Умный датчик пожарной сигнализации на базе компонентов STMicroelectronics

6 декабря 2021

системы безопасностипотребительская электроникаавтоматизацияинтернет вещейSTMicroelectronicsстатьяинтегральные микросхемыбеспроводные технологиипассивные ЭК и электромеханика868 МГцоперационные усилителиIoTУмный дом

Александр Калачев (г. Барнаул)

Создать интеллектуальный пожарный датчик, который будет не только оповещать о возгорании, а способен легко интегрироваться в системы умного дома или предприятия и выполнять ряд дополнительных действий, возможно с компонентами STMicroelectronics: высокопроизводительным радиочастотным трансивером S2-LP и малопотребляющим усилителем TSV629x.

Обеспечение безопасности зданий и помещений напрямую связано с пожарной безопасностью, поскольку именно пожары наносят большой, зачастую непоправимый ущерб. Это касается жилых зданий, коммерческих и промышленных помещений и корпусов. В ряде стран наличие пожарной сигнализации в здании любого типа носит обязательный характер и регламентируется законом.

Обнаружение пожара возможно по ряду признаков, основные из них:

  • изменение состава воздуха. Как правило, анализируется содержание оксидов углерода – СО2 и СО (чаще всего именно СО, как наиболее опасного);
  • изменение температуры (не самый показательный признак);
  • появление задымленности.

Именно последний признак лежит в основе детектора дыма — самого многочисленного из всех типов пожарных датчиков.

Детекторы дыма: аналоговая часть

Установка детектора дыма в помещении требуется законом во многих странах. Документом, регламентирующим его функции, является международный сертификат EN14604. Согласно ему, детектор дыма должен иметь:

  • световую индикацию, показывающую правильную работу, состояние неисправности и сигнал тревоги;
  • процедуру самопроверки для имитации наличия дыма;
  • звуковой сигнал >85 дБ при обнаружении дыма;
  • источник питания;
  • сменную батарею, позволяющую устройству работать не менее 1 года;
  • встроенный аккумулятор с ожидаемым сроком службы более 10 лет;
  • подачу звукового сигнала за 30 дней до разрядки батареи.

Принцип работы детекторов дыма основан на рассеянии светового потока частицами дыма. Как правило, внутри воздухопроницаемого (вентилируемого) корпуса детектора (рисунок 1) располагается полость сложной формы (так называемая «дымовая камера»), в определенных гранях которой размещены источник света (часто это инфракрасный светодиод) и фотоприемник (фотодиод). Если частицы дыма отсутствуют, то свет не попадет на фотодиод из-за формы камеры. В случае появления дыма его частицы рассеивают свет, и он улавливается фотодиодом.

Рис. 1. Типовое устройство детекторов дыма

Рис. 1. Типовое устройство детекторов дыма

Детекторы дыма достаточно легко обнаруживают пожары на ранней стадии (при тлении) и пожары с открытым пламенем. Рекомендуется сочетать детекторы с датчиками обнаружения излишнего тепла.

Светодиод в детекторе дыма светит не постоянно, а короткими импульсами раз в несколько десятков секунд, при этом рабочий ток диода находится в районе 100 мА. Короткое время свечения, а следовательно, и измерения предъявляет требования к высокой скорости работы для используемого операционного усилителя.

Упрощенная типовая схема датчика дыма представлена на рисунке 2. Первый каскад представляет собой трансимпедансный усилитель, второй каскад – усилитель напряжения.

Рис. 2. Упрощенная схема детектора дыма

Рис. 2. Упрощенная схема детектора дыма

Для первого каскада от операционного усилителя требуется высокая скорость нарастания сигнала, поскольку измерения идут в импульсном режиме во время активации светодиода, а также малый входной ток смещения (сигнальный ток фотодиода в пределах нескольких десятков наноампер).

Примерная таблица для оценки критичных параметров для датчиков охранно-пожарной сигнализации представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Оценка важности параметров операционных усилителей для датчиков охранно-пожарной сигнализации различного назначения

Рис. 3. Оценка важности параметров операционных усилителей для датчиков охранно-пожарной сигнализации различного назначения

На рисунке 4 представлена диаграмма с сериями операционных усилителей производства STMicroelectronics, отсортированными по ширине полосы пропускания и энергопотреблению.

Устройства с наилучшими показателями энергосбережения находятся ниже других в левой части диаграммы, например, датчик TSU101 с током питания всего 580 нА. Операционные усилители с наилучшими скоростными характеристиками – в правой, например, TSV792 с пропускной способностью 50 МГц. Цветовым кодом отмечены диапазоны (эшелоны) напряжений питания: устройства с питанием до 5 В – черного цвета, до 16 В – сиреневого, до 36 В – розового.

