一種基于LoRa技術的聯網型獨立式煙霧報警器

楊元浩 王康 官曉鵬

摘要：分析了當前聯網型獨立式感煙火災探測器的技術現狀，設計了一款以MSP430為主控芯片的聯網型煙霧報警器。該產品針對小的經營性場所及居民住所設計，利用LoRa遠程技術及時有效的提供火情預警。具有待機功耗低、傳輸距離遠等特點。將為減少火災損失，起到積極作用。

關鍵詞：LoRa； 火災報警； 監控系統； 低功耗

當代中國，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境，也見證著中國城市化進程的推進。但是對于高層建筑的防火救援，卻是個世界性的難題。根據《建筑設計防火規范》要求，高層建筑和大型營業性場所都需要安裝傳統的火災自動報警裝置。但從近幾年火災發生的統計情況來看，一些小的經營性場所及居民住所的火災數量，卻一直居高不下。究其原因，一是因為這類場所中沒有安裝可靠有效的預警設備，二是一些場所雖然安裝了傳統的煙霧報警器，但只提供了聲光報警，當家中無人時，不能將火情有效的傳遞。沒有可靠有效的預警設備，相關人員無法及時采取有效的措施，防止損失繼續擴大。

針對當前火災預警薄弱的場所，一種可靠的預警設備，對人民生命財產安全有著現實意義。筆者結合當前物聯網通信技術，設計了一種聯網型獨立式煙霧報警器。針對該類場所提供了一種解決方案，補齊火災預警方面的短板。

1 技術現狀及趨勢

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

隨著物聯網技術的發展，各類新的通訊技術得到發展。LoRa就是其中具有代表性的一種新技術。LoRa技術是由美國 Semtech公司研究出的一種簇樹型網絡架構無線通訊技術，在環境狀態感知及火情預警方面LoRa技術具有以下突出優點：一是基于擴頻調制技術其信噪比為-20dB，具有極高的抑制干擾能力，理想狀態下通信距離高達15km。二是其功耗低，LoRa模塊的接收電流極低，僅為10mA，待機電流更是低到200nA，這極大的延長了電池的工作壽命。三是大容量，其基于LoRaWAN協議。理論上單個網絡可以容納6萬多個設備，有效的降低組網成本，并提高了網絡可靠性。

2 設計方案

煙霧報警器主要包括煙霧光學迷宮模塊、LoRa無線傳輸通訊模塊、聲光報警模塊、核心主控芯片MSP430以及電源供應模塊構成。當火災發生時，煙霧光學迷宮模塊檢測到，火情向MCU發送報警信息。當MCU收到報警的中斷信號后，將從低功耗待機模式喚醒。驅動蜂鳴器發生報警信號。同時利用LoRa技術向管理員推送火警信息。煙霧報警器整體架構如圖1所示。

2.1 煙霧光學迷宮模塊

煙霧光學迷宮是該裝置眼睛和耳朵，負責感知檢測當前空氣中的煙霧顆粒的濃度。其采用光電感煙模塊，模塊由紅外光束發生器、感光元件和迷宮體組件構成。當火災發生時，燃燒產生的煙霧顆粒進入迷宮體中，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生器發出的紅外光線，當火情越嚴重時，意味著現場空氣中的煙霧顆粒濃度越大，感光元件能接收到的信號強度就越大，當接收信號幅值達到內部設定的報警閾值時，其產生中報警信號，向控制芯片發出火災報警。

2.2 控制模塊

控制模塊為該裝置的核心，其負責處理裝置在運行過程中產生的各類數據，并負責驅動其它模塊獨立穩定運行。為了使煙霧報警器可以長期穩定工作，本模塊采用了德州儀器（TI）公司生產的MSP430系列的MSP430G2553IPW20（MCU）單片機。該系列單片機，具有的5種低功耗模式，專門為延長電池使用壽命做了優化。內部集成的數字控制振蕩器（DCO）可以將系統從低功耗模式切換到運行模式的喚醒時間控制在1us以內。

在控制程序的驅動下，既滿足了日常的低功耗待機的需要，又可以在火災發生時提供可靠的性能，迅速切換到正常運行狀態，將火災訊息第一時間反饋給用戶，方便用戶在第一時間采取有效措施。利用其自帶的休眠功能，降低自身待機功耗，在采用電池供電的情況下，可長時間穩定運行。

2.3 LoRa通信模塊

無線通信模塊負責發送火情信息。每隔一段時間，該模塊會被MCU定時喚醒，發送心跳幀，確保當前網絡連接狀態。當其他同類模塊檢測到火災信息時，其也將會被喚醒，作為信號傳導的中繼，增加信號的強度，避免火災報警的漏報。而平時絕大多數時間內，其將處于深度休眠狀態，以降低功耗，延長設備的待機時間。

該模塊的硬件基于SX1278芯片進行設計。SX1278低功耗遠距離收發器采用了LoRa擴頻調制技術，使其有效傳輸距離遠超現有系統。SX1278與主控MCU之間采用SPI接口連接，通過中斷加定時器超時的方式控制SX1278的工作狀態，每當通訊完成，配置芯片寄存器快速進入到休眠狀態，以最大限度的節約功耗。

2.4 聲光報警模塊

聲光報警模塊主要包括蜂鳴器與指示燈兩部分。負責人提供火災發生是的報警信息，以及設備處于低電量的提示信息。平時處于靜置狀態，當檢測到火情時，由MCU的驅動報警燈及蜂鳴器發出報警信息，提供聲光報警，以便相關人員第一時間采取有效處理措施。

3 結論

基于LoRa無線擴頻技術研究設計的無線煙霧報警器具有低功耗、遠距離、低成本，部署方便免施工的突出特點。為LoRa技術在火災報警應用進行了初步探索和實踐。本文的研究成果，未來可以推廣到對功耗具有嚴格要求，且數據量較小的監測領域。LoRa技術在國內研發應用時間較短，在火情監測領域的應用屬于起步階段，相信LoRa技術必將在消防領域中發揮應有的貢獻。依托LoRa無線通信的技術優勢，未來可以在組網算法以及行業應用等方面展開進一步研究。

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