№9 / 2017 / статья 5

Беспроводной датчик дыма на основе CC1350

Никет Шет (Texas Insrtuments)

Сеть пожарных датчиков дыма в системах сигнализации имеет явные преимущества по сравнению с проводными системами. Субгигагерцевые технологии – хороший выбор для беспроводных пожарных датчиков. Субгигагерцевые микроконтроллеры SimpleLink CC1310 и CC1350 от Texas Insrtuments позволяют обеспечить датчики дыма надежным радиоканалом, достичь малого потребления и длительного срока службы от одной батарейки, а также использовать все преимущества сетевого взаимодействия.

Датчики дыма являются ключевыми компонентами в системах безопасности. Их главная задача состоит в выявлении возгораний за счет обнаружения задымления с последующим включением звукового сигнала (сирены) для начала эвакуации людей из здания. Очень часто датчики дыма работают в составе системы безопасности, которая в свою очередь подключена к пожарной части.

Фотоэлектрические датчики дыма используют светодиоды для формирования луча света. Фотодиод располагается внутри специальной камеры и напрямую не принимает генерируемый световой поток. При появлении дыма луч света начинает рассеиваться и распространяться в различных направлениях. Часть этого рассеиваемого потока принимается фотодиодом, который генерирует ток, а ток в свою очередь фиксируется детектором.

Объединение пожарных датчиков в одну систему становится общепринятым и стандартным решением во всем мире. Наличие связей между датчиками позволяет системе безопасности реагировать быстрее. В крупных зданиях, помещениях и жилых домах сирены всех датчиков включаются, как только срабатывает первый датчик задымления. Это обеспечивает достаточный запас времени для того чтобы эвакуировать людей из помещения до того как огонь распространится. Объединенная система пожарной безопасности является обязательной во многих странах. Исследования показывают, что при наличии связи между датчиками дыма люди с большей вероятностью узнают о пожаре.

Использование беспроводных каналов связи в системах пожарной сигнализации упрощает установку и обслуживание, а также снижает затраты по сравнению с проводными системами. Беспроводная связь позволяет уйти от прокладки проводов по стенам и потолку, а также освобождает от замены поврежденных проводов. Однако при использовании беспроводных соединений появляются другие проблемы, такие как обеспечение минимального энергопотребления и необходимость реализации беспроводных сетей. Давайте подробней рассмотрим эти проблемы, а также их решение с помощью беспроводных субгигагерцевых микроконтроллеров SimpleLink CC1310 и CC1350.

Беспроводные технологии

При выборе технологии беспроводной связи для системы пожарной сигнализации или для системы других датчиков важно учитывать целый ряд требований. Ниже приведены наиболее общие из них:

  • Радиус действия. Система может быть установлена в домах, офисах, помещениях, зданиях. Данная технология беспроводной связи должна обеспечивать широкий радиус действия.
  • Минимальное потребление. Для датчиков с батарейным питанием важно, чтобы выбранная технология могла обеспечить беспроводное соединение при минимальном потреблении. Замена батареек в датчиках пожарной сигнализации – нудное занятие, так как они, как правило, располагаются на потолке, и добраться до них можно только с помощью лестницы. Если проводные датчики питаются от сети и используют батарейки только в качестве резервного источника, то у беспроводных датчиков проводов питания нет вовсе. В связи с этим срок службы от одной батарейки для них является решающим параметром.
  • Безопасность. Беспроводная технология должна обеспечивать защиту от хакерских атак. Если система пожарной сигнализации имеет подключение к Интернету, например, через Wi-Fi, то хакеры могут использовать бреши в системе безопасности, чтобы получить доступ к другим подключенным элементам, например, к дверным замкам.
  • Высокая помехозащищенность. Беспроводное соединение должно быть устойчивым к помехам и различным условиям передачи.
  • Масштабируемость. Технология должна позволять добавление новых устройств к существующей сети.

