1. бездротові технології
2. Побудова бездротової системи на базі мікроконтролерів SimpleLink
3. Вибір топології мережі
4. Топологія «зірка»
5. однорівнева топологія
6. Особливості споживання датчиків пожежної сигналізації
7. Переваги використання додаткового інтерфейсу Bluetooth
8. приклад розрахунку
9. Висновок

Мережа пожежних датчиків диму в системах сигналізації має явні переваги в порівнянні з дротяними системами. Субгігагерцевие технології - хороший вибір для бездротових пожежних датчиків. Субгігагерцевие мікроконтролери CC1310 і CC1350 від Texas Insrtuments дозволяють забезпечити датчики диму надійним радіоканалом, досягти малого споживання і тривалого терміну служби від однієї батарейки, а також використовувати всі переваги мережевої взаємодії.

Датчики диму є ключовими компонентами в системах безпеки. Їх головне завдання полягає у виявленні загорянь за рахунок виявлення задимлення з подальшим включенням звукового сигналу (сирени) для початку евакуації людей з будівлі. Дуже часто датчики диму працюють в складі системи безпеки, яка в свою чергу підключена до пожежної частини.

Фотоелектричні датчики диму використовують світлодіоди для формування променя світла. Фотодіод розташовується всередині спеціальної камери і безпосередньо не бере генерується світловий потік. При появі диму промінь світла починає розсіюватися і поширюватися в різних напрямках. Частина цього розсіюється потоку приймається фотодиодом, який генерує струм, а струм в свою чергу фіксується детектором.

Об'єднання пожежних датчиків в одну систему стає загальноприйнятим і стандартним рішенням у всьому світі. Наявність зв'язків між датчиками дозволяє системі безпеки реагувати швидше. У великих будівлях, приміщеннях і житлових будинках сирени всіх датчиків включаються, як тільки спрацьовує перший датчик задимлення. Це забезпечує достатній запас часу для того щоб евакуювати людей з приміщення до того як вогонь пошириться. Об'єднана система пожежної безпеки є обов'язковою у багатьох країнах. Дослідження показують, що при наявності зв'язку між датчиками диму люди з більшою ймовірністю дізнаються про пожежу.

Використання бездротових каналів зв'язку в системах пожежної сигналізації спрощує установку і обслуговування, а також знижує витрати в порівнянні з дротяними системами. Бездротовий зв'язок дозволяє піти від прокладки проводів по стінах і стелі, а також звільняє від заміни пошкоджених проводів. Однак при використанні бездротових з'єднань з'являються інші проблеми, такі як забезпечення мінімального енергоспоживання і необхідність реалізації бездротових мереж. Давайте детальніше розглянемо ці проблеми, а також їх рішення за допомогою бездротових субгігагерцевих мікроконтролерів SimpleLink CC1310 і CC1350.

бездротові технології

При виборі технології бездротового зв'язку для системи пожежної сигналізації або для системи інших датчиків важливо враховувати цілий ряд вимог. Нижче наведені найбільш загальні з них:

• Радіус дії . Система може бути встановлена ​​в будинках, офісах, приміщеннях, будівлях. Дана технологія бездротового зв'язку повинна забезпечувати широкий радіус дії.
• Мінімальне споживання. Для датчиків на батарейках важливо, щоб обрана технологія могла забезпечити бездротове з'єднання при мінімальному споживанні. Заміна батарейок в датчиках пожежної сигналізації - нудне заняття, так як вони, як правило, розташовуються на стелі, і дістатися до них можна тільки за допомогою драбини. Якщо провідні датчики живляться від мережі і використовують батарейки тільки в якості резервного джерела, то у бездротових датчиків проводів харчування немає зовсім. У зв'язку з цим термін служби від однієї батарейки для них є вирішальним параметром.
• Безпека. Бездротова технологія повинна забезпечувати захист від хакерських атак. Якщо система пожежної сигналізації має підключення до Інтернету, наприклад, через Wi-Fi, то хакери можуть використовувати проломи в системі безпеки, щоб отримати доступ до інших підключеним елементів, наприклад, до дверних замків.
• Висока перешкодозахищеність. Бездротове з'єднання повинно бути стійким до перешкод і різних умов передачі.
• Масштабованість. Технологія повинна дозволяти додавання нових пристроїв до існуючої мережі.

