物联网家居安防之燃气、火灾及烟雾探测

1、引言

随着物联网的兴起，智能家居行业备受关注，越来越多的消费者喜欢从物联网的角度对智能家居提出要求，希望智能家居是无线的、安全的、可自己安装的并且能够用手机感知、控制的，家居安防是智能家居中不可或缺的一环，与家庭和人员的安全息息相关，家居安防系统广泛应用于家庭住宅预防盗窃、紧急救助、火灾报警、煤气泄漏报警等，SILICON LABS推出的低功耗的温湿度传感器及红外光学传感器能够构成低成本、高精度及高可靠性的环境检测方案，结合Silicon Labs高性能、低功耗的MCU、Wireless、时钟、网络控制器及PD产品，能够广泛应用于包括家居安防在内的智能家居产品。

本文从燃气、火灾及烟雾探测入手，提出一种具有联网功能、多节点、无线通信、自动报警功能的家居安防系统设计方案。主要介绍一下本文涉及的核心传感器Silicon Labs公司的Si7020/21温湿度传感器和Si114x红外传感器。

2、系统构成

系统分为3个模块，包括信息处理及控制节点，主控模块及服务器模块，如图1所示。信息处理节点是处理环境采集信息的基本单位，一个节点可以是一小块区域，可以是一个房间，也可以是一个家庭，系统可以只有一个节点，也可以有多个节点，用于处理节点内的环境采集信息，根据信息发出相应的灯光报警，并使用无线与主控模块进行通信。

主控模块是环境数据及报警信息联网的主要途径，主控模块通过与信息处理节点通信，获取当前的环境信息及报警信息，并将信息传输到服务器，并发送短信报警信息。

服务器模块是信息发布及查询平台，用户使用PC或者手机上网，通过服务器查询家庭的环境信息并接收报警信息。

图1：系统构成

2.1 信息处理节点

信息处理节点结构框图如图2所示。

图2：信息处理节点结构框图

信息处理节点实现环境信息的检测与处理，并将环境信息通过Wireless传输给主控模块，如果发生了火灾及燃气泄漏，将报警信息发送给主控模块，并采取声光报警的方式进行报警。信息处理节点主要包括主控器+Wireless模块（或采用Silicon Labs wireless mcu）和环境检测传感器。

2.1.1 环境检测传感器

火灾通常采用烟雾、温度及气体检测相结合的方式进行探测。烟雾报警器从使用的传感器类型可以分为离子烟雾报警器和光电烟雾报警器等。

离子烟雾报警器有一个电离室，离子室所用放射元素——镅241（Am241），强度约0.8微居里左右，正常状态下处于电场的平衡状态，当有烟尘进入电离室会破坏这种平衡关系，报警电路检测到浓度超过设定的阈值时会发出报警。

光电烟雾报警器内有一个光学迷宫，安装有红外对管，无烟时红外接收管收不到红外发射管发出的红外光，当烟尘进入光学迷宫时，通过折射、反射，接收管接收到红外光，智能报警电路判断是否超过阈值，如果超过发出警报。

本设计采用Silicon Labs的光学传感器Si114x实现烟雾检测，属于光电烟雾传感器，具体方案是：采用Si114x驱动红外LED，并受光，形成光电烟雾探测器的探测室，在正常情况下，Si114x接收到的红外光量是一定的，而在有烟雾时，LED的发射光收到烟雾的遮挡，是Si114x接收到的光亮减少，当大到一定阀值时，探测到烟雾存在。烟雾探测工作原理如图3所示。

图3：烟雾探测工作原理

Si114x红外传感器

Si114x属于Silicon Labs的光学传感器系列产品，Silicon Labs光学传感器系列能够感应紫外线指数，环境光、远距离接近、心脏/脉搏速率、血氧饱和度及运动的二维或三维手势。Si114x是业界最敏感的主动式红外传感器集成电路，内部集成的光电二极管响应电路及相关数字转换电路提供了优异的对人造光闪烁噪声及自然光谱噪声的抗噪能力。

Si114x是低功耗红外和环境光传感器，具有I²C数字接口和可编程的事件中断输出，内部集成一个模拟-数字转换器、高灵敏度的可见光和红外光光敏二极管、数字信号处理器和具有15级可调驱动电平的红外LED驱动器，其功能框图如图4所示。该传感器在宽动态范围内和多种光源下，包括直射光，具有优异的性能。Si1142/43具有多个光电二极管，能够支持多个轴的接近运动测。

