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。
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3.3 烟雾传感器
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