Завдяки чудовим характеристикам радіо, малому споживанню і прийнятною вартістю, субгігагерцевие (Sub-1 GHz) технології відповідають всім перерахованим вище вимогам і широко використовуються в пожежній і інших системах безпеки. ВЧ-сигнали субгігагерцевого діапазону добре поширюються по повітрю і можуть проникати крізь стіни. Тому з їх допомогою легко забезпечити стійкий зв'язок по всьому будинку, квартирі або будинку. Крім того, технологія дозволяє досягати мінімального споживання і дає можливість роботи з «сплячими» пристроями. Ці пристрої використовують батарейне харчування і більшу частину часу перебувають в режимі сну, маючи мінімальне споживання. Вони починають передачу даних тільки при виникненні зовнішніх подій або при періодичних пробудженнях за таймером.

Субгігагерцевие бездротові мікроконтролери SimpleLink CC 13 xx відрізняються широким радіусом дії і чудовими радіочастотними характеристиками, що в результаті забезпечує стійке і надійне з'єднання. Ці контролери є лідерами по малому рівню споживання і дозволяють датчикам працювати багато років від однієї батарейки. При використанні стека TI 15.4-Stack (IEEE 802.15.4e / g) вони також відповідають всім наведеним вище вимогам з безпеки і масштабованості. Ці якості роблять CC13xx ідеальним вибором для побудови систем безпеки.

Побудова бездротової системи на базі мікроконтролерів SimpleLink

Малопотребляющіе бездротові мікроконтролери CC1310 (433/868 МГц) або CC1350 (433/868/2400 МГц), працюючи в якості основного процесора системи, здатні керувати датчиком, сиреною, світлодіодами, забезпечують опитування стану клавіш управління і обмін даними всередині мережі. Датчик диму може бути підключений до вбудованого АЦП мікроконтролера через трансімпедансним підсилювач, який перетворює струм фотодіода в напругу. Також датчик може бути підключений до компаратору і пробуджувати мікроконтролер за допомогою переривань. Контролери CC1310 і CC1350 мають велику кількість портів введення-виведення загального призначення GPIO (General-Purpose Input / Output), інтерфейс I²C (Inter-Integrated Circuit), UART (Universal Asynchronous Receiver / Transmitter), SPI (Serial Peripheral Interface) та інші інтерфейси , які можуть знадобитися при побудові системи. Якщо вибирати між мікро контролером з вбудованим радіопередавачем і зв'язкою зі звичайного мікроконтролера і окремого радіопередавача, то в першому випадку можна досягти меншою споживаної потужності, підвищити рівень інтеграції, знизити габарити, зменшити вартість, а також прискорити час виведення пристрою на ринок. Прискорення розробки досягається за рахунок використання готових протоколів і прикладів, які входять до складу SDK.

На рис. 1 представлена ​​блок-схема оптичного датчика диму. Мікроконтролери CC1310 або CC1350 керують драйвером світлодіода, який формує промінь світла. Трансімпедансним підсилювач (Transimpedance Amplifier, TIA) служить для перетворення вихідного струму фотодіода в напругу і нормує сигнал для потрапляння в заданий динамічний діапазон використовуваного АЦП. Вихідна напруга подається на вхід інтегрованого АЦП мікроконтролера CC1310 або CC1350. Також мікроконтролер управляє роботою сигнальних світлодіодів (наприклад, для індикації рівня заряду батареї живлення), проводить опитування клавіш (наприклад, тестової кнопки) і активує звукову сирену.

