CN101604472A - 一种无线烟雾探测器 - Google Patents

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李晓祥
王坚锋
蒋宏杰
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Abstract

本发明涉及一种基于ZigBee无线通信技术的无线烟雾探测器，采用双电源进行供电。包括无线射频模块、信号处理模块、备用电源检测模块、电源模式检测模块和电源模块。无线射频模块用于接入ZigBee网络，完成对控制器的信息汇报；信号处理模块用于处理烟雾信息将其转化为电信号；备用电源检测模块用于检测备用电源的电量；电源模式检测模块用于检测当前烟雾探测器的供电来源；电源模块将市电转换为本探测器可用的电源。软件上由无线射频模块完成本探测器与无线ZigBee网络的信息交互。具有低速率、短距离、低功耗、低复杂度、网络扩展性好，把家居自动化作为一个重要的拓展和应用领域，ZigBee技术将会越来越显示出强大的生命力，具有显著的经济效益和社会效益。

Description

一种无线烟雾探测器
技术领域
本发明涉及一种无线烟雾探测器，特别是一种基于ZigBee无线通信技术的烟雾探测器，并可采用双电源进行供电的烟雾探测器，属于无线通信技术领域。
背景技术
人身和财产安全一直是人们对居住环境的一项基本要求，随着科学技术的发展，给人们生活带来了巨大的方便性和灵活性，人们在要求居住环境网络化、智能化、人性化的同时，希望科技也能可靠地保障人身和财产的安全。
因此，在智能家居领域中使用烟雾探测器，来对火灾进行及时的探测并将探测到的信息通过无线网络进行传输，能够很好地实现该项功能。烟雾探测器成为智能家居系统的重要组成部分，它的可靠工作和信息的可靠传输是及时探测到火灾信息的重要保证。
在当前的家居领域中，用户使用的烟雾探测器仍然是电池供电的红外光电式烟雾探测器或者离子式烟雾探测器，通过压电式蜂鸣器进行本地报警。有极少部分的用户使用手机或无线电进行联网报警。然而，本地报警不能使无人在家的时候发生的火灾得到及时的处理。同时，如果使用联网报警会使整个设备的功耗非常大，会使电池很快耗光。火灾也就得不到及时的处理，其损失也就不可避免。(然而，火灾发生可能严重破坏烟雾传感器的电池供电，导致探测器无法正常工作，同时，若是火灾发生在无人在家的时候，手机或无线电报警根本就不可能，火灾也就得不到及时的处理，其损失也就不可避免。)因此，烟雾探测器需要能够保证可靠的供电，并且能将信息以最快的速度可靠地传递出去，以便消防部门或小区物业监测到该状况进行及时的处理，将火灾损失减小到最低。
在申请号为CN03203787、CN03203738.2、CN200510061133.0和CN200320122049.1专利中提到了以无线电技术为传输媒介的烟雾探测器技术。CN200320111083.9和CN200610150963.5专利分别提到了以无线GSM方式传送和基于手机网络的烟雾探测器。
上述的烟雾探测器，都没有使用ZigBee无线技术，并且未考虑火灾发生时设备功耗不同带来的对供电方式的要求。因此，没有解决火灾信号可靠传输和电池使用寿命的问题。大都没有解决供电中断或无人报警情况下的信息探测与传输问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无线烟雾探测器，该探测器是一种基于Zigbee无线技术以及双电源供电技术的无线烟雾探测器，能解决无人情况下报警信息的传输和电池长寿命要求的问题以及在供电中断或无人报警情况下的信息探测与传输问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：包括探测器硬件和支持它的软件，其硬件包括无线射频模块、信号处理模块、备用电源检测模块、电源模式检测模块和电源模块；无线射频模块用于接入ZigBee网络，完成对控制器的信息汇报；信号处理模块用于处理烟雾信息将其转化为电信号；备用电源检测模块用于检测备用电源的电量；电源模式检测模块用于检测当前烟雾探测器的供电来源；电源模块将市电转换为本探测器可用的电源。
无线烟雾探测器的软件的作用是无线射频模块完成本探测器与无线ZigBee网络的信息交互，并保证工作在主电源供电方式时，发生网络掉线后，重新自动接入网络。
本发明的有益效果：ZigBee技术是一种新兴的基于IEEE802.15.4的无线通信技术，具有低速率、短距离、低功耗、低复杂度、网络扩展性好、有众多芯片制造商(如：Atmel、TI、ST等)提供基于该技术的芯片，同时ZigBee联盟把家居自动化作为一个重要的拓展和应用领域，在今后的家居自动化领域中，ZigBee技术将会越来越显示出强大的生命力，具有显著的经济效益和社会效益。
下面结合附图对本发明的一个具体实施方式进行说明。
附图说明
图1为本发明的无线烟雾探测器的硬件结构图；
图2为本发明的无线烟雾探测器电源模块原理图；
