振动供能的车间远程火灾报警器

2022-09-19郑贤坤陈志栋徐旭昊翁正国

物联网技术 2022年9期

关键词：报警器导通压电

郑贤坤，陈志栋，赵初，徐旭昊，翁正国

（浙江工商职业技术学院，浙江宁波 315012）

0 引言

自动火灾报警器在火灾事故预警方面起着极其重要的作用，被应用于家庭、工厂、先进的动车组等环境。它利用传感器元件获取火灾发生的信号，可以在火灾早期发出报警信息，减小损失，保障人身财产安全。

随着科技的发展，工厂车间也逐渐趋向智能化。车间内有大量的机械机器和工人。如果发生火灾，将造成不可逆转的损失。因此，自动火灾报警器在工厂车间的应用十分广泛。

目前的火灾报警器主要分为两类：（1）有线供电：这种方式一般比较稳定，对于节点的耗电也没有严格要求，但存在布线困难、成本大等缺点，并且布线一旦完成，不容易更改。（2）电池供电：这种方式克服了有线供电的缺点，但是对于耗电有严格要求，即便耗电很低，仍存在电池电量耗尽的问题，电池一旦耗尽，会有巨大的安全隐患。

本文提出了一种振动供能的车间远程火灾报警器，主要用于振动能丰富的机械车间。它可以通过收集机械振动能，向电池充电，不再需要频繁更换电池，不需要布线，可以大大节省布线成本以及更换电池产生的人工成本。

1 系统整体架构设计

本项目拟采用多源压电片进行振动能量的收集，并向电池充电，大大降低电池成本和人工成本，如图1所示。其多源压电片可根据实际情况进行扩展，收集更多的振动能量。能量收集电路可以采用多个压电片同时进行能量收集。电池向烟雾传感器、控制模块、GSM无线模块供电。

图1 振动供能的车间远程火灾报警器

2 振动能量俘获

2.1 压电片

本文采用压电式振动能量俘获装置，利用压电材料的正压电效应，将动能转换为电能。压电片的一端固定在报警器上，另一端安装一个质量块。

当整个报警器振动时，压电片输出交流（AC）信号。当压电片发生形变最大时，电压达到最大值；并且压电材料形变幅度越大，的值就越大，也表示输出的电能越多。

2.2 多压电片能量收集电路

单个压电片所收集到的电能很微弱，因此可以增加压电片的数量以提升收集功率。如图2所示为多压电片能量收集电路，PZT1和PZT2为压电片1和压电片2。

图2 多压电片能量收集电路

以PZT1为例说明振动能量收集过程。振动过程中，压电片从平衡位置向极值位置移动，PZT1两端产生电荷，向内部电容充电，并向小电容充电。当压电片达到最大位移时，电压达到峰值，随后压电片从最大位移处向平衡位置移动，上的电压慢慢下降。当上的电压下降到--时，三极管Q3导通。上的高电位通过导通的Q3连接在Q1的基极使得三极管Q1导通。PZT1、Q1、L、D4组成LC回路，内部电容上的电荷向电感转移。当内部电容上的电压为0时，电感上的电流达到峰值。二极管D导通，电感向电池充电。压电片波形如图3所示。

图3 压电片能量收集波形

3 控制、检测、无线模块

3.1 控制模块

控制模块采用STC公司的低功耗单片机STC15W204S，其具有宽工作电压2.0～5.5 V、256 B的SRAM、4 KB的程序空间、低功耗掉电模式。

系统采用间断式的工作模式，绝大多数时候单片机处于休眠状态，其他模块处于关闭状态，以此来降低功耗，如图4所示。

图4 工作模式

3.2 电源模块

电池可以直接给单片机供电，但GSM模块和烟雾传感器需要稳定的5 V电压供电，因此需要一个DC/DC模块实现升压。本文采用SX1308升压芯片，电路如图5所示，输入为电池电压，输出为5 V。Con为单片机控制端，Con输出低电平，P1导通，则电源模块开始工作；Con输出高电平，则电源模块不工作，以节省电能消耗。