振動供能的車間遠程火災報警器

鄭賢坤，陳志棟，趙 初，徐旭昊，翁正國

（浙江工商職業技術學院，浙江 寧波 315012）

0 引 言

自動火災報警器在火災事故預警方面起著極其重要的作用，被應用于家庭、工廠、先進的動車組等環境。它利用傳感器元件獲取火災發生的信號，可以在火災早期發出報警信息，減小損失，保障人身財產安全。

隨著科技的發展，工廠車間也逐漸趨向智能化。車間內有大量的機械機器和工人。如果發生火災，將造成不可逆轉的損失。因此，自動火災報警器在工廠車間的應用十分廣泛。

目前的火災報警器主要分為兩類：（1）有線供電：這種方式一般比較穩定，對于節點的耗電也沒有嚴格要求，但存在布線困難、成本大等缺點，并且布線一旦完成，不容易更改。（2）電池供電：這種方式克服了有線供電的缺點，但是對于耗電有嚴格要求，即便耗電很低，仍存在電池電量耗盡的問題，電池一旦耗盡，會有巨大的安全隱患。

本文提出了一種振動供能的車間遠程火災報警器，主要用于振動能豐富的機械車間。它可以通過收集機械振動能，向電池充電，不再需要頻繁更換電池，不需要布線，可以大大節省布線成本以及更換電池產生的人工成本。

1 系統整體架構設計

本項目擬采用多源壓電片進行振動能量的收集，并向電池充電，大大降低電池成本和人工成本，如圖1所示。其多源壓電片可根據實際情況進行擴展，收集更多的振動能量。能量收集電路可以采用多個壓電片同時進行能量收集。電池向煙霧傳感器、控制模塊、GSM無線模塊供電。

圖1 振動供能的車間遠程火災報警器

2 振動能量俘獲

2.1 壓電片

本文采用壓電式振動能量俘獲裝置，利用壓電材料的正壓電效應，將動能轉換為電能。壓電片的一端固定在報警器上，另一端安裝一個質量塊。

當整個報警器振動時，壓電片輸出交流（AC）信號。當壓電片發生形變最大時，電壓達到最大值；并且壓電材料形變幅度越大，的值就越大，也表示輸出的電能越多。

2.2 多壓電片能量收集電路

單個壓電片所收集到的電能很微弱，因此可以增加壓電片的數量以提升收集功率。如圖2所示為多壓電片能量收集電路，PZT1和PZT2為壓電片1和壓電片2。

圖2 多壓電片能量收集電路

以PZT1為例說明振動能量收集過程。振動過程中，壓電片從平衡位置向極值位置移動，PZT1兩端產生電荷，向內部電容充電，并向小電容充電。當壓電片達到最大位移時，電壓達到峰值，隨后壓電片從最大位移處向平衡位置移動，上的電壓慢慢下降。當上的電壓下降到--時，三極管Q3導通。上的高電位通過導通的Q3連接在Q1的基極使得三極管Q1導通。PZT1、Q1、L、D4組成LC回路，內部電容上的電荷向電感轉移。當內部電容上的電壓為0時，電感上的電流達到峰值。二極管D導通，電感向電池充電。壓電片波形如圖3所示。

圖3 壓電片能量收集波形

3 控制、檢測、無線模塊

3.1 控制模塊

控制模塊采用STC公司的低功耗單片機STC15W204S，其具有寬工作電壓2.0～5.5 V、256 B的SRAM、4 KB的程序空間、低功耗掉電模式。

系統采用間斷式的工作模式，絕大多數時候單片機處于休眠狀態，其他模塊處于關閉狀態，以此來降低功耗，如圖4所示。

圖4 工作模式

3.2 電源模塊

電池可以直接給單片機供電，但GSM模塊和煙霧傳感器需要穩定的5 V電壓供電，因此需要一個DC/DC模塊實現升壓。本文采用SX1308升壓芯片，電路如圖5所示，輸入為電池電壓，輸出為5 V。Con為單片機控制端，Con輸出低電平，P1導通，則電源模塊開始工作；Con輸出高電平，則電源模塊不工作，以節省電能消耗。

圖5 電源模塊電路

3.3 煙霧傳感器

本文采用MQ-2模塊作為煙霧檢測傳感器，其體積小、成本低，并適用于檢測液化石油氣、一氧化碳等可燃氣體引起的火災，其電路如圖6所示，輸出結果由單片機進行AD檢測。

圖6 煙霧傳感器電路

3.4 GSM 模塊

本文采用SIM900A模塊進行報警通信，雖然其功耗很低，睡眠模式下僅消耗1 mA的電流，但還是大大超過了系統能承受的最大消耗。因此，平常情況下Con2輸出高電平5 V，GSM模塊處于斷電狀態，如圖7所示。

圖7 GSM模塊示意圖

當傳感器檢測到煙霧濃度較大時，Con2輸出低電平，GSM模塊開始工作；通過初始化之后，MCU通過串口與GSM模塊通信，波特率通常選擇9 600，并利用AT指令發送報警信息。

4 結 語

本文提出了一種振動供能的車間遠程火災報警器，可通過多個壓電片俘獲機器的振動能量，并實時地向電池充電，不再需要頻繁更換電池，其結構可根據實際情況進行擴展。系統大部分時候處于休眠狀態，以減少電路消耗。