CN212933709U - 一种nb-iot低功耗双向散射型光电感烟探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种NB‑IOT低功耗双向散射型光电感烟探测器。本实用新型中的NB‑IOT模块包括主芯片BC26以及SIM卡电路、串口电平转换电路、开机电路、唤醒电路、复位电路以及网络指示灯电路。烟雾检测模块包括两路红外光发光电路以及与所述两路红外光发光电路呈斜向设置的红外光接收电路；当环境中无烟雾时，红外光接收电路无法接收到红外光发光电路发出的红外光；当环境中有烟雾时，由于烟雾粒子对光的散射作用，使得红外光接收电路接收到红外光发光电路发出的红外光。本实用新型采用双向散射方式定时检测环境中的烟雾，实现对不同颜色、不同粒径烟雾的识别，利用NB‑IOT技术实时上报数据，实时掌握设备工作状态。

Description

一种NB-IOT低功耗双向散射型光电感烟探测器

技术领域

本实用新型涉及一种烟感探测器，具体涉及一种NB-IOT低功耗双向散射型光电感烟探测器。

背景技术

火灾无疑是人们生命及财产安全的最大威胁之一，随着人们消防意识的提高，独立烟感得到一定程度的普及，在防火方面起到一定作用。但由于独立烟感功能单一、只能声光报警、电池寿命短、维修困难且不能实时掌握工作状态，存在一定的局限。随着NB-IOT技术的日益成熟，新的智能烟感解决方案呼之欲出，NB-IOT作为物联网领域的新兴技术，特别适用于待机时间长，对网络要求较高的情况。

散射型光电感烟探测器作为独立烟感的一种，大多采用单向散射的方式检测烟雾，也就是采用一组红外对管的方式。单向散射型烟感设备对粒径较大的白色烟雾或灰色烟雾探测灵敏度较高，但对粒径较小的黑色烟雾探测灵敏度较差，且不能很好地识别水蒸气、灰尘等影响因素，会有误报现象。采用双向散射的方式可以实现对不同颜色、不同粒径烟雾的识别，排除水蒸气、灰尘等非火灾因素的干扰，提高可靠性。

发明内容

本实用新型的目的针对现有烟感设备的不足，提出了一种基于NB-IOT技术的低功耗双向散射型光电感烟探测器，解决目前烟感设备功能单一、电池寿命短、不能实时掌握工作状态、可靠性不够等问题。

本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型包括MCU控制模块、NB-IOT模块、烟雾检测模块、语音报警模块、按键自检模块、电池及防反模块。

电源及防反模块分别与MCU控制模块、NB-IOT模块、烟雾检测模块、语音报警模块、按键自检模块相连；所述NB-IOT模块与MCU控制模块通过串口相连；所述烟雾检测模块、语音报警模块、按键自检模块分别与MCU控制模块的I/O口相连。

所述的NB-IOT模块包括主芯片BC26以及SIM卡电路、串口电平转换电路、开机电路、唤醒电路、复位电路以及网络指示灯电路。

所述NB-IOT模块通过串口电平转换电路与MCU控制模块相连，由MCU控制模块通过串口控制NB-IOT模块进入各种工作模式。

处于正常工作模式时，NB-IOT模块通过SIM卡电路连接云平台，实时上报火灾报警数据、故障报警数据、电池欠压报警数据以及主动上报冻结数据；无需上报数据时，MCU控制模块通过串口控制NB-IOT模块处于深睡眠模式。

所述MCU控制模块通过开机电路控制NB-IOT模块开、关机；MCU控制模块通过唤醒电路唤醒处于深睡眠模式的NB-IOT模块。

所述网络指示灯电路用来指示NB-IOT模块的网络状态。

所述烟雾检测模块包括两路红外光发光电路以及与所述两路红外光发光电路呈斜向设置的红外光接收电路；当环境中无烟雾时，红外光接收电路无法接收到红外光发光电路发出的红外光；当环境中无烟雾时，由于烟雾粒子对光的散射作用，使得红外光接收电路接收到红外光发光电路发出的红外光。

