專利名稱：一種無線節能復合型火災探測器的制作方法
技術領域：
本發明涉及無線感溫感煙復合型火災探測器，特別涉及基于節能設計的無線感溫感煙復合型火災探測器。
背景技術：
隨著微電子技術的發展，限于單傳感器火災探測器極易發生誤報、漏報現象，復合型火災探測器逐漸成為研究的熱點，并已走入人們的生活之中，比如JTF-G0M-GST601復合式煙溫探測器。傳統的布線式火災探測器極易因線路中斷或其他原因而導致探測器無法使 用，嚴重限制了探測器的應用場所，因此，無線通信以及探測器自帶電源已成為解決該問題的首選方案。然而，對于一些特殊場所，更換電池是比較困難的事情，電量消耗完畢意味著探測器將無法工作。因此，需要設計合理的節能方案，以延長探測器的使用壽命。德州儀器(Texas Instruments)在其基于低功耗MSP430F2012芯片的光電煙氣探測器設計中，提出了有效的節能方案正常工作模式下，探測器每8s對紅外光信號進行檢測，判斷是否有煙氣存在。在非采樣階段，關閉運算放大器和紅外光電路，微處理器芯片處于待機狀態。在第一次報警后，采樣間隔變為4s ;第二報警后采樣間隔變為Is ;若探測器連續三次報警，則發出報警信號。電源部分采用2節AAA電池供電，通過計算，在正常工作模式下，其平均消耗電流僅為2. O μ A/s ο專利號為US6084522A的美國專利是基于溫度敏感性的無線感煙探測器。探測器采用光電傳感器探測煙氣信號，熱敏電阻探測溫度信號，報警及狀態信號通過無線網絡發送出去。在節能問題上，裝置設置定時器，分為休眠階段和工作階段。休眠階段，探測器無任何操作；工作階段，探測器傳感器全部開啟，并將狀態信號發送出去。兩個階段的時間間隔為10s。在專利中，作者提到，該時間間隔可以根據需要進行調節。然而，基于節能考慮，該時間間隔應設置較大值，而較大的時間間隔極可能導致漏報現象的發生。以上兩種節能方案設計，都是以犧牲探測器的報警響應時間為前提，極可能導致延遲報警或漏報現象而造成火災救援不及時，導致重大損失。

發明內容
本發明目的是提供一種節能、高準確度、快速響應的無線節能復合型火災探測器，該探測器即能獨立工作，也能加入到無線網絡中，通過無線網絡傳輸火災信號。為了實現上述目的，本發明主要模塊組成如圖I所示，包括中心控制模塊I、定時器模塊2、電源模塊3、感溫模塊4、感煙模塊5、無線傳輸模塊6、聲光報警模塊7。其中，聲光報警模塊包括火災報警及低電量報警。本發明采用感溫、感煙相結合的方式提高報警準確度。在無報警狀態下，由中心控制模塊I控制感溫模塊4和感煙模塊5輪流開啟工作，定時器模塊2負責計時功能。當工作中的探測器模塊(4或者5)探測到火災信號時，中心控制模塊I開啟另一探測模塊(前探測模塊并不關閉)，若兩探測模塊同時發出報警信號，則中心控制模塊I控制聲光報警模塊7發出聲光報警信號，如果探測器連接到無線網絡上，則通過無線傳輸模塊6將報警信號發送出去。本發明探測報警具體流程如圖2所示。I)初始化各模塊功能，測試元器件是否存在故障；2)打開無線傳輸模塊6，掃描信道，查找是否有可加入的無線網絡當檢測到有可以加入的網絡后，向主機發送請求信號。加入網絡后接收主機相應指令，如地址分配、坐標確定等信息。通信完畢后，關閉無線傳輸模塊6，等待下一個通信周期進行通信；若無可用網絡，則探測器進入獨立工作模式，關閉無線收發模塊；3)開啟感溫模塊4，同時確保感煙模塊5處于關閉狀態若感溫模塊4在工作時間內沒有探測到火災信號，則在定時器模塊2達到預定中斷時間后，由中心控制模塊I控制關閉感溫t旲塊4，開啟感煙t旲塊5 ； 4)若感溫模塊4發出報警信號，則立即開啟感煙模塊5 ;當感煙模塊5探測到火災信號，且感溫模塊4已發出報警信號，經中心控制模塊I分析確認后，開啟聲光報警模塊7發出聲光報警信號。