間是Cvstore進行充電的過程。當周期性的數(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，系統(tǒng)的電能消耗呈脈沖式的爆發(fā)，MCU 醒來操作傳感器并進行 BLE 發(fā)送，此時系統(tǒng)的電流可能達到幾十mA，Cvstore積攢的大部分電能會被很快消耗殆盡，系統(tǒng)要在Cvstore存儲的電能消耗殆盡前完成數(shù)據(jù)采集和發(fā)送并再次進入到深度睡眠模式，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，傳感器首先會從低功耗休眠模 式中喚醒，然后再把 MCU 喚醒來讀取3個傳感器的數(shù)據(jù)，當?shù)玫搅艘欢康臄?shù)據(jù)后MCU開始通過特定的算法來判斷此次觸發(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會通過BLE把此次觸發(fā)的結(jié)果發(fā)送到后臺以達到報警的目的，然后整個系統(tǒng)會再次進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芯片內(nèi)置的開關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(nèi)，芯片就打開內(nèi)部開關電路讓電容對負載進行供電。當光照度不 足以為 PMIC 提供足夠供電時，PMIC 會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)過壓保護，當輸入電壓大于 5.4V 時，PMIC 的過壓保護就 會開啟，以防芯片收到過壓損害。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(nèi)部結(jié)構框圖

　　英文解釋：

　　Multiplexer 多路復用器 power gating switch功率門控開關 storage control存儲控制器

　　Over voltage protection 過電壓保護器 voltage reference circuit 電壓參考電路

　　Control block 控制塊

　　設計共有 3 個紅外傳感器：主傳感器采用ePY12251 flame channel(4.48um)來探測火焰信號， 另 外2個傳感器采用ePY12111 human motion rejection(5.00um)和ePY12211 rejection channel(3.91um)用以判斷人體運動、太陽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(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(tǒng)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(shù)字接口。通過 I2C 接口 MCU 可以對芯片進行片內(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、采樣通道的設置等非常簡便，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)采集模式也無需 MCU 每時每刻都從傳感器接收數(shù)據(jù)。ezPyro在采樣時電流 消耗最低僅有3.2uA，在低功耗空閑時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 上快速反應時間使得傳感器能夠快速準確的響應火焰信號。多個芯片之間也可以組成菊花鏈進行同 步采樣。

　　圖3 ezPyro內(nèi)部結(jié)構框圖和連接示意圖

　　英文解釋：

　　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(shù)字濾波器的FIFO定時中斷喚醒鍵Ctrl

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

　　3 devices with synchronized sampling 同步采樣的3個設備

　　設計的主控芯片采用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說非常適合。PSoC4-BLE 片內(nèi)集成了非 常豐富的資源和外設，除了目前 MCU 上比較常見的數(shù)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 部分的天線匹配電路的設計變得非常簡單，不再需要一堆電容電感計算阻抗等高頻 特性，片外只需一個電容一個電感便完成了天線匹配電路的設計，十分便捷。

　　整個設計順應最新的IoT物聯(lián)網(wǎng)思想，實現(xiàn)了超低能耗、清潔能源環(huán)保節(jié)能、無需布線、無需 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(nèi) 發(fā)出報警的要求，用戶可根據(jù)實際情況自行研發(fā)后臺報警系統(tǒng)。

　　作者：世健國際貿(mào)易(上海)有限公司供稿