楊元浩 王康 官曉鵬

摘要：分析了當(dāng)前聯(lián)網(wǎng)型獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測器的技術(shù)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一款以MSP430為主控芯片的聯(lián)網(wǎng)型煙霧報(bào)警器。該產(chǎn)品針對(duì)小的經(jīng)營性場所及居民住所設(shè)計(jì)，利用LoRa遠(yuǎn)程技術(shù)及時(shí)有效的提供火情預(yù)警。具有待機(jī)功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。將為減少火災(zāi)損失，起到積極作用。

關(guān)鍵詞：LoRa； 火災(zāi)報(bào)警； 監(jiān)控系統(tǒng)； 低功耗

當(dāng)代中國，一棟棟高層建筑拔地而起，其不僅改善了人們的生活居住環(huán)境，也見證著中國城市化進(jìn)程的推進(jìn)。但是對(duì)于高層建筑的防火救援，卻是個(gè)世界性的難題。根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》要求，高層建筑和大型營業(yè)性場所都需要安裝傳統(tǒng)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警裝置。但從近幾年火災(zāi)發(fā)生的統(tǒng)計(jì)情況來看，一些小的經(jīng)營性場所及居民住所的火災(zāi)數(shù)量，卻一直居高不下。究其原因，一是因?yàn)檫@類場所中沒有安裝可靠有效的預(yù)警設(shè)備，二是一些場所雖然安裝了傳統(tǒng)的煙霧報(bào)警器，但只提供了聲光報(bào)警，當(dāng)家中無人時(shí)，不能將火情有效的傳遞。沒有可靠有效的預(yù)警設(shè)備，相關(guān)人員無法及時(shí)采取有效的措施，防止損失繼續(xù)擴(kuò)大。

針對(duì)當(dāng)前火災(zāi)預(yù)警薄弱的場所，一種可靠的預(yù)警設(shè)備，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全有著現(xiàn)實(shí)意義。筆者結(jié)合當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種聯(lián)網(wǎng)型獨(dú)立式煙霧報(bào)警器。針對(duì)該類場所提供了一種解決方案，補(bǔ)齊火災(zāi)預(yù)警方面的短板。

1 技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢

傳統(tǒng)無線組網(wǎng)方式中，比較有代表性的是433MHz、Zigbee及GSM三種技術(shù)。433MHz在穿透性能突出，但是在組網(wǎng)方面卻先天不足，同樣，Zigbee的通信距離雖然在組網(wǎng)方面優(yōu)秀。但其通信距離不滿足分散場所的火災(zāi)預(yù)警。GSM雖然不存在上述問題，但其組網(wǎng)成本是三者中最高的。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，各類新的通訊技術(shù)得到發(fā)展。LoRa就是其中具有代表性的一種新技術(shù)。LoRa技術(shù)是由美國 Semtech公司研究出的一種簇樹型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)無線通訊技術(shù)，在環(huán)境狀態(tài)感知及火情預(yù)警方面LoRa技術(shù)具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：一是基于擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)其信噪比為-20dB，具有極高的抑制干擾能力，理想狀態(tài)下通信距離高達(dá)15km。二是其功耗低，LoRa模塊的接收電流極低，僅為10mA，待機(jī)電流更是低到200nA，這極大的延長了電池的工作壽命。三是大容量，其基于LoRaWAN協(xié)議。理論上單個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以容納6萬多個(gè)設(shè)備，有效的降低組網(wǎng)成本，并提高了網(wǎng)絡(luò)可靠性。

2 設(shè)計(jì)方案

煙霧報(bào)警器主要包括煙霧光學(xué)迷宮模塊、LoRa無線傳輸通訊模塊、聲光報(bào)警模塊、核心主控芯片MSP430以及電源供應(yīng)模塊構(gòu)成。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙霧光學(xué)迷宮模塊檢測到，火情向MCU發(fā)送報(bào)警信息。當(dāng)MCU收到報(bào)警的中斷信號(hào)后，將從低功耗待機(jī)模式喚醒。驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)生報(bào)警信號(hào)。同時(shí)利用LoRa技術(shù)向管理員推送火警信息。煙霧報(bào)警器整體架構(gòu)如圖1所示。