图3为本发明无线烟雾探测器的信号处理模块原理图；
图4为本发明无线烟雾探测器的备用电源检测模块原理图；
图5为本发明无线烟雾探测器的电源模式检测模块原理图；
图6为本发明无线烟雾探测器的无线射频模块原理图；
图7为本发明无线烟雾探测器的无线射频模块软件流程图；
图8为本发明无线烟雾探测器的实施例的软件流程图。
具体实施方式：
参照图1，这是本发明的无线烟雾探测器的硬件结构图。
如图所示，本发明的硬件包括无线射频模块1、信号处理模块2、备用电源检测模块3、电源模式检测模块4和电源模块5。无线射频模块用于接入ZigBee网络，完成对控制器的信息汇报；信号处理模块用于处理烟雾信息将其转化为电信号；备用电源检测模块用于检测备用电源的电量；电源模式检测模块用于检测当前烟雾探测器的供电来源；电源模块将市电和电池转换为本探测器可用的电源。
参照图2，是本发明的无线烟雾探测器的电源模块原理图。
如图所示，本发明的电源模块使用AC-DC转换芯片将市电转换为DC10V，然后再使用LDO降压芯片将DC10V和电池电源转换为5V和3.0V～3.3V两种工作电源。
参照图3，这是本发明无线烟雾探测器的信号处理模块原理图。
如图所示，本发明的信号处理模块，使用通用的烟雾迷宫采集模块，信号放大和比较电路。烟雾迷宫采集模块由电容C12，迷宫U6，NPN三极管Q2，场效应管Q3，电阻R9、R16～R24构成。主电源工作方式，GPIO14从无线射频模块IO口输出控制U6间歇工作；备用电池工作方式时U6处于连续工作状态。信号放大和比较电路由双运放U5，电阻R7、R8、R14、R19～R24，电容C11和C13构成同相电路放大。当供电方式为市电供电时，通过采样的方式进入射频模块；当供电方式为电池供电时，采用中断触发方式，放大后的信号与3.3V比较后输出5V电平分压3.33V至射频模块。
参照图4，这是本发明无线烟雾探测器的备用电源检测模块原理图。
如图所示，本发明的备用电源检测模块，使用两个大阻值的电阻进行分压，此时备用电池的工作电流仅仅为1.1uA，确保电池的使用寿命。
参见图5，这是本发明无线烟雾探测器的电源模式检测模块原理图。
如图所示，本发明的电源模式检测模块由一个基本的NPN晶体管及几个电阻构成，通过中断方式完成当前供电电源检测。
参见图6，这是无线烟雾探测器的无线射频模块原理图。
如图所示，本发明的无线射频模块核心是Ember公司的一款Soc芯片，它集成了2.4GHz IEEE 802.15.4的PHY层和MAC层，内部还集成有Flash、SRAM、多功能定时器、串行接口、ADC、通用IO等外设资源。配合一些外围的分立元件，就可以与2.4GHz的ZigBee网络进行信息交互。
参见图7，这是本发明无线烟雾探测器的无线射频模块软件流程图。
如图所示，本发明的无线烟雾探测器上电后，首先需要对外围电路进行初始化，然后进行ZigBee协议栈的初始化工作，当协议栈正常初始化完成以后，探测器就可以与ZigBee网络进行网络信息的交换，以确定探测器能否接入已存在的ZigBee网络。
无线射频模块的软件主循环处理三项任务：复位看门狗、协议栈信号处理、应用程序处理。协议栈信号处理用来处理射频模块从ZigBee网络传递过来的信息以及探测器需要发送出去的信息，信息的接收和发送过程由ZigBee协议栈来管理。应用程序处理电源供电方式、设置工作模式、电量信号和外部烟雾信号采集，如果检测到的信号超过报警限值，将信号发出。
无线射频模块的软件功能主要分两部分：一是采集烟雾探测器检测到的环境烟雾参数，二是与ZigBee网络进行可靠的数据通信。
由于本烟雾探测器是安防产品，在硬件设计的时候采用双电源供电，软件中通过实时响应电源转换中断信号以判断电源模式。在交流电供电模式中，通过周期性采样烟雾探测器的模拟信号，来判断环境烟雾是否超过安全阈值，一旦超过，立即通过ZigBee网络向主控制器报警。在电池供电模式中，考虑到探测器的节电需求，大部分情况下，无线射频模块属于休眠状态，这时，当烟雾探测器检测到环境烟雾超过安全阈值时，给无线射频模块发送一个报警中断信号，无线射频模块接收到中断报警后，立即从休眠状态转换的正常工作状态，并发送报警信号。
参见图8，这是本发明无线烟雾探测器的实施例的软件流程图。
如图所示，本发明的系统上电后，首先设备初始化，包括外围硬件设备初始化，以及网络参数初始化；然后，加入ZigBee网络；最后进入事件循环，在循环当中处理烟雾报警信号以及网络报文的传送。ZigBee报文处理调用协议栈API函数，应用层报文数据结构自己定义，并添加了CRC冗余校验，以提高报文传送的可靠性。
虽然本发明已参照上述的实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员，应当认识到以上的实施例仅是用来说明本发明，应理解其中可作各种变化和修改而在广义上没有脱离本发明，所以并非作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述的实施例的变化、变形都将落入本发明权利要求的保护范围。