若探測器加入到無線網絡中，則通過無線傳輸模塊6將報警信息發送出去；5)若感煙模塊5在工作時間內沒有探測到火災信號，而此時的感溫模塊4的溫度報警信號并沒有解除，則感煙模塊5持續工作，直至溫度報警信號解除或探測到煙氣報警信號;6)當感煙模塊5單獨工作時，其探測報警流程與感溫模塊4單獨工作報警流程相同，即重復3)-5)步驟，只是將3)-5)步驟內的感溫模塊4換成感煙模塊5、感煙模塊5換成感溫模塊4即可。


圖I是本發明各模塊組成框圖；圖2是本發明探測報警流程圖；圖中虛線箭頭表示定時器中斷之后，虛線框內括號內外模塊輪流運行，即執行一次括號外的模塊，下次再循環時變為執行括號內的模塊，輪流循環圖3是本發明元器件組成示意具體實施例方式下面結合附圖3，通過實例對本發明作進一步的說明。實施例I :本發明在充分考慮節能的基礎上設計電路，元器件組成示意圖如圖3示。包括中心控制單元A、電源單元B、感溫單元C、感煙單元D、無線傳輸單元E及報警單元F。各單元具體功能及節能方案如下I)中心控制單元A中心控制單元A相當于圖I的中心控制模塊I和定時器模塊2的組合，采用德州儀器(TI)低功耗MSP430F2112芯片，該芯片內置計時器及AD轉換功能。MSP430F2112芯片充分考慮了節能設計，提供5種低功耗工作模式，待機模式功耗僅為O. 7 μ A，從待機模式到喚醒僅需要1μ S。中心控制單元A只有在進行數據處理時才處于激活狀態，其它時間都處于待機模式。中心控制單元A控制感溫單元C和感煙單元D輪流開啟，本發明當前設置時間間隔為10s，該時間間隔可根據需要進行調節；中心控制單元A負責對感溫單元C及感煙單元D的采集數據進行分析，判斷是否有火災發生；中心控制單元A負責設置無線傳輸單元E，包括傳輸格式及傳輸速率等；中心控制單元A負責驅動報警單元F。2)電源單元B電源單元B相當于圖I的電源模塊3，包括3. 6V鋰電池、TI bq27200電量檢測芯片及LED指示燈。bq27200檢測到電池電量過低時，向中心控制單元A發出報警信號，中心控制單元A驅動LED指示燈閃爍發光,提示操作人員及時更換電池。該處LED指示燈應與火災報警指示燈加以區別，本發明采用綠色LED燈。若加入無線網絡，則將低電量報警信號發送出去。
3)感溫單元C感溫單元C相當于圖I的感溫模塊4，采用TI TMP102低功耗芯片，芯片本身即是溫度傳感器，測溫范圍為-40-+125°C，在-25-+85°C范圍內，其測溫精度可達O. 5 °C。TMP102芯片內置AD轉換功能，采集數據經過AD轉換后通過串行總線直接與微處理器進行通信，降低了處理器的負荷。TMP102芯片提供了四種采集速率8Hz、4Hz、IHz和O. 25Hz，本發明在無火災報警狀態下采用IHz采集速率。若探測數據超出報警閾值，則將采集速率改為8Hz，對采集結果取平均值，若達到報警閾值，則感溫探測器發出報警信號。TMP102芯片大小僅為1.7X1. 7_，相對于熱敏電阻等感溫傳感器而言，電路將會得到極大的優化。用戶也可在探測器上安裝多個TMP102進行溫度測量，以提高測量精度及報警準確度。4)感煙單元D感煙單元D相當于圖I的感煙模塊5，采用散光式光電感煙原理。包括集煙倉、紅外發光二極管、紅外接收器及TLV2780運算放大器。本發明為減少電路復雜性，采用MSP430F2112芯片內置的AD轉換功能對感煙單元D采集的信號進行處理。當前設置為每隔Is感煙單元D處理一次數據，即分別采集紅外發光二極管關閉和開啟狀態下的煙氣數據，對結果進行比較。