智能家居安防之燃气、火灾及烟雾探测设计一点通

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和控制的。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、煤气泄漏报警等等方面。

芯科科技（SiliconLabs）推出的低功耗温湿度传感器及红外光学传感器系列方案，能够提供低成本、高精度及高可靠性的环境检测方案，再结合SiliconLabs高性能、低功耗的MCU，以及无线产品、时钟、网络控制器和PD产品，能够为包括家居安防在内的智能家居应用和产品提供完整解决方案。请点击“阅读原文”深入了解传感器于智能家居安防的设计关键吧。

本文从燃气、火灾及烟雾探测入手，提出一种具有可联网、多节点、无线通信、可自动报警等功能的家居安防环境监测系统设计方案。其中，将重点介绍系统的核心传感器——SiliconLabs公司的Si7020/21温湿度传感器和Si114x红外传感器。本文所讨论的家居安防环境监测系统分为3个模块，包括信息处理节点、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、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。信息处理节点用于处理在节点环境内所采集的信息，根据信息发出相应的灯光报警，并以无线方式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，通过与信息处理节点通信，主控模块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家居安防环境监测系统构成

1-1 信息处理节点

信息处理节点结构框图如图2所示。信息处理节点实现环境信息的检测与处理，并将环境信息通过无线芯片（Wireless）传输给主控模块。如果发生了火灾及燃气泄漏，会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环境检测传感器和主控器+Wireless模块（也可直接采用Silicon Labs的无线MCU）。

图2信息处理节点结构框图

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。烟雾传感器按工作原理可分为离子烟雾报警器和光电烟雾报警器等。在烟雾传感器方面，本设计采用Silicon Labs的Si114x光学传感器。

离子烟雾报警器有一个电离室，所用的放射元素为镅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。

光电烟雾报警器内部有一个光学迷宫，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，如果超过则发出警报。

本设计采用了SiliconLabs的光学传感器Si114x来实现烟雾检测，所以它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的发射光受到烟雾的遮挡，使Si114x接收到的红外光量减少，当超过阈值时，就会探测到烟雾的存在。光电烟雾探测工作原理如图3所示。

图3光电烟雾探测工作原理

Si114x是Silicon Labs的光学传感器产品之一。SiliconLabs的光学传感器系列产品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，为集成电路、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（包括直射光）下，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检测。

江西PIC单片机定制开发单片机技能在节能操控中的使用首要分为以下几个方面：榜首，智能电子设备在外出状态下，大部分是处于轻负载的模式，这时候就需求经过节能操控，确保其基础功用的前提下，进一步下降电量的耗费。跟着物联网设备的广泛运用，以及和自动驾驶技能的越来越多的运用，纳米级节点尺度正敏捷成为技能前进的要害。以上便是英锐恩单片机开发工程师共享的有关的信息半导体职业的开展信息。因而，单片机的学细、开发与运用将造就一批计算机运用与智能化操控的科学家、工程师。单片机的运用首要有哪些方面呢？一共分大类。

图4Si114x功能框图

本设计的温湿度检测方案采用SiliconLabs的 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。

Si702x是Silicon Labs的第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。Si7020的功能框图如图5所示。

图5Si702x功能框图

Si702x集成了工厂校准的湿度、温度传感器原件，以及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，创新性的CMOS设计还提供了业界最低的功耗。有了全面的工厂校准，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系列产品可以选配一个出厂时安装的保护壳。

信息处理节点的MCU采用的是Silicon Labs的8位低功耗C8051F9xx系列单片机，并采用SiliconLabs 的低功耗Si4xxx系列无线通信芯片，实现对环境检测传感器检测数据的处理，并将数据通过无线芯片传输给主控模块，若发生火灾及燃气泄漏事件，则会触发声光报警设备。

主控模块同样采用SiliconLabs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，网络接入则采用另一厂商的以太网控制器（EthernetController）和SiliconLabs的PD控制器芯片Si3402。主控模块结构框图如图6所示。主控模块通过无线芯片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，并把相关信息通过以太网（Ethernet）接入网络，然后发送给服务器。

图6主控模块结构框图

本文利用SiliconLabs的低功耗、高性能的温湿度传感器、光学传感器、无线通信芯片、MCU、PD控制器等，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：SiliconLabs业界领先的低功耗控制技术，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）  高灵活性：由于采用了Silicon Labs的无线方案，并借助于SiliconLabs的低功耗特性，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来监测系统的动态。

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智能家居系统必将越来越受重视，本设计是对智能家居安防系统的一次探讨，希望可以为广大设计人员提供借鉴。

欲了解SiliconLabs传感器、MCU、无线产品的更多信息，请访问：http://cn.silabs.com/products/Pages/default.aspx

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