鄭賢坤，陳志棟，趙 初，徐旭昊，翁正國(guó)

（浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 315012）

0 引 言

自動(dòng)火災(zāi)報(bào)警器在火災(zāi)事故預(yù)警方面起著極其重要的作用，被應(yīng)用于家庭、工廠、先進(jìn)的動(dòng)車組等環(huán)境。它利用傳感器元件獲取火災(zāi)發(fā)生的信號(hào)，可以在火災(zāi)早期發(fā)出報(bào)警信息，減小損失，保障人身財(cái)產(chǎn)安全。

隨著科技的發(fā)展，工廠車間也逐漸趨向智能化。車間內(nèi)有大量的機(jī)械機(jī)器和工人。如果發(fā)生火災(zāi)，將造成不可逆轉(zhuǎn)的損失。因此，自動(dòng)火災(zāi)報(bào)警器在工廠車間的應(yīng)用十分廣泛。

目前的火災(zāi)報(bào)警器主要分為兩類：（1）有線供電：這種方式一般比較穩(wěn)定，對(duì)于節(jié)點(diǎn)的耗電也沒(méi)有嚴(yán)格要求，但存在布線困難、成本大等缺點(diǎn)，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(diǎn)，但是對(duì)于耗電有嚴(yán)格要求，即便耗電很低，仍存在電池電量耗盡的問(wèn)題，電池一旦耗盡，會(huì)有巨大的安全隱患。

本文提出了一種振動(dòng)供能的車間遠(yuǎn)程火災(zāi)報(bào)警器，主要用于振動(dòng)能豐富的機(jī)械車間。它可以通過(guò)收集機(jī)械振動(dòng)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(jié)省布線成本以及更換電池產(chǎn)生的人工成本。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目擬采用多源壓電片進(jìn)行振動(dòng)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(jù)實(shí)際情況進(jìn)行擴(kuò)展，收集更多的振動(dòng)能量。能量收集電路可以采用多個(gè)壓電片同時(shí)進(jìn)行能量收集。電池向煙霧傳感器、控制模塊、GSM無(wú)線模塊供電。

圖1 振動(dòng)供能的車間遠(yuǎn)程火災(zāi)報(bào)警器

2 振動(dòng)能量俘獲

2.1 壓電片

本文采用壓電式振動(dòng)能量俘獲裝置，利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。壓電片的一端固定在報(bào)警器上，另一端安裝一個(gè)質(zhì)量塊。

當(dāng)整個(gè)報(bào)警器振動(dòng)時(shí)，壓電片輸出交流（AC）信號(hào)。當(dāng)壓電片發(fā)生形變最大時(shí)，電壓達(dá)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(gè)壓電片所收集到的電能很微弱，因此可以增加壓電片的數(shù)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(shuō)明振動(dòng)能量收集過(guò)程。振動(dòng)過(guò)程中，壓電片從平衡位置向極值位置移動(dòng)，PZT1兩端產(chǎn)生電荷，向內(nèi)部電容充電，并向小電容充電。當(dāng)壓電片達(dá)到最大位移時(shí)，電壓達(dá)到峰值，隨后壓電片從最大位移處向平衡位置移動(dòng)，上的電壓慢慢下降。當(dāng)上的電壓下降到--時(shí)，三極管Q3導(dǎo)通。上的高電位通過(guò)導(dǎo)通的Q3連接在Q1的基極使得三極管Q1導(dǎo)通。PZT1、Q1、L、D4組成LC回路，內(nèi)部電容上的電荷向電感轉(zhuǎn)移。當(dāng)內(nèi)部電容上的電壓為0時(shí)，電感上的電流達(dá)到峰值。二極管D導(dǎo)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(cè)、無(wú)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(jī)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(tǒng)采用間斷式的工作模式，絕大多數(shù)時(shí)候單片機(jī)處于休眠狀態(tài)，其他模塊處于關(guān)閉狀態(tài)，以此來(lái)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(jī)供電，但GSM模塊和煙霧傳感器需要穩(wěn)定的5 V電壓供電，因此需要一個(gè)DC/DC模塊實(shí)現(xiàn)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(jī)控制端，Con輸出低電平，P1導(dǎo)通，則電源模塊開(kāi)始工作；Con輸出高電平，則電源模塊不工作，以節(jié)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(cè)傳感器，其體積小、成本低，并適用于檢測(cè)液化石油氣、一氧化碳等可燃?xì)怏w引起的火災(zāi)，其電路如圖6所示，輸出結(jié)果由單片機(jī)進(jìn)行AD檢測(cè)。

圖6 煙霧傳感器電路

3.4 GSM 模塊

本文采用SIM900A模塊進(jìn)行報(bào)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(guò)了系統(tǒng)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(tài)，如圖7所示。

圖7 GSM模塊示意圖

當(dāng)傳感器檢測(cè)到煙霧濃度較大時(shí)，Con2輸出低電平，GSM模塊開(kāi)始工作；通過(guò)初始化之后，MCU通過(guò)串口與GSM模塊通信，波特率通常選擇9 600，并利用AT指令發(fā)送報(bào)警信息。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種振動(dòng)供能的車間遠(yuǎn)程火災(zāi)報(bào)警器，可通過(guò)多個(gè)壓電片俘獲機(jī)器的振動(dòng)能量，并實(shí)時(shí)地向電池充電，不再需要頻繁更換電池，其結(jié)構(gòu)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行擴(kuò)展。系統(tǒng)大部分時(shí)候處于休眠狀態(tài)，以減少電路消耗。