Благодаря превосходным характеристикам радио, малому потреблению и приемлемой стоимости, субгигагерцевые (Sub-1 GHz) технологии отвечают всем перечисленным выше требованиям и широко используются в пожарной и других системах безопасности. ВЧ-сигналы субгигагерцевого диапазона хорошо распространяются по воздуху и могут проникать сквозь стены. Поэтому с их помощью легко обеспечить устойчивую связь по всему дому, квартире или зданию. Кроме того, технология позволяет достигать минимального потребления и дает возможность работы со «спящими» устройствами. Эти устройства используют батарейное питание и большую часть времени находятся в режиме сна, имея минимальное потребление. Они начинают передачу данных только при возникновении внешних событий или при периодических пробуждениях по таймеру.

Субгигагерцевые беспроводные микроконтроллеры SimpleLink CC13xx отличаются широким радиусом действия и превосходными радиочастотными характеристиками, что в результате обеспечивает устойчивое и надежное соединение. Эти контроллеры являются лидерами по малому уровню потребления и позволяют датчикам работать много лет от одной батарейки. При использовании стека TI 15.4-Stack (IEEE 802.15.4e/g) они также отвечают всем приведенным выше требованиям по безопасности и масштабируемости. Эти качества делают CC13xx идеальным выбором для построения систем безопасности.

Построение беспроводной системы на базе микроконтроллеров SimpleLink

Малопотребляющие беспроводные микроконтроллеры CC1310 (433/868 МГц) или CC1350 (433/868/2400 МГц), работая в качестве основного процессора системы, способны управлять датчиком, сиреной, светодиодами, обеспечивают опрос состояния клавиш управления и обмен данными внутри сети. Датчик дыма может быть подключен к встроенному АЦП микроконтроллера через трансимпедансный усилитель, который преобразует ток фотодиода в напряжение. Также датчик может быть подключен к компаратору и пробуждать микроконтроллер посредством прерываний. Контроллеры CC1310 и CC1350 имеют большое количество портов ввода-вывода общего назначения GPIO (General-Purpose Input/Output), интерфейс I²C (Inter-Integrated Circuit), UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), SPI (Serial Peripheral Interface) и другие интерфейсы, которые могут понадобиться при построении системы. Если выбирать между микроконтроллером со встроенным радиопередатчиком и связкой из обычного микроконтроллера и отдельного радиопередатчика, то в первом случае можно достичь меньшей потребляемой мощности, повысить уровень интеграции, снизить габариты, уменьшить стоимость, а также ускорить время вывода устройства на рынок. Ускорение разработки достигается за счет использования готовых протоколов и примеров, которые входят в состав SDK.

На рисунке 1 представлена блок-схема оптического датчика дыма. Микроконтроллеры CC1310 или CC1350 управляют драйвером светодиода, который формирует луч света. Трансимпедансный усилитель (Transimpedance Amplifier, TIA) служит для преобразования выходного тока фотодиода в напряжение и нормирует сигнал для попадания в заданный динамический диапазон используемого АЦП. Выходное напряжение подается на вход интегрированного АЦП микроконтроллера CC1310 или CC1350. Также микроконтроллер управляет работой сигнальных светодиодов (например, для индикации уровня заряда батареи питания), проводит опрос клавиш (например, тестовой кнопки) и активирует звуковую сирену.

Рис. 1. Блок-схема оптического датчика дыма

Рис. 1. Блок-схема оптического датчика дыма

Выбор топологии сети

При создании сети датчиков на базе CC1310 или CC1350 разработчикам необходимо выбрать оптимальную сетевую топологию. Платформа разработчика SIMPLELINK-CC13X0-SDK позволяет наиболее просто реализовывать одноуровневую сеть или топологию типа «звезда».

Топология «звезда»

Такая архитектура подойдет для тех случаев, когда есть возможность выделить специальный узел сети – концентратор, который питается не от батарейки, а от сети переменного напряжения 220 В, и может постоянно бодрствовать. Остальные узлы сети (датчики дыма) пребывают в спящем режиме. Они пробуждаются только для проведения измерений, передачи дежурного сообщения о своем присутствии или о возникновении пожара. Дежурное сообщение может содержать и дополнительную информацию, например, уровень заряда батареи.