Рис. 1. Блок-схема оптичного датчика диму

Вибір топології мережі

При створенні мережі датчиків на базі CC1310 або CC1350 розробникам необхідно вибрати оптимальну мережеву топологію. Платформа розробника SIMPLELINK-CC13X0-SDK дозволяє найбільш просто реалізовувати однорівневу мережу або топологію типу «зірка».

Топологія «зірка»

Така архітектура підійде для тих випадків, коли є можливість виділити спеціальний вузол мережі - концентратор, який живиться немає від батарейки, а від мережі змінного напруги 220 В, і може постійно пильнувати. Решта вузли мережі (датчики диму) перебувають в сплячому режимі. Вони пробуджуються тільки для проведення вимірювань, передачі чергового повідомлення про свою присутність або про виникнення пожежі. Чергове повідомлення може містити і додаткову інформацію, наприклад, рівень заряду батареї.

У відповідь на чергове повідомлення концентратор передає повідомлення-підтвердження (ACK). Також він може посилати інші дані, наприклад, повідомлення про виявлення пожежі іншими датчиками або інформацію щодо оновлення програмного забезпечення.

Період між черговими повідомленнями вибирається виходячи з компромісу між споживанням і часом поширення інформації про пожежу. Чим частіше виконується передача повідомлень - тим швидше спрацює оповіщення про виникнення вогню. Проте одночасно з цим збільшиться і споживання, а значить, скоротиться термін служби від однієї батарейки.

SDK для CC1310 / CC1350 включає стек 15.4, який заснований на базі 802.15.4g і включає в себе механізми захисту і можливість перебудови частоти. Базова швидкість передачі становить 50 кбіт / с, а для збільшення дальності може бути знижена до 5 кбіт / с.

однорівнева топологія

Вона застосовується в тих випадках, коли всі вузли системи мають тільки батарейне харчування. При такій топології все датчики виявляються вузлами одного рівня, а необхідність в посилці чергових повідомлень відпадає. Вузли починають радіопередачу тільки при виникненні пожежі. Для виявлення радіоповідомлень від інших датчиків кожен вузол мережі періодично прокидається і слухає ефір.

Для створення такої топології в CC1310 / CC1350 SDK передбачений простий протокол Easylink. Він складається з елементарного набору функцій, які дозволяють дуже просто виконати обмін даними між вузлами мережі.

Особливості споживання датчиків пожежної сигналізації

При штатній роботі датчик диму може перебувати в одному з п'яти станів (рис. 2).

Рис. 2. Тимчасова діаграма споживання датчика диму

• Режим сну - основний режим для датчика. У ньому споживання повинне бути мінімальним. Для CC1310 або CC1350 ток в режимі очікування (Standby) становить 0,7 мкА, а в режимі глибокого сну (Shutdown) 0,185 мкА.
• Режим вимірювань. Мікроконтролер періодично прокидається по перериванню від таймера і проводить вимірювання. При цьому споживання різко зростає головним чином через необхідність харчування світлодіода. Варто відзначити, що власне споживання мікроконтролерів CC1310 або CC1350 не велике і в активному режимі починається від 51 мкА / МГц. Крім того, якщо процесорний ядро ​​не виконує інших завдань, то може використовуватися робота по перериванню від АЦП, який в свою чергу споживає всього 0,95 мкА. Очевидно, що збільшення частоти вимірювань підвищує рівень споживання, і скорочує термін служби елемента живлення.
• Передача і прийом повідомлень є досить «витратними» заходами. У режимі передачі споживання CC1310 або CC1350 зростає до 13,4 мА (10 дБм), а в режимі прийому - до 5,4 мА. Очевидно, що чим частіше відбувається радіообмін повідомленнями, тим вище споживання і менше термін служби. Ще одним негативним фактором може стати втрата повідомлень, так як в цьому випадку покупцю доведеться передача. Для нормальної якості зв'язку рівень втрат не повинен перевищувати 5%.
• Звукове сповіщення. При включенні сирени потужність споживання неминуче зростає.
• Включення датчика. При переході із сплячого стану в один з активних режимів системі потрібен якийсь час на ініціалізацію. У багатьох випадках цими втратами можна знехтувати.

