CN102622844B - 一种无线节能复合型火灾探测器 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及一种用于火灾探测报警的无线节能感温感烟复合型火灾探测器。该探测器由中心控制模块、定时器模块、电源模块、感温模块、感烟模块、无线传输模块及声光报警模块七大部分组成。本发明即可作为独立式火灾探测器使用也可以通过无线网络组建火灾探测系统。在考虑复合型探测器有效提高火灾报警准确度的基础上，采用节能算法和节能电路设计以延长探测器的使用寿命。在无火灾报警状态下，感温模块和感烟模块分时开启工作；当工作的探测模块探测到火灾信号时，立即开启另一探测模块；若两种探测模块同时探测到火灾信号，则中心控制模块控制声光报警模块发出报警信号。在联网的情况下，将火警信号发送出去。

Description

一种无线节能复合型火灾探测器

技术领域

本发明涉及无线感温感烟复合型火灾探测器，特别涉及基于节能设计的无线感温感烟复合型火灾探测器。

背景技术

随着微电子技术的发展，限于单传感器火灾探测器极易发生误报、漏报现象，复合型火灾探测器逐渐成为研究的热点，并已走入人们的生活之中，比如JTF-GOM-GST601复合式烟温探测器。传统的布线式火灾探测器极易因线路中断或其他原因而导致探测器无法使用，严重限制了探测器的应用场所，因此，无线通信以及探测器自带电源已成为解决该问题的首选方案。然而，对于一些特殊场所，更换电池是比较困难的事情，电量消耗完毕意味着探测器将无法工作。因此，需要设计合理的节能方案，以延长探测器的使用寿命。

德州仪器(Texas Instruments)在其基于低功耗MSP430F2012芯片的光电烟气探测器设计中，提出了有效的节能方案：正常工作模式下，探测器每8s对红外光信号进行检测，判断是否有烟气存在。在非采样阶段，关闭运算放大器和红外光电路，微处理器芯片处于待机状态。在第一次报警后，采样间隔变为4s；第二报警后采样间隔变为1s；若探测器连续三次报警，则发出报警信号。电源部分采用2节AAA电池供电，通过计算，在正常工作模式下，其平均消耗电流仅为2.0μA/s。

专利号为US6084522A的美国专利是基于温度敏感性的无线感烟探测器。探测器采用光电传感器探测烟气信号，热敏电阻探测温度信号，报警及状态信号通过无线网络发送出去。在节能问题上，装置设置定时器，分为休眠阶段和工作阶段。休眠阶段，探测器无任何操作；工作阶段，探测器传感器全部开启，并将状态信号发送出去。两个阶段的时间间隔为10s。在专利中，作者提到，该时间间隔可以根据需要进行调节。然而，基于节能考虑，该时间间隔应设置较大值，而较大的时间间隔极可能导致漏报现象的发生。

以上两种节能方案设计，都是以牺牲探测器的报警响应时间为前提，极可能导致延迟报警或漏报现象而造成火灾救援不及时，导致重大损失。

发明内容

本发明目的是提供一种节能、高准确度、快速响应的无线节能复合型火灾探测器，该探测器即能独立工作，也能加入到无线网络中，通过无线网络传输火灾信号。

为了实现上述目的，本发明主要模块组成如图1所示，包括中心控制模块1、定时器模块2、电源模块3、感温模块4、感烟模块5、无线传输模块6、声光报警模块7。其中，声光报警模块包括火灾报警及低电量报警。本发明采用感温、感烟相结合的方式提高报警准确度。在无报警状态下，由中心控制模块1控制感温模块4和感烟模块5轮流开启工作，定时器模块2负责计时功能。当工作中的探测器模块(4或者5)探测到火灾信号时，中心控制模块1开启另一探测模块(前探测模块并不关闭)，若两探测模块同时发出报警信号，则中心控制模块1控制声光报警模块7发出声光报警信号，如果探测器连接到无线网络上，则通过无线传输模块6将报警信号发送出去。本发明探测报警具体流程如图2所示。

1)初始化各模块功能，测试元器件是否存在故障；

2)打开无线传输模块6，扫描信道，查找是否有可加入的无线网络：当检测到有可以加入的网络后，向主机发送请求信号。加入网络后接收主机相应指令，如地址分配、坐标确定等信息。通信完毕后，关闭无线传输模块6，等待下一个通信周期进行通信；若无可用网络，则探测器进入独立工作模式，关闭无线收发模块；

3)开启感温模块4，同时确保感烟模块5处于关闭状态：若感温模块4在工作时间内没有探测到火灾信号，则在定时器模块2达到预定中断时间后，由中心控制模块1控制关闭感温模块4，开启感烟模块5；

4)若感温模块4发出报警信号，则立即开启感烟模块5；当感烟模块5探测到火灾信号，且感温模块4已发出报警信号，经中心控制模块1分析确认后，开启声光报警模块7发出声光报警信号。若探测器加入到无线网络中，则通过无线传输模块6将报警信息发送出去；