В ответ на дежурное сообщение концентратор передает сообщение-подтверждение (ACK). Также он может посылать другие данные, например, сообщение об обнаружении пожара остальными датчиками или информацию об обновлении ПО.

Период между дежурными сообщениями выбирается исходя из компромисса между потреблением и временем распространения информации о пожаре. Чем чаще выполняется передача сообщений — тем быстрее сработает оповещение о возникновении огня. Однако одновременно с этим увеличится и потребление, а значит, сократится срок службы от одной батарейки.

SDK для CC1310/ CC1350 включает стек 15.4, который основан на базе 802.15.4g и включает в себя механизмы защиты и возможность перестройки частоты. Базовая скорость передачи составляет 50 кбит/с, а для увеличения дальности может быть снижена до 5 кбит/с.

Одноуровневая топология

Она применяется в тех случаях, когда все узлы системы имеют только батарейное питание. При такой топологии все датчики оказываются узлами одного уровня, а необходимость в посылке дежурных сообщений отпадает. Узлы начинают радиопередачу только лишь при возникновении пожара. Для обнаружения радиосообщений от других датчиков каждый узел сети периодически пробуждается и слушает эфир.

Для создания такой топологии в CC1310/ CC1350 SDK предусмотрен простой протокол Easylink. Он состоит из элементарного набора функций, которые позволяют очень просто выполнить обмен данными между узлами сети.

Особенности потребления датчиков пожарной сигнализации

При штатной работе датчик дыма может находиться в одном из пяти состояний (рисунок 2).

Рис. 2. Временная диаграмма потребления датчика дыма

Рис. 2. Временная диаграмма потребления датчика дыма

  • Режим сна — основной режим для датчика. В нем потребление должно быть минимальным. Для CC1310 или CC1350 ток в режиме ожидания (Standby) составляет 0,7 мкА, а в режиме глубокого сна (Shutdown) 0,185 мкА.
  • Режим измерений. Микроконтроллер периодически просыпается по прерыванию от таймера и производит измерения. При этом потребление резко возрастает главным образом из-за необходимости питания светодиода. Стоит отметить, что собственное потребление микроконтроллеров CC1310 или CC1350 не велико и в активном режиме начинается от 51 мкА/МГц. Кроме того, если процессорное ядро не выполняет других задач, то может использоваться работа по прерыванию от АЦП, который в свою очередь потребляет всего 0,95 мкА. Очевидно, что увеличение частоты измерений повышает уровень потребления, и сокращает срок службы элемента питания.
  • Передача и прием сообщений являются весьма «затратными» мероприятиями. В режиме передачи потребление CC1310 или CC1350 возрастает до 13,4 мА (10 дБм), а в режиме приема – до 5,4 мА. Очевидно, что чем чаще происходит радиообмен сообщениями, тем выше потребление и меньше срок службы. Еще одним негативным фактором может стать потеря сообщений, так как в этом случае требуется повторная передача. Для нормального качества связи уровень потерь не должен превышать 5%.
  • Звуковое оповещение. При включении сирены мощность потребления неизбежно возрастает.
  • Включение датчика. При переходе из спящего состояния в один из активных режимов системе требуется некоторое время на инициализацию. Во многих случаях этими потерями можно пренебречь.

Преимущества использования дополнительного интерфейса Bluetooth

Микроконтроллер CC1350, кроме использования канала субгигагерцевого диапазона, поддерживают и Bluetooth. Исходя из задачи минимизации уровня потребления, поддержка этого интерфейса кажется нелогичной, так как он достаточно «прожорлив». Однако в данном случае Bluetooth является вспомогательным инструментом, который значительно расширяет возможности системы пожарной сигнализации. Рассмотрим лишь некоторые преимущества, которые дает использование Bluetooth.