进一步说，所述的MCU控制模块包括主芯片HC32L130J8TA及其***电路、用于指示电池低压的报警指示灯电路。

进一步说，所述的红外光发光电路的供电由MCU控制模块通过对应的MOS管进行控制，所述红外光接收电路的供电由MCU控制模块的I/O口控制。

进一步说，所述的语音报警模块采用语音芯片NV065A，其供电由MCU控制模块通过对应的MOS管进行控制。

本实用新型的有益效果：

本实用新型采用双向散射方式检测烟雾，实现对不同颜色、不同粒径烟雾的识别，排除水蒸气、灰尘等非火警因素造成的误报警。

本实用新型利用NB-IOT技术与物联网云平台建立连接，实时上报火灾报警数据、故障报警数据、电池电压报警以及主动上报冻结数据，解决目前烟感设备网络不稳定，无法及时了解设备工作状态的问题。

本实用新型降低设备整体功耗，实测设备待机电流只有6.59uA，设备可以持续使用5年以上，减少用户频繁更换电池的麻烦。

本实用新型设置自检按键，运维人员可以定期对设备进行自检，在故障检查方面有更好的智能性。

本实用新型监测电池电压，一旦电池欠压，报警提醒用户及时更换电池，避免因电池欠压造成设备不能正常工作而带来损失；还加入电池防反接电路，避免电池反接造成不必要的损失。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图；

图2是MCU控制模块1电路原理图；

图3是NB-IOT模块2的电路原理图；

图4是烟雾检测模块3的电路原理图；

图5是语音报警模块4的电路原理图；

图6是按键自检模块5的原理图；

图7是电池及防反模块6的原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图和实例对本实用新型进行进一步的详细说明。

本实用新型包括MCU控制模块、NB-IOT模块、烟雾检测模块、语音报警模块、按键自检模块、电池及防反模块。

所述的MCU控制模块由低功耗单片机及***电路、指示灯电路组成；MCU选用低功耗单片机HC32L130J8TA，可进入深度休眠模式，降低设备功耗；MCU控制模块控制烟雾检测模块每隔8秒定时检测环境中的烟雾并采集处理烟雾检测模块的检测数据；MCU控制模块控制NB-IOT模块工作模式以及上报数据；MCU控制模块控制语音报警模块语音报警；MCU控制模块还监测电池电压，一旦发现电池电压低于2.4V，MCU控制模块控制点亮红色报警灯，控制语音报警模块语音报警，控制NB-IOT模块上报电池欠压报警数据至物联网云平台，提醒用户及时更换电池，避免因电池欠压造成设备不能正常工作而带来损失。

所述的NB-IOT模块与物联网云平台建立连接，实时上报火灾报警数据、故障报警数据、电池欠压报警以及主动上报冻结数据；无需上报数据时，为降低***功耗，MCU控制模块通过串口控制NB-IOT模块进入深睡眠模式，此时NB-IOT模块只消耗3.5uA电流。

所述的烟雾检测模块采用双向散射方式定时检测环境中的烟雾，MCU控制模块控制烟雾检测模块每隔8秒检测一次环境中的烟雾，正常环境时，红外光接收管接收不到两个红外光发光管发出的红外光，MCU控制模块的AD采集信号无变化；当环境中产生燃烧后的烟雾时，由于光对烟雾粒子的散射作用，红外光接收管接收到两个红外光发光管发出的红外光，MCU控制模块的AD采集信号发生变化，如果MCU控制模块的AD采集信号连续三次采集到高于设定阈值的电压，则MCU控制模块控制烟雾检测模块进行连续3秒的检测，MCU控制模块通过连续3秒采集到的数据进行分析判断是否发生火灾，一旦确认发生火灾，则点亮红色报警指示灯，控制语音报警模块进行语音报警，同时控制NB-IOT模块上传报警信息至物联网云平台；MCU控制烟雾检测模块定时检测烟雾，非检测期间通过MOS管切断烟雾检测模块电源降低功耗，同时，两个红外光发光管驱动电路采用恒流输出模式，使两个红外光发光管的驱动电流为恒定值，一方面延长发光管使用寿命，一方面降低功耗。

