能量收集型无线火焰探测器参考设计

　　引言

　　能量收集型无线火焰探测器参考设计(以下简称设计)是世健国际贸易(上海)有限公司参照 GB15631-2008《特种火灾探测器》并按照物联网思维设计的一种结合低功耗蓝牙(BLE)、能量收集技术的高集成度超低功耗三波段点型红外火焰探测器的参考设计。

　　图1 火焰探测器框图结构

　　设计仅需依靠自然光或室内灯光的照射就能够满足系统供电，无需拿下设备充电或更换电池， 也无需连接电源线，在光照充足且不间断的情况下仅依靠一块25mm×53mm的光伏板就能稳定的为整个系统持续提供电力，它在200Lux的光照度下大约能够提供55uW的电能，用户可以根据具体应用场景来选择不同的光伏板。在夜晚或光照不充足的时候也可以额外增加一块纽扣电池作为备用电源来给系统供电，一颗CR2032可以使设备连续工作180个夜晚。设计还额外提供了一个Micro USB供电口，用户可以使用充电宝为设备供电以便于在某些场景灵活快速的搭建火焰探测器。

　　当把光伏板置于光照度充足的环境下，Energy Harvesting PMIC即开始把从光伏板中收集的电能存入能量存储电容Cvstore中，待Cvstore的电压达到设定的阈值，便开始给整个系统供电，同 时PMIC从光伏板中获得的电能再源源不断的充入Cvstore中，所以关键点就在整个系统的电能消耗 上要做到消耗小于输入才能维持整个系统的电量收支平衡。在典型的Energy Harvesting应用中 Cvstore的电容容量大约为200uF，这样的电容大小能够维持一个MCU加一个低功耗传感器的周期性数据采集和BLE发射，根据传感器的数量和功耗以及数据采集和BLE发送的间隔时间可以适当调整Cvstore的容量来达到相应的电能消耗需求。

　　为了让整个系统实现超低功耗，MCU和传感器大部分时间都处在深度睡眠的状态，周期性的

　　(通常为几秒)醒来采集一次数据并通过BLE发送一次，或者当传感器被信号触发后使用中断把MCU唤醒，之后再进行数据采集和发送。整个系统在深度睡眠下的待机电流是非常低的，通常根据传感器数量和工作模式的不同从几个uA到十几uA不等，此时 PMIC 的电能输入远大于电能消耗，所以这段时间是Cvstore进行充电的过程。当周期性的数据采集和数据发送事件或传感器触发中断发生时，系统的电能消耗呈脉冲式的爆发，MCU 醒来操作传感器并进行 BLE 发送，此时系统的电流可能达到几十mA，Cvstore积攒的大部分电能会被很快消耗殆尽，系统要在Cvstore存储的电能消耗殆尽前完成数据采集和发送并再次进入到深度睡眠模式，这样使得Cvstore可以再次从光伏板充电为下一次触发事件准备好充足的电能。

　　设计中采用的应用方式是当火焰信号高于传感器预设的阈值时，传感器首先会从低功耗休眠模 式中唤醒，然后再把 MCU 唤醒来读取3个传感器的数据，当得到了一定量的数据后MCU开始通过特定的算法来判断此次触发是真正的火焰信号还是虚假信号(其他热源或光源干扰)。MCU会通过BLE把此次触发的结果发送到后台以达到报警的目的，然后整个系统会再次进入到深度睡眠等待下一次触发。

　　电源部分使用小型多串型光伏面板供电，为下一级的电源管理芯片(PMIC)提供电源输入。电源 管理芯片(PMIC)采用 Cypress 多次获得国际奖项的 Energy Harvesting 系列中的 S6AE101A，此款 PMIC 是 Cypress 设计推出的能量收集系列芯片中的一款。S6AE101A 的静态电流只有 250nA、启动功 率只有 1.2uW，即使在只有 100Lux 的低光照度环境下该 PMIC 仍旧能够从光伏板中获取电能输入。 S6AE101A 把从光伏板中获得的电能通过芯片内置的开关电路存入到能量存储电容 Cvstore 中，当电 容的电压达到了预设的电压范围内，芯片就打开内部开关电路让电容对负载进行供电。当光照度不 足以为 PMIC 提供足够供电时，PMIC 会从光伏板供电切换到备用纽扣电池供电(可选)。S6AE101A 还拥有 Over Voltage Protection(OVP)过压保护，当输入电压大于 5.4V 时，PMIC 的过压保护就 会开启，以防芯片收到过压损害。S6AE101A 的封装尺寸只有 3mm×3mm，非常适合微型化的设备设 计。