  • Простота настройки системы. С помощью Bluetooth пользователь может легко настраивать систему с помощью обыкновенного смартфона: задавать имена узлов, выставлять период дежурных сообщений, определять пороги срабатывания и так далее.
  • Простота мониторинга и контроля. С помощью смартфона с Bluetooth пользователь может проводить тестирование датчиков без необходимости брать лестницу и нажимать на тестовую кнопку. Кроме того, у обслуживающего персонала всегда будет актуальная информация об уровне заряда батареи. При этом необходимость в концентраторе или центральной панели может и вовсе отпадать.
  • Удаленное обновление ПО. Пользователь может не только настраивать параметры датчиков и сети, но и полностью обновлять ПО.
  • Широковещательные сообщения о пожаре. В обычной пожарной системе (без Bluetooth) оповещение людей происходит только за счет звуковой сирены. Если же датчики поддерживают Bluetooth, то пользователи могут получать информацию о пожаре сразу на свой смартфон. Для этого используются специальные широковещательные сообщения протокола BLE, которые не требуют установления полноценного соединения со смартфоном.

Таким образом Bluetooth может значительно расширить функционал системы безопасности, а также упростить работу с ней для простых пользователей.

Пример расчета

Давайте проанализируем особенности работы датчика дыма на примере используемого автомата состояний и рассчитаем потребление датчика, работающего в составе сети с топологией звезда.

Рассмотрим систему сигнализации на базе оптических датчиков, аналогичных тому, который изображен на рисунке 1. Каждый датчик имеет связь с концентратором, в роли которого может выступать как центральная панель, так и один из датчиков, который определен в системе как концентратор.

При работе датчик выполняет две основные периодические задачи (рисунок 3):

  • проведение измерений (опрос датчика дыма);
  • передачу дежурных сообщений о своем присутствии концентратору, и получение подтверждения (ACK) или других информационных сообщений от концентратора.

По умолчанию таймер системы запускает цикл измерений каждые 10 секунд. Цикл измерений начинается с включения трансимпедансного усилителя и ожидания, пока этот усилитель достигнет установившегося состояния. Далее активируется драйвер светодиода. АЦП, встроенный в CC1310 или CC1350, начинает измерения выходного напряжения усилителя. Контроллер сравнивает получаемые результаты с заранее заданными пороговыми значениями.

В штатном режиме работы микроконтроллер посылает дежурные сообщения о своем присутствии каждые 20 секунд. Цель этих сообщений – донести до концентратора, что датчик функционирует, и получить от него ответную информацию. Такие обратные сообщения могут, в частности, сообщить датчику об обнаружении дыма другим узлом сети. При этом интервал 20 секунд определяет максимальную задержку для худшего случая при передаче данных между узлами сети.

В данном случае используются два пороговых значения для контроля результатов измерений: верхний порог говорит о наличии пожара, нижний — о том, что уровень задымления выше, чем обычно. Если сигнал с датчика превысил нижнее пороговое значение, но не превысил верхнее — то период измерений уменьшается с 10 до 1 секунды, а период передачи дежурного сообщения сокращается с 20 до 5 секунд.

Превышение верхнего порога говорит о возникновении пожара. При этом датчик активирует звуковой аварийный сигнал (сирену), начинает непрерывную передачу аварийных сообщений и посылает сигналы о пожаре по Bluetooth. Если датчик получает сообщение о пожаре от другого датчика, то он также активирует сирену, начинает выполнять непрерывные измерения, передавать их на концентратор и посылать сигналы о пожаре по Bluetooth.