所述的语音报警模块由语音芯片NV065A及8R/0.5W扬声器组成，在发生火情时可以发出清晰明显的报警提示音，在距离设备3米处，声压可达到80dB以上，为降低设备功耗，正常环境时，由MCU控制模块通过MOS管切断语音报警模块供电以使这部分电路不消耗电流来降低功耗。

所述的按键自检模块对设备进行自检，运维人员可以定期对设备进行检查，按下自检按键，设备开始自检，包括检查报警指示灯是否正常点亮，语音报警模块是否发出声音、AD采集信号是否正常以及NB-IOT模块是否正常上报数据至物联网云平台。

所述的电池及防反模块采用3V软包电池给设备供电，并对电池电压进行监测，一旦发现电池电压低于2.4V，MCU控制模块控制点亮红色报警灯，控制语音报警模块语音报警，控制NB-IOT模块上报电池欠压报警数据至物联网云平台，提醒用户及时更换电池，避免因电池欠压造成设备不能正常工作而带来损失；还加入电池防反接电路，避免电池反接造成设备损坏。

实施例：

如图1所示，本实施例包括MCU控制模块1、NB-IOT模块2、烟雾检测模块3、语音报警模块4、按键自检模块5、电池及防反模块6。所述电源及防反模块6分别与MCU控制模块1、NB-IOT模块2、烟雾检测模块3、语音报警模块4、按键自检模块5相连；所述NB-IOT模块2与MCU控制模块1通过串口相连；所述烟雾检测模块3、语音报警模块4、按键自检模块5分别与MCU控制模块1的I/O口相连。

图2为所述MCU控制模块1电路原理图，MCU控制模块1包括主芯片HC32L130J8TA及其***电路和报警指示灯电路；HC32L130J8TA是一款旨在延长便携式测量***的电池使用寿命的超低功耗MCU，在深度睡眠工作模式下只消耗500nA左右电流；MCU控制模块1控制烟雾检测模块3定时检测烟雾，并通过AD信号采集处理烟雾检测模块3的检测数据；MCU控制模块1通过串口控制NB-IOT模块2工作模式以及上报数据；MCU控制模块1控制语音报警模块4语音报警；MCU控制模块1还监测电池电压，一旦发现电池电压低于2.4V，MCU控制模块1控制点亮红色报警灯，控制语音报警模块4语音报警，控制NB-IOT模块2上报电池欠压报警数据至物联网云平台，提醒用户及时更换电池，避免因电池欠压造成设备不能正常工作而带来损失。

