一種振動供能的車間遠程火災報警器

摘 要 ：火災報警器可以有效地探測、報警火災，以便人們及時控制火勢蔓延。傳統的火災報警器采用有線供電，但布線困難、移動不靈活 ；而使用電池供電的火災報警器又需要定期更換電池，且電池會對環境造成污染。針對這一問題，本文提出了一種振動供能的車間遠程火災報警器，主要用于振動能豐富的機械車間。它可以通過多個壓電片俘獲機器的振動能量，并實時地向電池充電，不再需要頻繁更換電池，不需要布線，可以大大節省布線成本以及更換電池產生的人工成本。

1 系統整體架構設計

本項目擬采用多源壓電片進行振動能量的收集，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實際情況進行擴展，收集更多的振動能量。能量收集電路可以采用多個壓電片同時進行能量收集。電池向煙霧傳感器、控制模塊、GSM 無線模塊供電。

2 振動能量俘獲

2.1 壓電片

本文采用壓電式振動能量俘獲裝置，利用壓電材料的正壓電效應，將動能轉換為電能。壓電片的一端固定在報警器上，另一端安裝一個質量塊 [8-10]。

當整個報警器振動時，壓電片輸出交流（AC）信號。當壓電片發生形變最大時，電壓達到最大值 Vmax ；并且壓電材料形變幅度越大，Vmax 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

單個壓電片所收集到的電能很微弱，因此可以增加壓電片的數量以提升收集功率。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。

以 PZT1 為例說明振動能量收集過程。振動過程中，壓電片從平衡位置向極值位置移動，PZT1 兩端產生電荷，向內部電容 Cp 充電，并向小電容 C1 充電。當壓電片達到最大位移時，電壓達到峰值 Vmax，隨后壓電片從最大位移處向平衡位置移動，Cp 上的電壓慢慢下降。當 Cp 上的電壓下降到Vmax-VBE-VD 時，三極管 Q3 導通。C1 上的高電位通過導通的Q3 連接在 Q1 的基極使得三極管 Q1 導通。PZT1、Q1、L、D4 組成 LC 回路，內部電容 Cp 上的電荷向電感轉移。當內部電容 Cp 上的電壓為 0 時，電感上的電流達到峰值。二極管 D 導通，電感向電池充電。壓電片波形如圖 3 所示。

3 控制、檢測、無線模塊

3.1 控制模塊

控制模塊采用 STC 公司的低功耗單片機 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。

系統采用間斷式的工作模式，絕大多數時候單片機處于休眠狀態，其他模塊處于關閉狀態，以此來降低功耗，如圖 4 所示。

3.2 電源模塊

電池可以直接給單片機供電，但 GSM 模塊和煙霧傳感器需要穩定的 5 V 電壓供電，因此需要一個 DC/DC 模塊實現升壓。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 為單片機控制端，Con 輸出低電平，P1 導通，則電源模塊開始工作 ；Con 輸出高電平，則電源模塊不工作，以節省電能消耗。

3.3 煙霧傳感器

本文采用 MQ-2 模塊作為煙霧檢測傳感器，其體積小、成本低，并適用于檢測液化石油氣、一氧化碳等可燃氣體引起的火災，其電路如圖 6 所示，輸出結果由單片機進行 AD檢測。

3.4 GSM 模塊

本文采用SIM900A模塊進行報警通信，雖然其功耗很低，睡眠模式下僅消耗 1 mA 的電流，但還是大大超過了系統能承受的最大消耗。因此，平常情況下 Con2 輸出高電平 5 V，GSM 模塊處于斷電狀態，如圖 7 所示。

當傳感器檢測到煙霧濃度較大時，Con2 輸出低電平，GSM 模塊開始工作 ；通過初始化之后，MCU 通過串口與GSM 模塊通信，波特率通常選擇 9 600，并利用 AT 指令發送報警信息。

4 結 語

本文提出了一種振動供能的車間遠程火災報警器，可通過多個壓電片俘獲機器的振動能量，并實時地向電池充電，不再需要頻繁更換電池，其結構可根據實際情況進行擴展。系統大部分時候處于休眠狀態，以減少電路消耗。

審核編輯 ：李倩