5)若感烟模块5在工作时间内没有探测到火灾信号，而此时的感温模块4的温度报警信号并没有解除，则感烟模块5持续工作，直至温度报警信号解除或探测到烟气报警信号；

6)当感烟模块5单独工作时，其探测报警流程与感温模块4单独工作报警流程相同，即重复3)-5)步骤，只是将3)-5)步骤内的感温模块4换成感烟模块5、感烟模块5换成感温模块4即可。

附图说明

图1是本发明各模块组成框图；

图2是本发明探测报警流程图；图中虚线箭头表示定时器中断之后，虚线框内括号内外模块轮流运行，即执行一次括号外的模块，下次再循环时变为执行括号内的模块，轮流循环

图3是本发明元器件组成示意图；

具体实施方式

下面结合附图3，通过实例对本发明作进一步的说明。

实施例1：

本发明在充分考虑节能的基础上设计电路，元器件组成示意图如图3示。包括中心控制单元A、电源单元B、感温单元C、感烟单元D、无线传输单元E及报警单元F。各单元具体功能及节能方案如下：

1)中心控制单元A

中心控制单元A相当于图1的中心控制模块1和定时器模块2的组合，采用德州仪器(TI)低功耗MSP430F2112芯片，该芯片内置计时器及AD转换功能。MSP430F2112芯片充分考虑了节能设计，提供5种低功耗工作模式，待机模式功耗仅为0.7μA，从待机模式到唤醒仅需要1μs。中心控制单元A只有在进行数据处理时才处于激活状态，其它时间都处于待机模式。中心控制单元A控制感温单元C和感烟单元D轮流开启，本发明当前设置时间间隔为10s，该时间间隔可根据需要进行调节；中心控制单元A负责对感温单元C及感烟单元D的采集数据进行分析，判断是否有火灾发生；中心控制单元A负责设置无线传输单元E，包括传输格式及传输速率等；中心控制单元A负责驱动报警单元F。

2)电源单元B

电源单元B相当于图1的电源模块3，包括3.6V锂电池、TI bq27200电量检测芯片及LED指示灯。bq27200检测到电池电量过低时，向中心控制单元A发出报警信号，中心控制单元A驱动LED指示灯闪烁发光，提示操作人员及时更换电池。该处LED指示灯应与火灾报警指示灯加以区别，本发明采用绿色LED灯。若加入无线网络，则将低电量报警信号发送出去。

3)感温单元C

感温单元C相当于图1的感温模块4，采用TI TMP102低功耗芯片，芯片本身即是温度传感器，测温范围为-40-+125℃，在-25-+85℃范围内，其测温精度可达0.5℃。TMP102芯片内置AD转换功能，采集数据经过AD转换后通过串行总线直接与微处理器进行通信，降低了处理器的负荷。TMP102芯片提供了四种采集速率：8Hz、4Hz、1Hz和0.25Hz，本发明在无火灾报警状态下采用1Hz采集速率。若探测数据超出报警阈值，则将采集速率改为8Hz，对采集结果取平均值，若达到报警阈值，则感温探测器发出报警信号。TMP102芯片大小仅为：1.7×1.7mm，相对于热敏电阻等感温传感器而言，电路将会得到极大的优化。用户也可在探测器上安装多个TMP102进行温度测量，以提高测量精度及报警准确度。

4)感烟单元D

感烟单元D相当于图1的感烟模块5，采用散光式光电感烟原理。包括集烟仓、红外发光二极管、红外接收器及TLV2780运算放大器。本发明为减少电路复杂性，采用MSP430F2112芯片内置的AD转换功能对感烟单元D采集的信号进行处理。当前设置为每隔1s感烟单元D处理一次数据，即分别采集红外发光二极管关闭和开启状态下的烟气数据，对结果进行比较。采集红外发光二极管关闭时的数据并将红外发光二极管开启时采集的数据与其进行差值处理可有效消除环境的影响；当有烟气存在时，红外接收器会在红外发光二极管开启状态下接收到较强的光信号，导致两次采集数据的差值过大(测量采用散光式光电感烟原理：红外接收器与红外发光二极管并不在一条直线上，即使发光二极管开启，接收器也接收不到红外信号；而当有烟气存在时，由于烟气颗粒的散射作用，接收器就会接收到红外信号。而采集红外发光二极管关闭情况的红外信号并做差值，主要为了消除环境光的影响。)，该差值超过报警阈值时，即认为火灾发生。详细过程为：在红外发光二极管关闭的情况下，开启红外接收器及TLV2780放大器，采集当前红外光信号并进行AD转换；转换完成后，开启红外发光二极管，采集当前红外光信号并进行AD转换；转换完毕后，关闭感烟单元D，中心控制单元A对两次采集的数据进行比较。若结果超过报警阈值，则立即重复上述操作3次(关闭、开启红外发光二极管(两个动作)算是一次操作)，对处理结果取平均值，若达到报警阈值，则感烟单元D发出报警信号。