2.1 煙霧光學(xué)迷宮模塊

煙霧光學(xué)迷宮是該裝置眼睛和耳朵，負(fù)責(zé)感知檢測當(dāng)前空氣中的煙霧顆粒的濃度。其采用光電感煙模塊，模塊由紅外光束發(fā)生器、感光元件和迷宮體組件構(gòu)成。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，燃燒產(chǎn)生的煙霧顆粒進(jìn)入迷宮體中，由于煙霧顆粒的折射作用，擾亂了光的正常傳播途徑，使得感光元件能夠接收紅外光束發(fā)生器發(fā)出的紅外光線，當(dāng)火情越嚴(yán)重時(shí)，意味著現(xiàn)場空氣中的煙霧顆粒濃度越大，感光元件能接收到的信號(hào)強(qiáng)度就越大，當(dāng)接收信號(hào)幅值達(dá)到內(nèi)部設(shè)定的報(bào)警閾值時(shí)，其產(chǎn)生中報(bào)警信號(hào)，向控制芯片發(fā)出火災(zāi)報(bào)警。

2.2 控制模塊

控制模塊為該裝置的核心，其負(fù)責(zé)處理裝置在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)其它模塊獨(dú)立穩(wěn)定運(yùn)行。為了使煙霧報(bào)警器可以長期穩(wěn)定工作，本模塊采用了德州儀器（TI）公司生產(chǎn)的MSP430系列的MSP430G2553IPW20（MCU）單片機(jī)。該系列單片機(jī)，具有的5種低功耗模式，專門為延長電池使用壽命做了優(yōu)化。內(nèi)部集成的數(shù)字控制振蕩器（DCO）可以將系統(tǒng)從低功耗模式切換到運(yùn)行模式的喚醒時(shí)間控制在1us以內(nèi)。

在控制程序的驅(qū)動(dòng)下，既滿足了日常的低功耗待機(jī)的需要，又可以在火災(zāi)發(fā)生時(shí)提供可靠的性能，迅速切換到正常運(yùn)行狀態(tài)，將火災(zāi)訊息第一時(shí)間反饋給用戶，方便用戶在第一時(shí)間采取有效措施。利用其自帶的休眠功能，降低自身待機(jī)功耗，在采用電池供電的情況下，可長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 LoRa通信模塊

無線通信模塊負(fù)責(zé)發(fā)送火情信息。每隔一段時(shí)間，該模塊會(huì)被MCU定時(shí)喚醒，發(fā)送心跳幀，確保當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)。當(dāng)其他同類模塊檢測到火災(zāi)信息時(shí)，其也將會(huì)被喚醒，作為信號(hào)傳導(dǎo)的中繼，增加信號(hào)的強(qiáng)度，避免火災(zāi)報(bào)警的漏報(bào)。而平時(shí)絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，其將處于深度休眠狀態(tài)，以降低功耗，延長設(shè)備的待機(jī)時(shí)間。

該模塊的硬件基于SX1278芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。SX1278低功耗遠(yuǎn)距離收發(fā)器采用了LoRa擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，使其有效傳輸距離遠(yuǎn)超現(xiàn)有系統(tǒng)。SX1278與主控MCU之間采用SPI接口連接，通過中斷加定時(shí)器超時(shí)的方式控制SX1278的工作狀態(tài)，每當(dāng)通訊完成，配置芯片寄存器快速進(jìn)入到休眠狀態(tài)，以最大限度的節(jié)約功耗。

2.4 聲光報(bào)警模塊

聲光報(bào)警模塊主要包括蜂鳴器與指示燈兩部分。負(fù)責(zé)人提供火災(zāi)發(fā)生是的報(bào)警信息，以及設(shè)備處于低電量的提示信息。平時(shí)處于靜置狀態(tài)，當(dāng)檢測到火情時(shí)，由MCU的驅(qū)動(dòng)報(bào)警燈及蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信息，提供聲光報(bào)警，以便相關(guān)人員第一時(shí)間采取有效處理措施。

3 結(jié)論

基于LoRa無線擴(kuò)頻技術(shù)研究設(shè)計(jì)的無線煙霧報(bào)警器具有低功耗、遠(yuǎn)距離、低成本，部署方便免施工的突出特點(diǎn)。為LoRa技術(shù)在火災(zāi)報(bào)警應(yīng)用進(jìn)行了初步探索和實(shí)踐。本文的研究成果，未來可以推廣到對(duì)功耗具有嚴(yán)格要求，且數(shù)據(jù)量較小的監(jiān)測領(lǐng)域。LoRa技術(shù)在國內(nèi)研發(fā)應(yīng)用時(shí)間較短，在火情監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用屬于起步階段，相信LoRa技術(shù)必將在消防領(lǐng)域中發(fā)揮應(yīng)有的貢獻(xiàn)。依托LoRa無線通信的技術(shù)優(yōu)勢，未來可以在組網(wǎng)算法以及行業(yè)應(yīng)用等方面展開進(jìn)一步研究。

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