Переваги використання додаткового інтерфейсу Bluetooth

Мікроконтролер CC1350, крім використання каналу субгігагерцевого діапазону, підтримують і Bluetooth. Виходячи з завдання мінімізації рівня споживання, підтримка цього інтерфейсу здається нелогічною, оскільки він досить «ненажерливий». Однак в даному випадку Bluetooth є допоміжним інструментом, який значно розширює можливості системи пожежної сигналізації. Розглянемо лише деякі переваги, які дає використання Bluetooth.

• Простота настройки системи. За допомогою Bluetooth користувач може легко налаштовувати систему за допомогою звичайного смартфона: задавати імена вузлів, виставляти період чергових повідомлень, визначати пороги спрацьовування і так далі.
• Простота моніторингу та контролю. За допомогою смартфона з Bluetooth користувач може проводити тестування датчиків без необхідності брати драбину і натискати на тестову кнопку. Крім того, у обслуговуючого персоналу завжди буде актуальна інформація про рівень заряду батареї. При цьому необхідність в концентраторі або центральної панелі може і зовсім відпадати.
• Віддалене оновлення ПЗ. Користувач може не тільки налаштовувати параметри датчиків і мережі, але і повністю оновлювати ПО.
• Широкомовні повідомлення про пожежу. У звичайній пожежної системі (без Bluetooth) оповіщення людей відбувається тільки за рахунок звукової сирени. Якщо ж датчики підтримують Bluetooth, то користувачі можуть отримувати інформацію про пожежу відразу на свій смартфон. Для цього використовуються спеціальні широкомовні повідомлення протоколу BLE, які не вимагають встановлення повноцінного з'єднання зі смартфоном.

Таким чином Bluetooth може значно розширити функціонал системи безпеки, а також спростити роботу з нею для простих користувачів.

приклад розрахунку

Давайте проаналізуємо особливості роботи датчика диму на прикладі використовується автомата станів і розрахуємо споживання датчика, що працює в складі мережі з топологією зірка.

Розглянемо систему сигналізації на базі оптичних датчиків, аналогічних тому, який зображений на малюнку 1. Кожен датчик має зв'язок з концентратором, в ролі якого може виступати як центральна панель, так і один з датчиків, який визначений в системі як концентратор.

При роботі датчик виконує дві основні періодичні завдання (малюнок 3):

• проведення вимірювань (опитування датчика диму);
• передачу чергових повідомлень про свою присутність концентратора, і отримання підтвердження (ACK) або інших інформаційних повідомлень від концентратора.

За замовчуванням таймер системи запускає цикл вимірювань кожні 10 секунд. Цикл вимірювань починається з включення трансімпедансним підсилювача і очікування, поки цей підсилювач досягне встановленої стану. Далі активується драйвер світлодіода. АЦП, вбудований в CC1310 або CC1350, починає вимірювання вихідної напруги підсилювача. Контролер порівнює отримані результати з наперед заданими граничними значеннями.

У штатному режимі роботи мікроконтролер посилає чергові повідомлення про свою присутність кожні 20 секунд. Мета цих повідомлень - донести до концентратора, що датчик функціонує, і отримати від нього відповідь інформацію. Такі зворотні повідомлення можуть, зокрема, повідомити датчику про виявлення диму іншим вузлом мережі. При цьому інтервал 20 секунд визначає максимальну затримку для гіршого випадку при передачі даних між вузлами мережі.

В даному випадку використовуються два граничних значення для контролю результатів вимірювань: верхній поріг говорить про наявність пожежі, нижній - про те, що рівень задимлення вище, ніж зазвичай. Якщо сигнал з датчика перевищив нижню порогове значення, але не перевищив верхню - то період вимірювань зменшується з 10 до 1 секунди, а період передачі чергового повідомлення скорочується з 20 до 5 секунд.

