一种振动供能的车间远程火灾报警器

摘 要 ：火灾报警器可以有效地探测、报警火灾，以便人们及时控制火势蔓延。传统的火灾报警器采用有线供电，但布线困难、移动不灵活 ；而使用电池供电的火灾报警器又需要定期更换电池，且电池会对环境造成污染。针对这一问题，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。它可以通过多个压电片俘获机器的振动能量，并实时地向电池充电，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。

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 [8-10]。

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 Vmax ；并且压电材料形变幅度越大，Vmax 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。

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 Cp 充电，并向小电容 C1 充电。当压电片达到最大位移时，电压达到峰值 Vmax，随后压电片从最大位移处向平衡位置移动，Cp 上的电压慢慢下降。当 Cp 上的电压下降到Vmax-VBE-VD 时，三极管 Q3 导通。C1 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 Cp 上的电荷向电感转移。当内部电容 Cp 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。

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。

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。

3.3 烟雾传感器

本文采用 MQ-2 模块作为烟雾检测传感器，其体积小、成本低，并适用于检测液化石油气、一氧化碳等可燃气体引起的火灾，其电路如图 6 所示，输出结果由单片机进行 AD检测。

3.4 GSM 模块

本文采用SIM900A模块进行报警通信，虽然其功耗很低，睡眠模式下仅消耗 1 mA 的电流，但还是大大超过了系统能承受的最大消耗。因此，平常情况下 Con2 输出高电平 5 V，GSM 模块处于断电状态，如图 7 所示。

当传感器检测到烟雾浓度较大时，Con2 输出低电平，GSM 模块开始工作 ；通过初始化之后，MCU 通过串口与GSM 模块通信，波特率通常选择 9 600，并利用 AT 指令发送报警信息。

4 结 语

本文提出了一种振动供能的车间远程火灾报警器，可通过多个压电片俘获机器的振动能量，并实时地向电池充电，不再需要频繁更换电池，其结构可根据实际情况进行扩展。系统大部分时候处于休眠状态，以减少电路消耗。

审核编辑 ：李倩