Рис. 4. Серии операционных усилителей STMicroelectronics, отсортированные по ширине полосы пропускания и энергопотреблению

Рис. 4. Серии операционных усилителей STMicroelectronics, отсортированные по ширине полосы пропускания и энергопотреблению

Усилители серии TSV629x, указанные в качестве примера на рисунке 2, обладают достаточно неплохим для детектора дыма с батарейным питанием сочетанием «потребление/производительность». Серия TSV629x отличается малыми значениями напряжения питания, низким энергопотреблением и возможностью работать с сигналами в диапазоне напряжений от питания до питания (rail-to-rail). Двойные и четырехканальные операционные усилители TSV6292, TSV6293, TSV6294 и TSV6295 обеспечивают высокую пропускную способность при потреблении всего 29 мкА. Ширина полосы пропускания составляет 1,3 МГц. Устройства также обеспечивают сверхмалый входной ток смещения и низкое входное напряжение смещения. TSV6293 (двойной) и TSV6295 (четырехъядерный) имеют выводы, переводящие их в режим пониженного энергопотребления.

Основные преимущества серии TSV629x:

  • защита от электромагнитных помех;
  • доступные корпусные исполнения MiniSO-8, SOT23-8, MiniSO-10, TSSOP14, TSSOP16;
  • расширенный диапазон температур -40…125°C;
  • высокая устойчивость к электростатическому разряду до 4 кВ HBM;
  • хорошая точность: максимальное входное смещение нуля составляет 800 мкВ (версия A);
  • режим отключения (пониженного энергопотребления), типовой ток при этом составляет порядка 5 нА;
  • напряжение питания 1,5…5,5 В;
  • малые значения тока потребления: типовое значение составляет 29 мкА, максимальное – 36 мкА;
  • низкий входной ток смещения: типовое значение – порядка 1 пА;
  • высокая пропускная способность усиления: типовое значение составляет 1,3 МГц.

Эти функции делают серию TSV629x практически идеальным кандидатом для детекторов дыма, поскольку в паузах между замерами усилители, как и управляющая схема, могут быть в режиме сна.

Близкими параметрами обладает и серия TSV52x.

Интеграция в инфраструктуру

Сама по себе звуковой сигнал детектора дыма полезен в пределах помещения или здания в качестве предупреждения находящих там людей. С точки зрения пожарной безопасности в целом гораздо практичнее, если детектор, помимо предупреждающего сигнала, также генерировал бы сигнал удаленной системе, которая бы, в свою очередь, производила ряд определенных действий, например, таких как:

  • оповещение пожарных служб и ведомств, ответственных за здание;
  • отключение электроэнергии в зоне обнаружения возгорания;
  • включение противопожарной системы.

Перечень подобных действий можно продолжать довольно долго, но так или иначе он существенно зависит от каждой конкретной ситуации и существующей инфраструктуры.

Для возможности интеграции детектора дыма в инфраструктуру рекомендуется оснащать его микромощным микроконтроллером. Это не особо отразится на цене, но даст отличные возможности по реализации любой логики работы детектора дыма, включая управление аналоговой частью, обработку сигналов, управление периодами активности и переходом в режим ожидания. Связка «аналоговая часть + микроконтроллер» может быть легко расширена беспроводным контроллером для организации связи детектора дыма с инфокоммуникационной инфраструктурой. Обобщенная структурная схема детектора в такой конфигурации представлена на рисунке 5.

Рис. 5. Обобщенная структурная схема датчика пожарной сигнализации с возможностью интеграции в инфокоммуникационную инфраструктуру

Рис. 5. Обобщенная структурная схема датчика пожарной сигнализации с возможностью интеграции в инфокоммуникационную инфраструктуру

При выборе беспроводной технологии важным является вопрос выбора частотного диапазона и протоколов обмена. Спектр беспроводных технических решений STMicroelectronics позволяет оперировать и в субгигагерцевом диапазоне (рисунок 6), и в диапазоне 2.4 ГГц (рисунок 7), используя как стандартные протоколы типа LWPAN, SigFox, WMbus, BLE, Thread, Zigbee, так и проприетарные.

Субгигагерцевый диапазон, благодаря меньшему влиянию препятствий для прохождения сигнала по сравнению с диапазоном 2.4 ГГц, позволяет осуществлять связь на достаточно большом расстоянии между узлами даже внутри помещений.

Рис. 6. Спектр решений STMicroelectronics для субгигагерцевого диапазона

Рис. 6. Спектр решений STMicroelectronics для субгигагерцевого диапазона

Технология BLE также привлекательна для данного решения благодаря легкой интеграции с любыми электронными устройствами пользователя, от смарт-часов и телефонов до ноутбуков и ПК, позволяя отслеживать состояние системы практически в режиме реального времени. Кроме этого, BLE, ZigBee и Thread поддерживают отказоустойчивые mesh-сети.

Рис. 7. Решения STMicroelectronics для диапазона 2.4 ГГц

Рис. 7. Решения STMicroelectronics для диапазона 2.4 ГГц

Гибким и бюджетным решением для создания связи в субгигагерцевом диапазоне является трансивер серии S2-LP.