Перевищення верхньої межі говорить про виникнення пожежі. При цьому датчик активує звуковий аварійний сигнал (сирену), починає безперервну передачу аварійних повідомлень і посилає сигнали про пожежу по Bluetooth. Якщо датчик отримує повідомлення про пожежу від іншого датчика, то він також активує сирену, починає виконувати безперервні вимірювання, передавати їх на концентратор і посилати сигнали про пожежу по Bluetooth.

При розрахунку використовувалися такі припущення:

• Перевищення нижнього порога можливо кілька разів на день, наприклад, під час приготування їжі або при відпарюванні праскою. На роботу в такому режимі сумарно відводиться 30 хвилин в день.
• При оцінці терміну служби споживання під час пожежі не враховується, так як це досить рідкісна подія.
• Максимальне число повторних передач - 3. Після трьох невдалих спроб датчик повідомляє про втрату мережі (за допомогою світлодіода). Спроби будуть продовжені на наступному інтервалі або при виявленні пожежі. Імовірність втрати одиночного пакету передбачається рівний 5%.
• Система використовує стек TI 15.4 зі швидкістю передачі 50 кбіт / с з функціями захисту і перебудовою несучої частоти.
• В якості елемента живлення використовується літій-іонна батарея 1500 мА · год до коефіцієнта зниження ємності 85%.
• Споживання в режимі очікування становить 0,6 мкА.
• Споживання в режимі вимірювань становить 200 мА протягом 100 мкс і визначається в основному струмом світлодіода.
• Передані повідомлення мають обсяг даних в 20 байт. Загальна довжина пакета становить 54 байта. Струм споживання в режимі передачі дорівнює 13,4 мА протягом 10,5 мс (при потужності 10 дБм).
• Прийом листа у відповідь (ACK) займає 10,5 мс при споживанні 5,5 мА.

Відповідно до аналізу споживаної потужності (таблиця 1) термін служби від однієї батарейки складе більше 10 років.

Таблиця 1. Розрахунок терміну служби датчика диму

Параметр Розрахунок Число вимірювань в день: 23,5 години кожні 10 секунд; 30 хвилин кожну секунду 23,5 × 60 × 6 + 30 × 60 = 10260 Кількість переданих чергових повідомлень в день: 23,5 години кожні 10 секунд; 30 хвилин кожну секунду 23,5 × 60 × 3 + 30 × 12 = 4590 Заряд, споживаний за один цикл вимірювань 200 мА × 0,1 мс = 20 мкКл Заряд, споживаний за один цикл передачі 10,5 мс × 13,4 мА + 10,5 мс × 5,5 мА = 198,45 мкКл Сумарне споживання за все цикли вимірювань протягом дня 10260 × 20 мкКл = 205,2 мКл Сумарне споживання за все цикли передачі протягом дня з урахуванням 5% повторних передач 4590 × 198,45 мкКл × 1,05 = 956 мкл споживання в режимі очікування протягом дня 0,6 мкА × 24 × 60 × 60 = 51,8 мКл Загальне споживання за день 205,2 мКл + 956 мкл + 51,8 мКл = 1213 мкл / день Середній струм (1213 мкл / день) / (86400 с / день) = 0,014 мА = 14 мкА Ємність а ккумулятора (батареї) 1500 м · Ач = 5400С Термін служби (5400 × 0,85) / (1213 мкл / день) = 3784 Днів = 10,3 років

Висновок

Рішення проблем, пов'язаних з використанням бездротових датчиків диму в системах сигналізації, розкриває переваги мереж датчиків диму перед автономними датчиками і переваги бездротових мереж пожежних датчиків в порівнянні з дротяними системами.

Субгігагерцевие технології являють собою хороший вибір для бездротових пожежних датчиків, завдяки відмінним ВЧ-характеристикам. Субгігагерцевие мікроконтролери SimpleLink CC1310 і CC1350 дозволяють забезпечити датчики диму надійним радіоканалом, досягти малого споживання і тривалого терміну служби від однієї батарейки, а також використовувати всі переваги мережевої взаємодії.