葛明　張翔　楊春宇　李金蕾

摘要：針對倉庫火災(zāi)發(fā)生的原因中：私拉線路，下班、夜間預(yù)警能力低，該作品做了針對性的規(guī)劃為，具有無線供電功能的夜間火災(zāi)報警系統(tǒng)，白天天線通過無線供電模塊為電池充電存儲電能，夜間啟動低功耗的傳感器模塊，檢測溫度和光照強度，進(jìn)行對周圍環(huán)境溫度和光強的監(jiān)測，并通過MCU判斷是否超過閾值以啟動警示燈進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警。該作品適用于倉庫的夜間防火，由于倉庫屬性，不方便布線，也不具備條件搭載其他能源系統(tǒng)，應(yīng)用該設(shè)計時減少了布線成本，美觀方便，無源狀態(tài)下的實測無限供電距離為1.4m，由于傳感器模塊功耗極低，備用電池單次充電后的有效工作時間至少為11個月。

關(guān)鍵詞：無線供電;boost電路;單片機;溫度/光強傳感模塊;智能警報

0 引言

本設(shè)計為具有無線供電功能的夜間火災(zāi)報警系統(tǒng)，白天天線通過無線供電模塊為電池充電存儲電能，夜間啟動低功耗的傳感器模塊，檢測溫度和光照強度，進(jìn)行對周圍環(huán)境溫度和光強的監(jiān)測，并通過MCU判斷是否超過閾值以啟動警示燈進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警。

系統(tǒng)通過接收射頻能量，經(jīng)過整流、升壓、能量存儲，將射頻能量收集在電容中。在RF—DC電路中使用L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)對電路進(jìn)行阻抗匹配，經(jīng)過整流和濾波電路，將電荷存儲在電容器中。因為此時的電路輸出電壓較小，所以需要DC—DC升壓電路，本文采用boost（升壓）電路對電壓進(jìn)行升高。通過射頻能量收集技術(shù)來收集環(huán)境中的能量以此來為他們自身供電，或者實現(xiàn)在沒有電池的情況下工作，比如通過給小電容充電。環(huán)境中射頻能量的收集是通過天線和整流器來實現(xiàn)的。在環(huán)境能量較大，距離較近時，能量獲取的轉(zhuǎn)換效率較高，但是隨著環(huán)境能量的減小，距離的增大，能量獲取的轉(zhuǎn)換效率不斷下降。這些問題通過添加多級的整流電路和對器件性能參數(shù)進(jìn)行補償?shù)确椒ǖ玫搅顺醪降母纳?，但仍需要進(jìn)一步的研究改進(jìn)，

1 設(shè)計電路的基本結(jié)構(gòu)及主要原理

1.1 無線充電模塊的基本結(jié)構(gòu)

天線模塊部分，為了實驗方便及降低成本，使用實驗室器材：某品牌射頻信號發(fā)生源發(fā)射30dBi的射頻信號，使用兩塊功率為9.2dBi的天線作為發(fā)射天線和接收天線，在信號發(fā)生源與無線充電模塊之間傳遞能量。

無線充電模塊對環(huán)境中的能量進(jìn)行獲取，首先要將能量通過天線收集傳輸?shù)诫娐分校ㄟ^RF-DC電路，將射頻能量轉(zhuǎn)換為直流能量，然后儲存在一個電容器中。因為此時的直流能量較小，輸出電壓較低且不穩(wěn)定，所以需要一個DC—DC電路，來對前級電路的輸出電壓進(jìn)行升壓操作，以確保輸出電壓可以正常使用。

為一個環(huán)境射頻能量收集系統(tǒng)的大致框圖，由圖1可以看出，一個環(huán)境射頻能量收集系統(tǒng)主要是由四部分組成。

首先環(huán)境中的射頻能量被天線接收，天線在輸出端產(chǎn)生一個交流信號，信號經(jīng)過整流器進(jìn)行整流操作，輸出一個直流信號，達(dá)到RF轉(zhuǎn)DC的目的。天線和整流器通常一起組成一個整流天線。DC—DC模塊將直流信號進(jìn)行升壓操作。升壓轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵點在于，在超低的輸入電壓情況下處于冷啟動狀態(tài)。并且要高效輸出一個可用的輸出電壓。最后，輸出的直流能量存儲在一個電容器中進(jìn)行帶載操作。