S2-LP – это высокопроизводительный радиочастотный приемопередатчик сверхнизкой мощности, предназначенный для радиочастотных беспроводных приложений в диапазоне менее 1 ГГц. Он предназначен для работы как в безлицензионных полосах частот ISM, так и в SRD на 433, 512, 868 и 920 МГц, но также может быть запрограммирован для работы на других дополнительных частотах в диапазонах 413…479 МГц, 452…527 МГц, 826…958 МГц, 904…1055 МГц. S2-LP поддерживает различные схемы модуляции: 2(G)FSK, 4(G)FSK, OOK и ASK. Скорость передачи данных по воздуху программируется и задается в пределах 0,1…500 кбит/с. S2-LP может использоваться в системах с расстоянием между каналами до 1 кГц.

Данная серия обеспечивает:

  • полное соответствие стандарту ETSI EN 303 131;
  • возможность работы в узкополосном режиме с высокой чувствительностью;
  • легкую интеграцию с самыми популярными семействами STM8/STM32 благодаря библиотекам и примерам кода.

Серия S2-LP является лучшей в отрасли по показателю потребления в режиме передачи. Малое энергопотребление особенно важно для батарейных устройств. Наличие быстрого PLL позволяет реализовать радиоканал с переключением частот. Бюджет канала связи S2-LP в ряде случаев может быть выше 140 дБ.

Доступные отладочные комплекты с S2-LP

Плата расширения STEVAL-FKI868V1-R выполнена в стандартном форм-факторе Arduino Shield (рисунок 8) и предназначена для создания недорогого беспроводного канала передачи данных в диапазоне 868 МГц (является российским аналогом платы STEVAL-FKI868V1).

Радиоканал построен на базе приемопередатчика S2-LP. Обеспечивается высокая чувствительность на прием (до -130 дБм) и высокая выходная мощность (до +16 дБм).

Рис. 8. Отладочная плата STEVAL-FKI868V1-R в комплекте с NUCLEO-L152RE

Рис. 8. Отладочная плата STEVAL-FKI868V1-R в комплекте с NUCLEO-L152RE

Программный пакет STSW-BNRG-S2LP

Программный пакет поддерживает платформы BlueNRG-1/2 и S2-LP для создания приложений с двумя радиоканалами в двух диапазонах. Он предоставляет собой набор демонстрационных приложений BLE со сценариями малого энергопотребления Bluetooth в сочетании с возможностями дальнего действия технологии менее 1 ГГц.

Пакет STSW-BNRG-S2LP DK SW включает в себя демонстрационные приложения с полным набором заголовочных файлов и исходных текстов программ. Также предоставляется полный набор драйверов периферийных устройств контроллера – АЦП, линии ввода-вывода, I2C, RTC, SPI, таймеров, UART, а также драйверов для трансивера S2-LP.

Приложение для ПК BLE-Sub1 GHz navigator предоставляет интерактивный и удобный интерфейс для изучения пакета. Основная функция навигатора заключается в выборе и запуске демонстрационного приложения удобным для пользователя способом.

Основные возможности программного пакета:

  • двоичный образ стека BlueNRG-1/2 Bluetooth Low Energy;
  • набор API и callback-функций для работы с событиями стека BLE;
  • демонстрационные приложения совместной работы радио BLE-Sub1 GHz (исходные тексты и заголовочные файлы), поддерживающие устройства и отладочные платы:
  • CMSIS библиотека для BlueNRG-1/2;
  • драйвера периферийных устройств BlueNRG-1/2 с соответствующими примерами;
  • библиотека ST-Sigfox для ARM® Cortex®-M0 и адаптационный уровень BlueNRG-1/2;
  • библиотека для работы с S2-LP для BlueNRG-1/2 (адаптационный уровень).

Возможности датчиков дыма с STMicroelectronics

В целом линейка продуктов STMicroelectronics содержит все необходимое для построения детектора дыма с возможностью интеграции в инфраструктуру охранно-пожарной системы. Для практики интересен вариант организации двухдиапазонной беспроводной связи на базе связки S2-LP + BlueNRG-1/2. Охранная сеть в данном случае работает в диапазоне 433 или 868 МГц, а отображение текущего состояния или изменение настроек системы при этом возможны с портативных пользовательских устройств за счет работы с BLE-сетью.

Литература

  1. Op-Amps (Operational Amplifiers) – STMicroelectronics
  2. Long-Range – Wireless Connectivity Products and ICs – STMicroelectronics
  3. Short-Range – Wireless Connectivity Products and ICs – STMicroelectronics
  4. Беспроводной канал 868 МГц для Nucleo и Arduino
  5. Приемопередатчик S2-LP производства STMicroelectronics
•••

Наши информационные каналы

О компании STMicroelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее

Товары
Наименование
S2-LPQTR (ST)
S2-LPTXQTR (ST)
BALF-SPI2-02D3 (ST)
BALF-SPI2-01D3 (ST)
TSV6292AIDT (ST)
TSU101RILT (ST)
TSV521AICT (ST)