图3为所述NB-IOT模块2的电路原理图，NB-IOT模块2包括主芯片BC26以及SIM卡电路、串口电平转换电路、开机电路、唤醒电路、复位电路以及网络指示灯电路；主芯片U4的1脚、10脚、27脚、34脚、36脚、37脚、40脚、41脚接地；主芯片U4的42脚接U4的43脚、电容C1的一端、电容C2的一端、电容C3的一端、电容C4的一端以及电源VBAT，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4的另一端都接地。SIM卡电路包括SIM卡座U5、电阻R43、R44、R45和R46、电容C37、C38、C39、C40和C41，主芯片U4的11脚接电阻R44的一端，电阻R44的另一端接电容C38的一端、电阻R43的一端和SIM卡座U5的6脚，电容C38的另一端接地，电阻R43的另一端接主芯片U4的14脚、电容C40的一端、电容C41的一端和SIM卡座U5的1脚，电容C40、电容C41的另一端接地。主芯片U4的12脚接电阻R45的一端，电阻R45的另一端接电容C37的一端和SIM卡座U5的3脚，电容C37的另一端接地，主芯片U4的13脚接电阻R46的一端，电阻R46的另一端接电容C39的一端和SIM卡座U5的5脚，电容C39的另一端接地，SIM卡座U5的2脚接地。串口转换电路包括三极管Q12和Q14、电阻R37、R38、R41和R42、电容C33和C34，主芯片U4的17脚接电阻R42的一端和三极管Q14的集电极，电阻R42的另一端接主芯片U4的24脚、电容C35的一端、电容C36的一端、电容C34的一端和电阻R41的一端，电容C35、电容C36的另一端接地，电容C34的另一端接电阻R34的另一端和三极管Q14的基极，三极管Q14的发射极接MCU控制模块1的12脚，主芯片U4的18脚接电阻R37的一端和三极管Q12的发射极，电阻R37的另一端接电源VBAT，三极管Q12的基极接电阻R38的一端和电容C33的一端，电阻R38的另一端接电容C33的另一端和电源VBAT，三极管Q12的集电极接MCU控制模块1的13脚。开机电路包括三极管Q13、电阻R39和R40，三极管Q13的集电极与主芯片U4的7脚相连，三极管Q13的基极与电阻R39的一端、电阻R40的一端相连，电阻R39的另一端接MCU控制模块1的19脚，电阻R40的另一端与三极管Q13的发射极、地相连。唤醒电路包括三极管Q10、电阻R31和R35，三极管Q10的集电极与主芯片U4的19脚相连，三极管Q10的基极与电阻R31的一端、电阻R35的一端相连，电阻R31的另一端与MCU控制模块1的2脚相连，电阻R35的另一端与三极管Q10的发射极以及地相连。复位电路包括三极管Q9、电阻R30和R33，三极管Q9的集电极与主芯片U4的15脚相连，三极管Q9的基极与电阻R30的一端、电阻R33的一端相连，电阻R30的另一端与MCU控制模块1的46脚相连，电阻R33的另一端与三极管Q9的发射极以及地相连。网络指示灯电路包括三极管Q11、电阻R32、R34和R36、发光二极管LED1,电阻R32的一端与主芯片U4的16脚相连，电阻R32的另一端与电阻R34的一端、三极管Q11的基极相连，电阻R34的另一端与三极管Q11的发射极以及地相连，三极管Q11的集电极与电阻R36的一端相连，电阻R36的另一端与发光二极管LED1的阴极相连，发光二极管LED1的阳极与电源VBAT相连。天线基座P3的1脚与主芯片U4的35脚相连，天线基座P3的2脚、3脚接地；NB-IOT模块2通过串口与MCU控制模块1相连，由MCU通过串口控制NB-IOT模块进入各种工作模式，处于正常工作模式时，NB-IOT模块通过SIM卡连接云平台，可实时上报火灾报警数据、故障报警数据、电池欠压报警数据以及主动上报冻结数据；无需上报数据时，MCU控制模块1通过串口控制NB-IOT模块2处于深睡眠模式，此时NB-IOT模块2只消耗3.5uA电流，大大降低设备功耗，延长电池使用寿命。串口电平转换电路用来匹配MCU芯片的电压阈，使得MCU芯片与NB-IOT芯片能够正常通信；MCU控制模块1通过开机电路控制NB-IOT模块2开、关机；MCU控制模块1通过唤醒电路唤醒处于深睡眠模式的NB-IOT模块2；网络指示灯电路用来指示NB-IOT模块2的网络状态，网络指示灯以高电平64ms（灯亮）/低电平2000ms（灯灭）的频率闪烁时表示NB-IOT模块已与物联网云平台建立连接。