采集紅外發光二極管關閉時的數據并將紅外發光二極管開啟時采集的數據與其進行差值處理可有效消除環境的影響；當有煙氣存在時，紅外接收器會在紅外發光二極管開啟狀態下接收到較強的光信號，導致兩次采集數據的差值過大(測量采用散光式光電感煙原理紅外接收器與紅外發光二極管并不在一條直線上，即使發光二極管開啟，接收器也接收不到紅外信號；而當有煙氣存在時，由于煙氣顆粒的散射作用，接收器就會接收到紅外信號。而采集紅外發光二極管關閉情況的紅外信號并做差值，主要為了消除環境光的影響。)，該差值超過報警閾值時，即認為火災發生。詳細過程為在紅外發光二極管關閉的情況下，開啟紅外接收器及TLV2780放大器，采集當前紅外光信號并進行AD轉換；轉換完成后，開啟紅外發光二極管，采集當前紅外光信號并進行AD轉換；轉換完畢后，關閉感煙單元D，中心控制單元A對兩次采集的數據進行比較。若結果超過報警閾值，則立即重復上述操作3次(關閉、開啟紅外發光二極管(兩個動作)算是一次操作)，對處理結果取平均值，若達到報警閾值，則感煙單元D發出報警信號。5)無線傳輸單元E無線傳輸單元E相當于圖I的無線傳輸模塊6，包括TI CC2520芯片及2. 4GHz天線。可加入低功耗Zigbee無線網絡。本發明上電后，掃描信道，搜索可以加入的無線網絡。若無可加入的網絡，則關閉無線傳輸單元E，并間隔I小時掃描信道。若加入無線網絡，與主機交換信息，如地址信息、坐標信息等，并間隔20s向主機發送探測器狀態，確保探測器依然在網絡中，通信完畢后，關閉無線傳輸單元E。當探測器探測到火災信號時，若之前沒有加入網絡，則再次掃描可用信道，將報警信號發送出去；若已加入無線網絡，則立即開啟無線傳輸單元E，將報警信號發送出去。當主機確認警報為誤報現象時，可發送信息，關閉探測器的報警狀態。6)報警單元F報警單元F相當于圖I的聲光報警模塊7，包括蜂鳴器及紅色發光二極管。報警單 元F在無報警狀態下總處于關閉狀態，當中心控制單元A確認有火災發生時，驅動報警單元F發出聲光報警信號；當中心控制單元A確認火警解除或接收到主機發送的誤報信號時，則關閉報警單元F。本發明以上間隔時間及采集頻率等參數可根據實際場景要求進行調節。根據實例I節能設計，本發明在無報警狀態下主要元器件的功耗如表I、表2所示。通過計算可知，本發明在無報警狀態下的平均功耗僅為3. 5 μ A/s，報警響應時間僅為4s。表I感溫模塊各元件Is內功率預算表
權利要求
1.一種無線節能復合型火災探測器，包括中心控制模塊、定時器模塊、電源模塊、感溫模塊、感煙模塊、無線傳輸模塊及聲光報警模塊；其特征在于電源模塊與其它各模塊相連，負責整個電路的電力供應；定時器模塊與中心控制模塊相連，為中心控制模塊提供中斷計時；中心控制模塊與其它各模塊相連，負責整個電路的維護與控制工作，中心控制模塊控制定時器模塊的時間設置，控制感溫模塊與感煙模塊的數據分析及工作狀態，控制無線傳輸模塊的數據設置及工作狀態；控制聲光報警模塊的工作狀態；感溫模塊與中心控制模塊相連，負責現場溫度測量工作，并將測量結果傳送至中心控制模塊；感煙模塊與中心控制模塊相連，負責現場煙氣濃度測量工作，并將測量結果傳送至中心控制模塊；無線傳輸模塊與中心控制模塊相連，負責發送火災報警信號及接受主機控制信號；聲光報警模塊與中心控制模塊相連，負責火災發生時的現場報警工作； 無報警狀態下，感溫模塊與感煙模塊在中心控制模塊的調控下分時開啟工作，感溫模塊與感煙模塊中開啟工作的模塊作為工作的探測模塊，未開啟工作的模塊作為休眠狀態的探測模塊，當工作的探測模塊探測到的數據超過設置的報警閾值后，中心控制模塊立即開啟休眠狀態的探測模塊，若兩種探測模塊探測到的數據都超過各自的報警閾值后，中心控制模塊確認火災發生，驅動聲光報警模塊發出現場聲光報警，在連接到無線網絡的情況下，通過無線傳輸模塊將報警信號發送出去。