5)无线传输单元E

无线传输单元E相当于图1的无线传输模块6，包括TI CC2520芯片及2.4GHz天线。可加入低功耗Zigbee无线网络。本发明上电后，扫描信道，搜索可以加入的无线网络。若无可加入的网络，则关闭无线传输单元E，并间隔1小时扫描信道。若加入无线网络，与主机交换信息，如地址信息、坐标信息等，并间隔20s向主机发送探测器状态，确保探测器依然在网络中，通信完毕后，关闭无线传输单元E。当探测器探测到火灾信号时，若之前没有加入网络，则再次扫描可用信道，将报警信号发送出去；若已加入无线网络，则立即开启无线传输单元E，将报警信号发送出去。当主机确认警报为误报现象时，可发送信息，关闭探测器的报警状态。

6)报警单元F

报警单元F相当于图1的声光报警模块7，包括蜂鸣器及红色发光二极管。报警单元F在无报警状态下总处于关闭状态，当中心控制单元A确认有火灾发生时，驱动报警单元F发出声光报警信号；当中心控制单元A确认火警解除或接收到主机发送的误报信号时，则关闭报警单元F。

本发明以上间隔时间及采集频率等参数可根据实际场景要求进行调节。根据实例1节能设计，本发明在无报警状态下主要元器件的功耗如表1、表2所示。通过计算可知，本发明在无报警状态下的平均功耗仅为3.5μA/s，报警响应时间仅为4s。

表1感温模块各元件1s内功率预算表

表2感烟模块各元件1s内功率预算表

Claims (7)

1.一种无线节能复合型火灾探测器，包括中心控制模块、定时器模块、电源模块、感温模块、感烟模块、无线传输模块及声光报警模块；电源模块与其它各模块相连，负责整个电路的电力供应；定时器模块与中心控制模块相连，为中心控制模块提供中断计时；中心控制模块与其它各模块相连，负责整个电路的维护与控制工作，中心控制模块控制定时器模块的时间设置，控制感温模块与感烟模块的数据分析及工作状态，控制无线传输模块的数据设置及工作状态；控制声光报警模块的工作状态；感温模块与中心控制模块相连，负责现场温度测量工作，并将测量结果传送至中心控制模块；感烟模块与中心控制模块相连，负责现场烟气浓度测量工作，并将测量结果传送至中心控制模块；无线传输模块与中心控制模块相连，负责发送火灾报警信号及接受主机控制信号；声光报警模块与中心控制模块相连，负责火灾发生时的现场报警工作；

无报警状态下，感温模块与感烟模块在中心控制模块的调控下分时开启工作，感温模块与感烟模块中开启工作的模块作为工作的探测模块，未开启工作的模块作为休眠状态的探测模块，当工作的探测模块探测到的数据超过设置的报警阈值后，中心控制模块立即开启休眠状态的探测模块，若两种探测模块探测到的数据都超过各自的报警阈值后，中心控制模块确认火灾发生，驱动声光报警模块发出现场声光报警，在连接到无线网络的情况下，通过无线传输模块将报警信号发送出去；其特征在于，

采用温度探测与烟气探测相结合方式探测火灾，在保证报警准确度、响应时间的基础上采用节能算法：无报警状态下，感温模块和感烟模块分时开启工作；当工作的探测模块探测到火灾信号时，立即开启感温模块和感烟模块中的另一探测模块，若两种探测模块同时探测到火灾信号，则探测器发出报警信号；

采用节能算法控制感温模块：在无火灾报警状态下，感温模块采集速率为1Hz；当感温模块探测到火灾信号时，采集速率改为8Hz；若多次采集数据的平均值超过报警阈值，感温模块发出温度报警信号；

采用散光式光电感烟原理设计感烟模块：在无火灾报警状态下，感烟模块采集速率为1Hz；当感烟模块探测到火灾信号时，采集速率改为3Hz；若多次采集数据的平均值超过报警阈值，感烟模块发出烟气报警信号。

2.按权利要求1所述的无线节能复合型火灾探测器，其特征在于，该无线节能复合型火灾探测器探测器内置声光报警模块与无线传输模块，声光报警模块提供现场声光报警；在联网条件下，通过无线传输模块发送火灾信号，否则关闭无线传输模块；该无线节能复合型火灾探测器作为独立式火灾探测器使用，或用于构建无线火灾探测网。

3.按权利要求1所述的无线节能复合型火灾探测器，其特征在于，各模块采用低功耗元器件设计电路。

4.按权利要求1所述的无线节能复合型火灾探测器，其特征在于，采用低功耗微处理器芯片，其唤醒时间仅为1μs，微处理器只在处理数据时处于激活状态，其余时间处于待机模式。

5.按权利要求1所述的无线节能复合型火灾探测器，其特征在于，采用低功耗感温芯片探测温度，该芯片内置AD转换及串口通信功能。

6.按权利要求1所述的无线节能复合型火灾探测器，其特征在于，采用锂电池供电，采用电量检测芯片监视电池电量，当电池电量过低时，通过发光二极管闪烁发出低电量报警信号，或通过无线网络发送低电量报警信号。

7.按权利要求1所述的无线节能复合型火灾探测器，其特征在于，采用无线传输装置，当加入到无线网络时，在无火灾报警状态下，间隔20s发送一次探测信号；若探测到火灾信号，则立即发送火警信号，无信号传输时，无线传输装置处于关闭状态。

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