При расчете использовались следующие допущения:

  • Превышение нижнего порога возможно несколько раз в день, например, во время приготовления пищи или при отпаривании утюгом. На работу в таком режиме суммарно отводится 30 минут в день.
  • При оценке срока службы потребление во время пожара не учитывается, так как это достаточно редкое событие.
  • Максимальное число повторных передач – 3. После трех неудачных попыток датчик сообщает о потере сети (с помощью светодиода). Попытки будут продолжены на следующем интервале или при обнаружении пожара. Вероятность потери одиночного пакета предполагается равной 5%.
  • Система использует стек TI 15.4 со скоростью передачи 50 кбит/с с функциями защиты и перестройкой несущей частоты.
  • В качестве элемента питания используется литий-ионная батарея 1500 мА·ч с коэффициентом снижения емкости 85%.
  • Потребление в режиме ожидания составляет 0,6 мкА.
  • Потребление в режиме измерений составляет 200 мА в течение 100 мкс и определяется в основном током светодиода.
  • Передаваемые сообщения имеют объем данных в 20 байт. Общая длина пакета составляет 54 байта. Ток потребления в режиме передачи равен 13,4 мА в течение 10,5 мс (при мощности 10 дБм).
  • Прием ответного сообщения (ACK) занимает 10,5 мс при потреблении 5,5 мА.

В соответствии с анализом потребляемой мощности (таблица 1) срок службы от одной батарейки составит более 10 лет.

Таблица 1. Расчет срока службы датчика дыма

Параметр Расчет
Число измерений в день: 23,5 часа каждые 10 секунд; 30 минут каждую секунду 23,5×60×6 + 30×60 = 10260
Количество переданных дежурных сообщений в день: 23,5 часа каждые 10 секунд; 30 минут каждую секунду 23,5×60×3 + 30×12 = 4590
Заряд, потребляемый за один цикл измерений 200 мА×0,1 мс = 20 мкКл
Заряд, потребляемый за один цикл передачи 10,5 мс×13,4 мА + 10,5 мс×5,5 мА = 198,45 мкКл
Суммарное потребление за все циклы измерений в течение дня 10260×20 мкКл = 205,2 мКл
Суммарное потребление за все циклы передачи в течение дня с учетом 5% повторных передач 4590×198,45 мкКл×1,05 = 956 мКл
Потребление в режиме ожидания в течение дня 0,6 мкА×24×60×60 = 51,8 мКл
Общее потребление за день 205,2 мКл + 956 мКл + 51,8 мКл = 1213 мКл/день
Средний ток (1213 мКл/день)/(86400 с/день) = 0,014 мА = 14 мкА
Емкость аккумулятора (батареи) 1500 м·Ач = 5400С
Срок службы (5400×0,85)/(1213 мКл/день) = 3784 Дней = 10,3 лет

Заключение

Решение проблем, связанных с использованием беспроводных датчиков дыма в системах сигнализации, раскрывает преимущества сетей датчиков дыма перед автономными датчиками и преимущества беспроводных сетей пожарных датчиков по сравнению с проводными системами.

Субгигагерцевые технологии представляют собой хороший выбор для беспроводных пожарных датчиков, благодаря отличным ВЧ-характеристикам. Субгигагерцевые микроконтроллеры SimpleLink CC1310 и CC1350 позволяют обеспечить датчики дыма надежным радиоканалом, достичь малого потребления и длительного срока службы от одной батарейки, а также использовать все преимущества сетевого взаимодействия.

Литература

  1. Ambient Light and Environment Sensor Node for Sub-1GHz Networks Design Guide
  2. Humidity and Temperature Sensor Node for Sub-1GHz Star Networks Design Guide
  3. How to Build a Fully Managed and Scalable Long-Range Network With Low-Power Nodes blog
  4. Bringing Wireless Scalability to Intelligent Sensing Applications
  5. Always-on Low-power Gas Sensing with 10+ Year Coin Cell Battery Life Reference Design
  6. Piezo Speaker Strobe Notification Reference Design
О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, ...читать далее

Наличие на складах
Наименование Наличие Цена
CC1310F128RGZR (TI) 21 564 10.99 $ 668.52 руб. от 100 шт
CC1310F128RHBT (TI) 13 614 5.0094 $ 304.70 руб. от 100 шт
CC1310F128RHBR (TI) 26 423 5.5098 $ 335.13 руб. от 3 000 шт
CC1350F128RSMR (TI) 17 236 12.84 $ 781.20 руб. от 100 шт
CC1350F128RGZR (TI) 3 376 13.94 $ 847.64 руб. от 100 шт