2.按權利要求I所述的無線節能復合型火災探測器，其特征在于，采用溫度探測與煙氣探測相結合方式探測火災，在保證報警準確度、響應時間的基礎上采用節能算法無報警狀態下，感溫模塊和感煙模塊分時開啟工作；當工作的探測模塊探測到火災信號時，立即開啟感溫模塊和感煙模塊中的另一探測模塊，若兩種探測模塊同時探測到火災信號，則探測器發出報警信號。
3.按權利要求I所述的無線節能復合型火災探測器，其特征在于，該無線節能復合型火災探測器探測器內置聲光報警模塊與無線傳輸模塊，聲光報警模塊提供現場聲光報警；在聯網條件下，通過無線傳輸模塊發送火災信號，否則關閉無線傳輸模塊；該無線節能復合型火災探測器作為獨立式火災探測器使用，或用于構建無線火災探測網。
4.按權利要求I所述的無線節能復合型火災探測器，其特征在于，各模塊采用低功耗元器件設計電路。
5.按權利要求I所述的無線節能復合型火災探測器，其特征在于，采用低功耗微處理器芯片，其喚醒時間僅為I μ S，微處理器只在處理數據時處于激活狀態，其余時間處于待機模式。
6.按權利要求I所述的無線節能復合型火災探測器，其特征在于，采用低功耗感溫芯片探測溫度，該芯片內置AD轉換及串口通信功能。
7.按權利要求I所述的無線節能復合型火災探測器，其特征在于，采用節能算法控制感溫模塊在無火災報警狀態下，感溫模塊采集速率為IHz ;當感溫模塊探測到火災信號時，采集速率改為8Hz ;若多次采集數據的平均值超過報警閾值，感溫模塊發出溫度報警信號。
8.按權利要求I所述的無線節能復合型火災探測器，其特征在于，采用散光式光電感煙原理設計感煙模塊在無火災報警狀態下，感煙模塊采集速率為IHz ;當感煙模塊探測到火災信號時，采集速率改為3Hz ;若多次采集數據的平均值超過報警閾值，感煙模塊發出煙氣報警信號。
9.按權利要求I所述的無線節能復合型火災探測器，其特征在于，采用鋰電池供電，采用電量檢測芯片監視電池電量，當電池電量過低時，通過發光二極管閃爍發出低電量報警信號，或通過無線網絡發送低電量報警信號。
10.按權利要求I所述的無線節能復合型火災探測器，其特征在于，采用無線傳輸裝置，當加入到無線網絡時，在無火災報警狀態下，間隔20s發送一次探測信號；若探測到火災信號，則立即發送火警信號，無信號傳輸時，無線傳輸裝置處于關閉狀態。
全文摘要
本發明專利涉及一種用于火災探測報警的無線節能感溫感煙復合型火災探測器。該探測器由中心控制模塊、定時器模塊、電源模塊、感溫模塊、感煙模塊、無線傳輸模塊及聲光報警模塊七大部分組成。本發明即可作為獨立式火災探測器使用也可以通過無線網絡組建火災探測系統。在考慮復合型探測器有效提高火災報警準確度的基礎上，采用節能算法和節能電路設計以延長探測器的使用壽命。在無火災報警狀態下，感溫模塊和感煙模塊分時開啟工作；當工作的探測模塊探測到火災信號時，立即開啟另一探測模塊；若兩種探測模塊同時探測到火災信號，則中心控制模塊控制聲光報警模塊發出報警信號。在聯網的情況下，將火警信號發送出去。
文檔編號G08B17/00GK102622844SQ20121007943
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月23日 優先權日2012年3月23日
發明者張和平, 李森, 李立明, 楊華 申請人:中國科學技術大學