　　图2 S6AE101A内部结构框图

　　英文解释：

　　Multiplexer 多路复用器 power gating switch功率门控开关 storage control存储控制器

　　Over voltage protection 过电压保护器 voltage reference circuit 电压参考电路

　　Control block 控制块

　　设计共有 3 个红外传感器：主传感器采用ePY12251 flame channel(4.48um)来探测火焰信号， 另 外2个传感器采用ePY12111 human motion rejection(5.00um)和ePY12211 rejection channel(3.91um)用以判断人体运动、太阳光等虚假信号对于火焰探测器的误触发。ezPyro是英国 Pyreos推出的数字接口超低功耗热电红外传感器，与传统模拟接口型红外传感器相比，ezPyro 系列 数字接口型传感器内部集成了传感器、模拟前端、15位ΔΣ模数转换、数字滤波器、FIFO以及中 断唤醒控制等部分，同时5.65mm×3.7mm×1.55mm的封装也大幅减小了设计整体体积尺寸。

　　ezPyro不同于传统模拟式接口传感器，而采用抗干扰性更强的工业级别I2C数字接口。通过 I2C 接口 MCU 可以对芯片进行片内的高通滤波、低通滤波、采样率等参数的配置，以及芯片工作模 式、采样通道的设置等非常简便，用户不再需要在外围搭建高通低通滤波器等器件，节省空间也节 省成本，中断触发的数据采集模式也无需 MCU 每时每刻都从传感器接收数据。ezPyro在采样时电流 消耗最低仅有3.2uA，在低功耗空闲时的待机电流更是只有1.8uA。在性能方面高信噪比和灵敏度加 上快速反应时间使得传感器能够快速准确的响应火焰信号。多个芯片之间也可以组成菊花链进行同 步采样。

　　图3 ezPyro内部结构框图和连接示意图

　　英文解释：

　　Single device 单一设备 sensor 传感器 analog front-end 模拟前端

　　digital filter FIFO Timing ctrl interrupt ctrl wake-upv 数字滤波器的FIFO定时中断唤醒键Ctrl

　　Reference/regulator 参考/调节器 clock generator 时钟发生器

　　3 devices with synchronized sampling 同步采样的3个设备

　　设计的主控芯片采用Cypress的PSoC4-BLE。PSoC4-BLE是基于Cortex-M0内核的集超低功耗、 丰富接口、丰富片内资源、BLE于一身的MCU。在深度睡眠(Deep Sleep)模式下 PSoC4-BLE 待机电 流仅为1.3uA，对于微型光伏板供电或纽扣电池供电的应用来说非常适合。PSoC4-BLE 片内集成了非 常丰富的资源和外设，除了目前 MCU 上比较常见的数字接口、ADC 等，PSoC4-BLE 还集成了运算放大 器、CapSense 电容触摸、UDB(Universal Digital Block)等。值得一提的是 PSoC4-BLE还集成了Balun，因此 BLE 部分的天线匹配电路的设计变得非常简单，不再需要一堆电容电感计算阻抗等高频 特性，片外只需一个电容一个电感便完成了天线匹配电路的设计，十分便捷。

　　整个设计顺应最新的IoT物联网思想，实现了超低能耗、清洁能源环保节能、无需布线、无需 充电、BLE、超小体积于一体的火焰探测器。设计符合《GB15631-2008 特种火灾探测器》中30秒内 发出报警的要求，用户可根据实际情况自行研发后台报警系统。

　　作者：世健国际贸易(上海)有限公司供稿