【方案】从MCU和无线连接解释一体式可燃气体报警器

时间： 2019-09-04 来源：世强

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【摘要】伴随着可燃性气体报警器功能和性能需求的提升，世强提供了一套具有无线传输距离远、报警和检测装置一体化等特点的优选器件方案，综合运用低耗能高功效的MCU、长时间续航的无线芯片，以及催化型、红外光学传感器，使可燃气体报警器可以真正拥有“报警”能力，可正常工作10年以上。本文系统地介绍了的该方案中所推荐的MCU及无线收发芯片，以供诸设计者阅读参考。

可燃气体报警器又称为气体泄漏检测报警器，是一种安装在危险环境中的气体探测设备。该装置将现场的可燃气体浓度转换成电信号，测定空气中可燃气体的浓度，当可燃气体浓度达到一定量时，就会自动报警，防止意外事故的发生。我国已将可燃气体报警器纳入到《中华人民共和国计量法》和《中华人民共和国强制检定的工作计量器具管理办法》中，属于强制检定计量器具。

根据中投顾问发布的《2016-2020年中国智能安防行业深度调研及投资前景预测报告》，我国未来5年智能安防市场规模有望达到上千亿元，平均每年有上百亿元的市场需求。由此可见可燃气体报警器的普及为相关产业带来不小的发展机遇，同样地，竞争也日渐激烈。一方面一批互联网企业纷纷进入该领域，另一方面一部分移动终端厂商也迅速涉足其中，这些都对传统安防厂商带来不小的压力。世强市场经理张园根认为：“传统安防企业需要重点突破之处在于提升用户体验，这也是安防产品在开发时所要围绕的中心点。”

伴随着可燃性气体报警器功能和性能需求的提升，世强提供的器件优选方案具有无线传输距离远、报警和检测装置一体化的特点。该方案通过综合运用低耗能高功效的MCU、长时间续航的无线芯片，以及催化型、红外光学传感器，使这些系统可以真正拥有“报警”能力，可正常工作10年以上。世强可燃气体报警器方案框图如下图所示。

图1：世强可燃气体报警器方案框图

兼具低功耗和灵活系统的MCU全面提升应用效率

在实际应用中，低功率的微控制器作为可燃气体报警器整个系统的核心，起到至关重要的作用。智能化、远程化、网络化等产品功能需求不断高涨，运算量也越来越大，32位MCU就成为对功耗敏感的电池供电设备和loT应用的最佳解决方案。自从ARM推出32位Cortex-M0系列架构这样一个强有力的平台开始， MCU厂商便着重专注于外围电路、系统及应用领域的开发。EFM32系列是SILICON LABS推出的基于ARM Cortex-M内核的MCU，强大的内核、多样的时钟及多个运行模式将能源效率与功耗结合起来，在低功耗应用领域赢得了不少的市场占有率。

其中，EFM32 Happy Gecko（以下简称EFM32HG）系列即是基于ARM频率高达25MHz的强大Cortex-M0+处理器平台的32位MCU，更是凭借其高效能和超低功耗使8至32位MCU市场发生了变革。EFM32HG MCU根据引脚不同分别采用QFP和QFN两种封装，支持产品小尺寸设计，且无需使用外部元件，即可实现组网功能。EFM32HG带有128位秘钥（54个周期）的硬件AES，实现5种嵌入式接口类型：I²C、SPI、UART、USART、USB，闪存范围为32~64kB，RAM范围为4~8 kB，配有35个GPIO。

EFM32HG MCU拥有创新的低能耗技术和灵活的能源管理系统，在能源收集应用中可降低80%功耗。其运行模式下功耗仅为114uA/MHz，待机功耗低至0.9uA，绿色又节能，同时具有极短的节能模式唤醒时间，是电池驱动型应用的理想模式。此外，EFM32HG MCU在低能量模式下可支持自主通信操作，这5种不同的能量模式即EM0-EM4：关闭、停止、深度睡眠、睡眠及运行。世强市场经理张园根表示：“该系列MCU无需主处理器内核干预，即可通过自助式外设管理传感器输入、报警触发器或者其他片外通信，从而降低单片机操作阶段的功率和运行时间，增加MCU休眠时间并一定程度上延长电池寿命。”

另外，EFM32HG MCU具有极高的集成度，不但内置低能耗USB，同时还将PHY、电阻及5V LDO集成在一起，外围电路极少，节省了系统空间和成本；配备超低功耗的模拟外围设备，超高效的上电复位和掉电探测器，支持各类传感器如LC传感器和电容按钮等。该MCU不频繁的通信方式确保主处理器活动时间超过所需并保持通信稳定。

开发套件是MCU的另一个关键因素，以确保物联网应用的安全、互联及统一平台进行管理。EFM32HG 系列开发套件横跨整个设计过程，强大的调试工具、编译器都包含在内，其软件和引脚可同时兼容其他Gecko产品，十分方便进行移植和功能升级。EFM32HG采用Simplicity Studio™，基于Cortex-M0+ 内核也有助于设计者利用Silicon Labs的SLSTK3400A开发套件及案例，有效地缩短终端产品的上市时间。

图2：EFM32HG系列MCU的架构框图

从无线连接中获得安全保障

无线连接技术又称为近距离无线通信技术，包括wifi、bluetooth、ZigBee、Sub-GHz等。在世强提供的可燃气体报警器优选方案中，报警单元采用远距离无线加密设计，安装时原有装修结构不会被破坏，具有报警信号传输距离远的特点，快速、及时、准确地将无线报警信号传到监控室或者手机上。

在本方案中，通信单元选用Silicon Labs推出的无线收发芯片Si4438，是高性价比的Sub-GHz无线收发方案。该芯片在425~525Mz频率范围内穿透距离可达到1500米，完全满足可燃气体报警器实际应用需求。

采用电池供电的可燃气体报警器对无线芯片的功耗提出了非常高的要求。而Si4438的优势在低功耗上表现地淋漓尽致，可使功耗敏感型的该设备电池寿命最大化，续航时间超过20年：50nA的休眠/待机电流（保留寄存器内容）仅为目前市场上同类产品的四十分之一；启动工作模式时，TX在+20dBm的电流消耗为75mA，RX电流消耗则为14 mA。

Si4438的工作频段设计在470~510MHz范围内，是国家划分的计量专用频段，信道相对干净，所受干扰小（如来自常见的wifi、BLE信号干扰等），从而确保数据采集和管理准确可靠。

除了低功耗特性外，Si4438还兼具高集成度，其4mm*4mm的封装是同类产品中最小的尺寸，同时无需为无线应用添加片外功率放大器PA、低噪声放大器LNA、表面声波滤波器SAW，一定程度上降低了BOM成本。此外，其片上PA无需外带天线即可用于补偿天线性能，相比于需要更大、成本更高的片外PA以获得同等性能的同类型产品来说，大幅减小了电路板面积。

结语

经过多年开发和推广，该方案已在多家制造厂商中得到了很好的应用。具备低功耗、小尺寸、低BOM成本等特点的解决方案将成为智能安防市场未来的应用趋势，也将为中国智能安防市场的快速增长贡献一份力量。

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