Claims (7)

1、一种无线烟雾探测器，用于居家环境烟雾信息探测与传输，其特征在于：其无线烟雾探测器包括无线射频模块(1)、信号处理模块(2)、备用电源检测模块(3)、电源模式检测模块(4)和电源模块(5)；
无线射频模块用于接入ZigBee网络，完成对控制器的信息汇报；信号处理模块用于处理烟雾信息将其转化为电信号；备用电源检测模块用于检测备用电源的电量；电源模式检测模块用于检测当前烟雾探测器的供电来源；电源模块将市电和电池转换为本探测器可用的电源。
2、根据权利要求1所述的无线烟雾探测器，其特征在于：所述的电源，采用市电主电源和备用电池电源轮换共同工作的供电方式，电源模块使用AC-DC转换芯片将市电转换为DC10V，再使用LDO降压芯片将DC10V和电池电源转换为5V和3.0V～3.3V两种工作电源。
3、根据权利要求1所述的无线烟雾探测器，其特征在于：所述的信号处理模块，采用采样方式进入无线射频模块，当主电源无法工作时，自动转换到备用电源工作模式，信号处理模块采用电平触发方式进入无线射频模块。
4、根据权利要求1或2所述的无线烟雾探测器，其特征在于：所述的电源，其中备用电源检测模块，使用两个大阻值的电阻进行分压，减少备用电池的工作电流，确保电池的使用寿命。
5、根据权利要求1所述的无线烟雾探测器，其特征在于：所述的无线射频模块，其核心是一款Soc芯片，它集成了2.4GHz IEEE802.15.4的PHY层和MAC层，内部还集成有Flash、SRAM、多功能定时器、串行接口、ADC、通用IO等外设资源，配合一些外围的分立元件，就可以与2.4GHz的ZigBee网络进行信息交互。
6、根据权利要求1或5所述的无线烟雾探测器，其特征在于：所述的无线射频模块，实现软件功能的步骤为：探测器上电后，首先对外围电路进行初始化，然后进行ZigBee协议栈的初始化工作，当协议栈正常初始化完成以后，无线射频模块的软件主循环处理三项任务：复位看门狗、协议栈信号处理、应用程序处理。
7、根据权利要求1所述的无线烟雾探测器，其特征在于：所述的无线烟雾探测器的软件流程，其步骤是：系统上电后，首先设备初始化，包括外围硬件设备初始化，以及网络参数初始化；然后，加入ZigBee网络；最后进入事件循环，在循环当中处理烟雾报警信号以及网络报文的传送，ZigBee报文处理调用协议栈API函数，应用层报文数据结构自己定义，并添加了CRC冗余校验，以提高报文传送的可靠性。
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