具有無線供電功能的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

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(tǒng)芯片研究組，陜西 西安 710071)

　　摘要：針對(duì)倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)發(fā)生的原因中：私拉線路，下班、夜間預(yù)警能力低，該作品做了針對(duì)性的規(guī)劃為，具有無線供電功能的夜間火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，白天天線通過無線供電模塊為電池充電存儲(chǔ)電能，夜間啟動(dòng)低功耗的傳感器模塊，檢測(cè)溫度和光照強(qiáng)度，進(jìn)行對(duì)周圍環(huán)境溫度和光強(qiáng)的監(jiān)測(cè)，并通過MCU判斷是否超過閾值以啟動(dòng)警示燈進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警。該作品適用于倉(cāng)庫(kù)的夜間防火，由于倉(cāng)庫(kù)屬性，不方便布線，也不具備條件搭載其他能源系統(tǒng)，應(yīng)用該設(shè)計(jì)時(shí)減少了布線成本，美觀方便，無源狀態(tài)下的實(shí)測(cè)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(shí)間至少為11個(gè)月。

　　關(guān)鍵詞：無線供電;boost電路;單片機(jī);溫度/光強(qiáng)傳感模塊;智能警報(bào)

　　0 引言

　　本設(shè)計(jì)為具有無線供電功能的夜間火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，白天天線通過無線供電模塊為電池充電存儲(chǔ)電能，夜間啟動(dòng)低功耗的傳感器模塊，檢測(cè)溫度和光照強(qiáng)度，進(jìn)行對(duì)周圍環(huán)境溫度和光強(qiáng)的監(jiān)測(cè)，并通過MCU判斷是否超過閾值以啟動(dòng)警示燈進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警。

　　系統(tǒng)通過接收射頻能量，經(jīng)過整流、升壓、能量存儲(chǔ)，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(duì)電路進(jìn)行阻抗匹配，經(jīng)過整流和濾波電路，將電荷存儲(chǔ)在電容器中。因?yàn)榇藭r(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(duì)電壓進(jìn)行升高。通過射頻能量收集技術(shù)來收集環(huán)境中的能量以此來為他們自身供電，或者實(shí)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(shí)現(xiàn)的。在環(huán)境能量較大，距離較近時(shí)，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(jí)的整流電路和對(duì)器件性能參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)确椒ǖ玫搅顺醪降母纳?，但仍需要進(jìn)一步的研究改進(jìn)。

　　1 設(shè)計(jì)電路的基本結(jié)構(gòu)及主要原理

　　1.1 無線充電模塊的基本結(jié)構(gòu)

　　天線模塊部分，為了實(shí)驗(yàn)方便及降低成本，使用實(shí)驗(yàn)室器材：某品牌射頻信號(hào)發(fā)生源發(fā)射30 dBi的射頻信號(hào)，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(hào)發(fā)生源與無線充電模塊之間傳遞能量。

　　無線充電模塊對(duì)環(huán)境中的能量進(jìn)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(chǔ)存在一個(gè)電容器中。因?yàn)榇藭r(shí)的直流能量較小，輸出電壓較低且不穩(wěn)定，所以需要一個(gè)DC-DC電路，來對(duì)前級(jí)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(tǒng)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(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(gè)交流信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過整流器進(jìn)行整流操作，輸出一個(gè)直流信號(hào)，達(dá)到RF轉(zhuǎn)DC的目的。天線和整流器通常一起組成一個(gè)整流天線。DC-DC模塊將直流信號(hào)進(jìn)行升壓操作。升壓轉(zhuǎn)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(chǔ)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(jié)構(gòu)

　　如圖2所示，為RF-DC的電路結(jié)構(gòu)圖?？梢钥闯?，射頻能量通過天線接收后，產(chǎn)生一交流信號(hào)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(hào)到達(dá)節(jié)點(diǎn)N時(shí)，當(dāng)N處的電壓的絕對(duì)值小于二極管的導(dǎo)通電壓時(shí)，兩個(gè)二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)N處的正電壓大于2號(hào)二極管的導(dǎo)通電壓時(shí)，2號(hào)二極管導(dǎo)通，1號(hào)二極管截止，再輸出得到一個(gè)負(fù)電壓。當(dāng)?shù)竭_(dá)節(jié)點(diǎn)N的負(fù)電壓絕對(duì)值大于1號(hào)二極管的導(dǎo)通電壓時(shí)，1號(hào)二極管導(dǎo)通，2號(hào)二極管截止，節(jié)點(diǎn)N的負(fù)電壓到達(dá)輸出端。經(jīng)過整流網(wǎng)絡(luò)整流的信號(hào)經(jīng)過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法提供濾波通路。而小電容C2在較低頻率時(shí)阻抗太大無法提供濾波通路，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(chǔ)在較大的電容C3中。

　　1.1.2 DC-DC電路的電路結(jié)構(gòu)

　　前級(jí)RF-DC電路的輸出電壓較低，無法正常驅(qū)動(dòng)負(fù)載，而且輸出電壓不穩(wěn)定。所以需要后級(jí)的升壓電路對(duì)前級(jí)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(jié)構(gòu)。