Si114x具有以下特性：

• 集成环境光传感器（ALS）；

• 多独立LED驱动，动态可调的15级电流设置；

• 业界领先的功耗控制，1.71V到3.6V的输入电压范围，9uA平均电流（单LED每800ms中25.6us导通时间），<500nA的待机电流；

• 业界领先的高集成度，在2x2mm内集成了ALS、红外硅光电二极管、高性能ADC、环境噪声光线补偿、8051CPU、超低功耗CMOS MCU微控制器平台、高度可配置的传感器架构、灵活的I2C/SMBUS接口。

图4：Si114x功能框图

Si7020温湿度传感器

Si702x是Silicon Labs第2代相对湿度和温度传感器系列，利用成熟的CMOS集成电路技术，采用高分子介电膜测量湿度，芯片内集成了完全校准的湿度和温度感应元件，一个I2C接口和片上信号处理电路，提供了一种可靠、精准的温湿度测量方案Si702x的功能框图如图5所示。

图5：Si702x功能框图

Si702x集成了充分工厂校准的湿度、温度传感器原件和AD转换器、信号处理器和I2C主机接口，采用了专利技术，使用业界标准的低K电介质的聚合物提供了极好的精度、长期稳定性、低漂移和低滞后特性，创新的CMOS设计还提供了业界最低的功耗。有了全面的工厂见准，使用Si702x的设备在印制电路板装配过程中不需要额外的温湿度校准，同时Si702x系列产片可以选配一个出厂时安装的保护壳。

Si702x具有以下特性：

• 高精确度：RH ±4% 0-80%，温度 ±0.4℃ -10 to 85℃；

• 宽电压输入范围：1.9V-3.6V；

• 低功耗：150uA工作电流，60nA待机电流；

• 更高的转换速度；

• 高可靠性和稳定性；

• 出厂校准，并可选装独特的保护壳；

• 高集成度，3x3x0.75mm

该设计方案温湿度检测方案采用的Silicon Labs Si7020温湿度传感器，通过I2C接口与MCU进行通信，进行环境的温湿度测量，并且温度的测量数据可以作为火灾报警信号的一个参考数据。

2.1.2、主控器+Wireless模块

信息处理节点的MCU采用Silicon Labs推出的8位低功耗C8051F9xx系列单片机，并采用Silicon Labs 低功耗Si4xxx系列无线通信芯片，实现对环境检测传感器的探测数据的处理，并将数据通过Wireless传送给主控模块，火灾及燃气泄漏事件会触发声光报警设备。Silicon Labs MCU及Wireless构成的控制器方案设计，会在后续的设计文档里进行详细介绍和分析。

2.2、主控模块

主控模块同样采用Silicon Labs推出的8位低功耗C8051F9xx系列单片机和低功耗Si4xxx系列无线通信芯片，网络接入则采用CP2200 Ethernet Controller及PD Si3402芯片。主控模块结构框图如图6所示。

主控模块通过Wireless与多个信息处理节点通信，获取相关的环境信息及报警信息，并把相关信息通过Ethernet接入网络发送给服务器。CP2200 Ethernet Controller及PD Si3402芯片构成的网络传输方案会在后续的设计文档里进行详细介绍和分析。

图6：主控模块结构框图

3、结束语

本文利用Silicon Labs的低功耗、高性能的温湿度、光学传感器、Wireless、MCU、PD及网络控制器，设计了一种低功耗、低成本、网络化的燃气、火灾及烟雾探测报警系统，相比于传统的总线式烟雾报警系统，该系统具有以下优势：

（1）低功耗，Silicon Labs业界领先的功耗控制技术，使整个系统的功耗降至最低，从而为电池供电的设备提供了更持久的生命周期。

（2）灵活性，由于采用了Silicon Labs的无线方案，并借助于Silicon Labs低功耗的特性，实现了采集节点的分布式设计，省去了传统的布线事项，使得设计人员能够进行更灵活的设计，不必受制于各种布线的困扰。

（3）网络化，除了采用了灯光及短信报警之外，借助于Silicon Labs的无线及网络产品，该设计实现了系统的网络化，无论身处何地，用户都可以借助网络监测系统的动态。

随着网络的发展及智能家居概念的逐渐成熟，未来由分布式的信息处理节点构成的网络化的智能家居系统必将越来越受到重视，本设计是智能家居之安防家居的一个探讨，Silicon Labs的低功耗、高性能产品能够广泛应用于包括家居安防在内的智能家居产品，后续会推出更多的基于Silicon Labs相关产品的智能家居方案设计。