图4为所述烟雾检测模块3的电路原理图，烟雾检测模块3包括红外光发光管D3及其驱动电路、红外发光管D4及其驱动电路以及红外光接收管D5及其信号处理电路，红外光发光管D3及其驱动电路包括PMOS管Q1、三极管Q2和Q3、电阻R12、R13、R14和R15、电容C19；其中PMOS管Q1的源极接电源VBAT和电阻R12的一端，PMOS管Q1的栅极接电阻R12的另一端和电阻R13的一端，电阻R13的另一端接MCU控制模块1的41脚，PMOS管Q1的漏极接电阻R14的一端、红外发光管D3的阳极、电容C19的一端，电阻R14的另一端接三极管Q2的集电极和三极管Q3的基极，红外发光管D3的阴极接三极管Q3的集电极，电容C19的另一端接地，三极管Q2的基极接三极管Q3的发射极及电阻R15的一端，三极管Q2的发射极接地，电阻R15的另一端接地。红外光发光管D4及其驱动电路包括PMOS管Q4、三极管Q5和Q6、电阻R16、R17、R18和R19、电容C20；其中PMOS管Q4的源极接电源VBAT和电阻R16的一端，PMOS管Q4的栅极接电阻R16的另一端和电阻R17的一端，电阻R17的另一端接MCU控制模块1的40脚，PMOS管Q4的漏极接电阻R18的一端、红外光发光管D4的阳极、电容C20的一端，电阻R18的另一端接三极管Q5的集电极和三极管Q6的基极，红外光发光管D4的阴极接三极管Q6的集电极，电容C20的另一端接地，三极管Q5的基极接三极管Q6的发射极及电阻R19的一端，三极管Q5的发射极接地，电阻R19的另一端接地。红外光接收管D5及其信号处理电路包括红外光接收管D5、运放U2、电阻R20、R21、R22、R23、R24和R25、电容C21、C22、C23和C24，运放U2的1脚接电阻R22的一端、电阻R21的一端和红外光接收管D5的阳极，电阻R21的另一端接地，电阻R22的另一端接电容C22的一端、红外光接收管D5的阴极和电阻R20的一端，电容C22的另一端接地，电阻R20的另一端接电容C21的一端、电阻R25的一端和MCU控制模块1的39脚，电容C21的另一端接地，电阻R25的另一端接电容C24的一端及运放U2的5脚，电容C24的另一端接地，运放U2的2脚接地，U2的3脚接电阻R23的一端、电阻R24的一端和电容C23的一端，电阻R23的另一端接地，电阻R24的另一端接电容C23的另一端、运放U2的4脚和MCU控制模块1中电阻R4的一端。烟雾检测模块3通过普通I/O口与MCU控制模块1相连，为降低设备功耗，MCU控制模块1控制烟雾检测模块3每隔8秒检测一次环境中的烟雾，当环境中无烟雾时，红外光接收管接收不到两个红外光发射管发出的红外光，接收端通过电阻R20、R21、R22分压,再经过运算放大器U2放大后，MCU控制模块1通过AD采集到固定电压值；当环境中产生烟雾时，由于光对烟雾粒子的散射作用，红外光接收管接收到由两个红外光发光管发出的红外光，从而红外光发光管产生反向电流，此时MCU控制模块1通过AD采集到高于设定阈值的电压值，如果MCU控制模块1连续3次采集到高于设定阈值的电压值，则控制烟雾检测模块进行连续3秒的检测，MCU控制模块1通过采样的数据进行分析判断是否发生火情，一旦确认火情，则点亮红色报警指示灯，控制语音报警模块4发出报警提示音，唤醒NB-IOT模块2上报报警数据至物联网云平台。为降低***功耗，非检测期间，MCU控制模块通过MOS管Q1、Q4切断两个红外光发光管D3、D4及其驱动电路的供电，通过控制“IO3”切断红外光接收管D5及采样电路的供电，使这部分电路不工作减少电流消耗，同时三极管Q2和Q3、Q5和Q6构成恒流输出驱动红外光发光管D3、D4，降低功耗又可以延长发光管使用寿命。

图5为所述语音报警模块4的电路原理图，当发生火情时，MCU控制模块1控制语音报警模块4发出报警提示音，在距离设备3米处声压可达80dB以上；当正常环境时，为了降低***功耗，MCU控制模块1通过关断MOS管Q7来切断语音芯片NV065A的供电电压以降低功耗。

图6为所述按键自检模块5的电路原理图，按下按键，MCU控制模块通过I/O口收到低电平，设备开始自检，包括检查报警指示灯是否正常点亮，语音报警模块是否发出声音、AD采集信号是否正常以及NB-IOT模块是否正常上报数据至物联网云平台。