　　圖4 中的DC-DC電路的測(cè)試結(jié)果示意如圖所示。

　　對(duì)被壓電路的測(cè)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(dāng)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(gòu)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(jì)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(zhǎng)和接收功率聯(lián)系起來。Friis公式是用來計(jì)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(zhǎng)，r是發(fā)射天線和接收天線距離。

　　要計(jì)算最遠(yuǎn)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(jí)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(yàn)使用發(fā)射機(jī)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(jì)算得到最遠(yuǎn)充電距離為1.87 m。

　　2 能量獲取電路的PCB實(shí)物有線與無線測(cè)試

　　經(jīng)過PCB的繪制，最終實(shí)現(xiàn)能量獲取系統(tǒng)的實(shí)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(luò)。在頻率為920 MHz，輸入射頻信號(hào)從30 dB開始依次下降的情況下，對(duì)電路的輸出電壓進(jìn)行有線測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

　　在完成了對(duì)能量獲取系統(tǒng)的有線測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2，對(duì)其無線性能進(jìn)行測(cè)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(hào)功率和控制為36 dB，改變天線接收距離測(cè)量經(jīng)過電路后的電壓輸出值并列表進(jìn)行對(duì)比。已知單片機(jī)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(duì)于該設(shè)計(jì)可以有兩種模式進(jìn)行：通過無線充電模塊直接為傳感模塊供電進(jìn)行工作;也可先為預(yù)制的電池組充電，當(dāng)射頻源無法正常工作時(shí)啟動(dòng)電池組為傳感控制模塊供電。

　　預(yù)制的電池組模塊由兩枚3.7 V的蓄電池組成，對(duì)無線充電模塊產(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(jì)算，在使用該電池組時(shí)，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(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(shè)備的光照傳感器“max44009”進(jìn)行溫度和光強(qiáng)的檢測(cè)，同時(shí)達(dá)到降低功耗的目的。

　　2.2.1 設(shè)計(jì)流程圖

　　整體把握該模塊的實(shí)現(xiàn)方式之后，規(guī)劃合理的流程圖，如圖7所示。

　　首先對(duì)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(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(jìn)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(jìn)行顯示。同時(shí)將數(shù)據(jù)傳入MCU判斷是否高于設(shè)定閾值，是則點(diǎn)亮LED燈進(jìn)行預(yù)警，否則結(jié)束該次循環(huán)。

　　2.2.2 模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　該模塊的系統(tǒng)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(bào)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)前端電池組的輸出電壓和輸出電流進(jìn)行穩(wěn)壓和整流作用，使該模塊對(duì)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(bào)警LED部分，主要作用在溫度傳感器和光強(qiáng)傳感器的傳輸數(shù)據(jù)高于設(shè)置的閾值溫度或光強(qiáng)時(shí)，啟動(dòng)LED常亮，產(chǎn)生預(yù)警作用。OLED 屏幕顯示部分控制字符顯示、顯示溫度和光強(qiáng)數(shù)據(jù)。光照傳感器和溫度傳感器對(duì)外界溫度光強(qiáng)做出反應(yīng)，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(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行判斷并作出應(yīng)答和反饋。通過下載及調(diào)試接口對(duì)該模塊進(jìn)行代碼編寫燒錄和運(yùn)行。

　　2.2.3 代碼及板級(jí)實(shí)現(xiàn)

　　將各部分模塊代碼編譯完成，通過頂層模塊進(jìn)行調(diào)用，并對(duì)所設(shè)閾值進(jìn)行判定，如圖所示，為了便于演示和測(cè)量，我們將閾值設(shè)為當(dāng)溫度大于28攝氏度或者光照強(qiáng)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(cè)量檢測(cè)，后期對(duì)電路進(jìn)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(yù)留的接口對(duì)閾值進(jìn)行調(diào)節(jié)和更改。完成的最終PCB版圖如下。

　　3 結(jié)論

　　至此，該作品的講解結(jié)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(zhǎng);為降低傳感器模塊功耗所測(cè)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(jìn)步與發(fā)展，越來越多的設(shè)備變得智能化，高效的使用能量獲取技術(shù)取代電池來為傳感器供電變得越來越被公眾所關(guān)注。根據(jù)環(huán)境中射頻能量的分布特點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(duì)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)越來越小，通過對(duì)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(jī)會(huì)將該作品更加完善，使用更加穩(wěn)定，并擴(kuò)大適用范圍，適應(yīng)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(tǒng)驗(yàn)證/數(shù)字IC電路設(shè)計(jì)方面學(xué)習(xí)研究。

　　張翔(1995-)，女，研究生，主要研究方向：數(shù)字IC前端設(shè)計(jì)方面的學(xué)習(xí)研究。

　　楊春宇(1994-)，男，研究生，主要研究方向：模擬IC電路設(shè)計(jì)/系統(tǒng)驗(yàn)證方面的學(xué)習(xí)研究。

　　李金蕾(1996-)，女，研究生，主要研究方向：數(shù)字IC后端設(shè)計(jì)方面的學(xué)習(xí)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(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處