1.1.1 RF—DC電路的電路結(jié)構(gòu)

如圖2所示，為RF—DC的電路結(jié)構(gòu)圖?？梢钥闯觯漕l能量通過天線接收后，產(chǎn)生一交流信號進(jìn)入電路，電容C1起到一定的隔直流通交流的作用。交流信號到達(dá)節(jié)點N時，當(dāng)N處的電壓的絕對值小于二極管的導(dǎo)通電壓時，兩個二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)節(jié)點N處的正電壓大于2號二極管的導(dǎo)通電壓時，2號二極管導(dǎo)通，1號二極管截止，再輸出得到一個負(fù)電壓。當(dāng)?shù)竭_(dá)節(jié)點N的負(fù)電壓絕對值大于1號二極管的導(dǎo)通電壓時，1號二極管導(dǎo)通，2號二極管截止，節(jié)點N的負(fù)電壓到達(dá)輸出端。

經(jīng)過整流網(wǎng)絡(luò)整流的信號經(jīng)過C2和C3組成的濾波網(wǎng)絡(luò)。大電容C3在較低頻率時能夠提供很好的通路，在高頻時由于寄生電感的存在將無法提供濾波通路。而小電容C2在較低頻率時阻抗太大無法提供濾波通路，在高頻時可以提供很好的濾波通路。最后將直流能量存儲在較大的電容C3中。

1.1.2 DC—DC電路的電路結(jié)構(gòu)

前級RF—DC電路的輸出電壓較低，無法正常驅(qū)動負(fù)載，而且輸出電壓不穩(wěn)定。所以需要后級的升壓電路對前級電路輸出電壓進(jìn)行電壓的升高操作。本文的升壓模塊采用的是boost（升壓）電路。如圖3所示為DC—DC電路的具體電路結(jié)構(gòu)。

圖4中的DC—DC電路的測試結(jié)果示意如圖所示。對被壓電路的測試如圖所示中，可以看出在一定范圍的內(nèi)升壓效果為放大13倍左右，但當(dāng)升壓電路的輸入電壓超過2V之后，升壓效果變差。由于我們后續(xù)模塊的工作電壓大致在3V左右，因此處在倍壓效果比較好的范圍內(nèi)。

最終由上述兩部分電路構(gòu)成了能量獲取模塊的總體電路，如下圖5所示。.

1.1.3 能量獲取系統(tǒng)的理論計算

天線理論中最重要的公式—Fris公式，它將發(fā)射功率、天線增益、距離、波長和接收功率聯(lián)系起來。Friis公式是用來計算從發(fā)射天線傳輸?shù)浇邮仗炀€的功率：

公式

其中，P_TX、P_RX分別是發(fā)射和接收功率，分別是發(fā)射和接收天線增益，λ是射頻波的波長，r是發(fā)射天線和接收天線距離。

要計算最遠(yuǎn)充電距離，必須知道接收端需要的最小輸入功率，參考RF—DC電路，在滿足后級最小供電電壓1.8V的條件時，接收功率需要5dB。實驗使用發(fā)射機發(fā)射功率P_TX=3dBm，發(fā)射天線增益G_TX=6dB，接收天線增益G_TX=6dB，發(fā)射頻率900MHz，理論計算得到最遠(yuǎn)充電距離為1.87m。

2 能量獲取電路的PCB實物有線與無線測試

經(jīng)過PCB的繪制，最終實現(xiàn)能量獲取系統(tǒng)的實物如圖6所示。該系統(tǒng)中已經(jīng)加入了L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。在頻率為920MHz，輸入射頻信號從30dB開始依次下降的情況下，對電路的輸出電壓進(jìn)行有線測試。測試結(jié)果如表1所示。

在完成了對能量獲取系統(tǒng)的有線測試，測試結(jié)果如表2，對其無線性能進(jìn)行測試。注意到無線情況空間中能量衰減，為保證安全性，射頻源及發(fā)射天線的輸出信號功率和控制為36dB，改變天線接收距離測量經(jīng)過電路后的電壓輸出值并列表進(jìn)行對比。已知單片機模塊工作所需的最小供電電壓為1.8V，列表查找滿足無線充電電壓要求的最大距離。

2.1 電池組

對于該設(shè)計可以有兩種模式進(jìn)行：通過無線充電模塊直接為傳感模塊供電進(jìn)行工作;也可先為預(yù)制的電池組充電，當(dāng)射頻源無法正常工作時啟動電池組為傳感控制模塊供電。