图7为所述电池及防反模块6的电路原理图，当电池正接时，Q8导通，电池电压经过电容CT1、C27、C28导通后给各模块供电；电池反接时，Q8截止，各模块无供电电压，设备不工作，避免电池反接造成不必要的损失。同时对电池电压进行监测，一旦电池电压低于2.4V，MCU控制模块控制点亮红色报警灯，控制语音报警模块语音报警，控制NB-IOT模块上报电池欠压报警数据至物联网云平台，提醒用户及时更换电池，避免因电池欠压造成设备不能正常工作而带来损失；

至此，依据上述结构实现了一种NB-IOT低功耗双向散射型光电感烟探测器。本实用新型基于NB-IOT技术和HC32L130J8TA处理器为核心，采用双向散射方式定时检测环境中的烟雾，实现对不同颜色、不同粒径烟雾的识别，排除水蒸气、灰尘等非火警因素的干扰。本实用新型利用NB-IOT技术实时上报火灾报警数据、故障报警数据、电池欠压报警以及主动上报冻结数据，实时掌握设备工作状态。本实用新型降低设备整体功耗，待机电流只需6.59uA，电池可使用5年以上，减少用户更换电池的麻烦。本实用新型设置自检按键，运维人员可以定期对设备进行自检，在故障检查方面有更好的智能性。本实用新型监测电池电压，一旦电池欠压，报警提醒用户及时更换电池，避免因电池欠压造成设备不能正常工作而带来损失；还加入电池防反接电路，避免电池反接造成不必要的损失。

Claims (4)

1.一种NB-IOT低功耗双向散射型光电感烟探测器，包括MCU控制模块、NB-IOT模块、烟雾检测模块、语音报警模块、按键自检模块、电池及防反模块，其特征在于：

电源及防反模块分别与MCU控制模块、NB-IOT模块、烟雾检测模块、语音报警模块、按键自检模块相连；所述NB-IOT模块与MCU控制模块通过串口相连；所述烟雾检测模块、语音报警模块、按键自检模块分别与MCU控制模块的I/O口相连；

所述的NB-IOT模块包括主芯片BC26以及SIM卡电路、串口电平转换电路、开机电路、唤醒电路、复位电路以及网络指示灯电路；

所述NB-IOT模块通过串口电平转换电路与MCU控制模块相连，由MCU控制模块通过串口控制NB-IOT模块进入各种工作模式；

处于正常工作模式时，NB-IOT模块通过SIM卡电路连接云平台，实时上报火灾报警数据、故障报警数据、电池欠压报警数据以及主动上报冻结数据；无需上报数据时，MCU控制模块通过串口控制NB-IOT模块处于深睡眠模式；

所述MCU控制模块通过开机电路控制NB-IOT模块开、关机；MCU控制模块通过唤醒电路唤醒处于深睡眠模式的NB-IOT模块；

所述网络指示灯电路用来指示NB-IOT模块的网络状态；

所述烟雾检测模块包括两路红外光发光电路以及与所述两路红外光发光电路呈斜向设置的红外光接收电路；当环境中无烟雾时，红外光接收电路无法接收到红外光发光电路发出的红外光；当环境中有烟雾时，由于烟雾粒子对光的散射作用，使得红外光接收电路接收到红外光发光电路发出的红外光。

2.根据权利要求1所述的一种NB-IOT低功耗双向散射型光电感烟探测器，其特征在于：所述的MCU控制模块包括主芯片HC32L130J8TA及其***电路、用于指示电池低压的报警指示灯电路。

3.根据权利要求1所述的一种NB-IOT低功耗双向散射型光电感烟探测器，其特征在于：所述的红外光发光电路的供电由MCU控制模块通过对应的MOS管进行控制，所述红外光接收电路的供电由MCU控制模块的I/O口控制。

4.根据权利要求1所述的一种NB-IOT低功耗双向散射型光电感烟探测器，其特征在于：所述的语音报警模块采用语音芯片NV065A，其供电由MCU控制模块通过对应的MOS管进行控制。

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