預(yù)制的電池組模塊由兩枚3.7V的蓄電池組成，對無線充電模塊產(chǎn)生的電能進(jìn)行收集。實際中，MCU靜態(tài)平均功耗為20μA，光照傳感器MAX44009靜態(tài)功耗1μA。若將總功耗按25μA計算，在使用該電池組時，單次為電池充滿電系統(tǒng)在有源模式可以連續(xù)工作11個月。

2.2 溫度傳感模塊

在該模塊中我們利用了主芯片“MSP430G2553”的偏上溫度傳感器和外接設(shè)備的光照傳感器“max44009”進(jìn)行溫度和光強的檢測，同時達(dá)到降低功耗的目的。

2.2.1 設(shè)計流程圖

整體把握該模塊的實現(xiàn)方式之后，規(guī)劃合理的流程圖，如圖7所示。

首先對各部分進(jìn)行初始化，包括：顯示屏的初始化、時鐘初始化、監(jiān)控模塊的初始化、I/O端口的初始化及溫度傳感器和光照傳感器的初始化。進(jìn)行溫度傳感器和光照傳感器的數(shù)據(jù)讀取和轉(zhuǎn)化，并通過接口傳入OLED屏幕進(jìn)行顯示。同時將數(shù)據(jù)傳入MCU判斷是否高于設(shè)定閾值，是則點亮LED燈進(jìn)行預(yù)警，否則結(jié)束該次循環(huán)。

2.2.2 模塊的設(shè)計實現(xiàn)

該模塊的系統(tǒng)原理圖如圖8所示：包括了六個主要部分：電源部分，閾值報警LED部分，OLED屏幕顯示部分，光照傳感器部分，MCU最小系統(tǒng)及溫度傳感器部分及下載、調(diào)試接口部分。

電源部分主要對整個系統(tǒng)前端電池組的輸出電壓和輸出電流進(jìn)行穩(wěn)壓和整流作用，使該模塊對前端電路的電壓電流穩(wěn)定度的依賴降低，因而該模塊的輸入電壓在3.3V～6.5V之間即可正常工作。閾值報警LED部分，主要作用在溫度傳感器和光強傳感器的傳輸數(shù)據(jù)高于設(shè)置的閾值溫度或光強時，啟動LED常亮，產(chǎn)生預(yù)警作用。OLED屏幕顯示部分控制字符顯示、顯示溫度和光強數(shù)據(jù)。光照傳感器和溫度傳感器對外界溫度光強做出反應(yīng)，讀取數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)并傳輸數(shù)據(jù)到MCU。MCU最小系統(tǒng)對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行判斷并作出應(yīng)答和反饋。通過下載及調(diào)試接口對該模塊進(jìn)行代碼編寫燒錄和運行。2.2.3 代碼及板級實現(xiàn)

將各部分模塊代碼編譯完成，通過頂層模塊進(jìn)行調(diào)用，并對所設(shè)閾值進(jìn)行判定，如圖所示，為了便于演示和測量，我們將閾值設(shè)為當(dāng)溫度大于28攝氏度或者光照強度大于1000Lux時使電路控制LED燈點亮，以起到警示和降低功耗的雙重目的。

為方便示范和測量檢測，后期對電路進(jìn)行規(guī)劃布局，將各部分的電路集成到一塊PCB上，形成完整穩(wěn)定的傳感器模塊，并可通過預(yù)留的接口對閾值進(jìn)行調(diào)節(jié)和更改。完成的最終PCB版圖如下。

3 結(jié)論

至此，該作品的講解結(jié)束，目前依舊存在一些問題有待解決，比如無線供電距離不夠長;為降低傳感器模塊功耗所測數(shù)據(jù)較少，有待希望增加其他傳感數(shù)據(jù)，例如煙霧傳感器等。

隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，越來越多的設(shè)備變得智能化，高效的使用能量獲取技術(shù)取代電池來為傳感器供電變得越來越被公眾所關(guān)注。根據(jù)環(huán)境中射頻能量的分布特點，設(shè)計使用多頻段的能量獲取電路可以有效提高電路的輸出功率，提高對環(huán)境中射頻能量的利用率。同時，能量獲取電路可獲取的最低輸入功率也有望會越來越小，通過對射頻整流器性能的提升，可以有效降低能量獲取電路在充電階段的功耗，進(jìn)而使能量獲取電路的最低輸入功率進(jìn)一步減小。希望之后有機會將該作品更加完善，使用更加穩(wěn)定，并擴(kuò)大適用范圍，適應(yīng)更多的使用場景。

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