一种基于LoRa技术的联网型独立式烟雾报警器

杨元浩 王康 官晓鹏

摘要：分析了当前联网型独立式感烟火灾探测器的技术现状，设计了一款以MSP430为主控芯片的联网型烟雾报警器。该产品针对小的经营性场所及居民住所设计，利用LoRa远程技术及时有效的提供火情预警。具有待机功耗低、传输距离远等特点。将为减少火灾损失，起到积极作用。

关键词：LoRa； 火灾报警； 监控系统； 低功耗

当代中国，一栋栋高层建筑拔地而起，其不仅改善了人们的生活居住环境，也见证着中国城市化进程的推进。但是对于高层建筑的防火救援，却是个世界性的难题。根据《建筑设计防火规范》要求，高层建筑和大型营业性场所都需要安装传统的火灾自动报警装置。但从近几年火灾发生的统计情况来看，一些小的经营性场所及居民住所的火灾数量，却一直居高不下。究其原因，一是因为这类场所中没有安装可靠有效的预警设备，二是一些场所虽然安装了传统的烟雾报警器，但只提供了声光报警，当家中无人时，不能将火情有效的传递。没有可靠有效的预警设备，相关人员无法及时采取有效的措施，防止损失继续扩大。

针对当前火灾预警薄弱的场所，一种可靠的预警设备，对人民生命财产安全有着现实意义。笔者结合当前物联网通信技术，设计了一种联网型独立式烟雾报警器。针对该类场所提供了一种解决方案，补齐火灾预警方面的短板。

1 技术现状及趋势

传统无线组网方式中，比较有代表性的是433MHz、Zigbee及GSM三种技术。433MHz在穿透性能突出，但是在组网方面却先天不足，同样，Zigbee的通信距离虽然在组网方面优秀。但其通信距离不满足分散场所的火灾预警。GSM虽然不存在上述问题，但其组网成本是三者中最高的。

随着物联网技术的发展，各类新的通讯技术得到发展。LoRa就是其中具有代表性的一种新技术。LoRa技术是由美国 Semtech公司研究出的一种簇树型网络架构无线通讯技术，在环境状态感知及火情预警方面LoRa技术具有以下突出优点：一是基于扩频调制技术其信噪比为-20dB，具有极高的抑制干扰能力，理想状态下通信距离高达15km。二是其功耗低，LoRa模块的接收电流极低，仅为10mA，待机电流更是低到200nA，这极大的延长了电池的工作寿命。三是大容量，其基于LoRaWAN协议。理论上单个网络可以容纳6万多个设备，有效的降低组网成本，并提高了网络可靠性。

2 设计方案

烟雾报警器主要包括烟雾光学迷宫模块、LoRa无线传输通讯模块、声光报警模块、核心主控芯片MSP430以及电源供应模块构成。当火灾发生时，烟雾光学迷宫模块检测到，火情向MCU发送报警信息。当MCU收到报警的中断信号后，将从低功耗待机模式唤醒。驱动蜂鸣器发生报警信号。同时利用LoRa技术向管理员推送火警信息。烟雾报警器整体架构如图1所示。

2.1 烟雾光学迷宫模块

烟雾光学迷宫是该装置眼睛和耳朵，负责感知检测当前空气中的烟雾颗粒的浓度。其采用光电感烟模块，模块由红外光束发生器、感光元件和迷宫体组件构成。当火灾发生时，燃烧产生的烟雾颗粒进入迷宫体中，由于烟雾颗粒的折射作用，扰乱了光的正常传播途径，使得感光元件能够接收红外光束发生器发出的红外光线，当火情越严重时，意味着现场空气中的烟雾颗粒浓度越大，感光元件能接收到的信号强度就越大，当接收信号幅值达到内部设定的报警阈值时，其产生中报警信号，向控制芯片发出火灾报警。

2.2 控制模块

控制模块为该装置的核心，其负责处理装置在运行过程中产生的各类数据，并负责驱动其它模块独立稳定运行。为了使烟雾报警器可以长期稳定工作，本模块采用了德州仪器（TI）公司生产的MSP430系列的MSP430G2553IPW20（MCU）单片机。该系列单片机，具有的5种低功耗模式，专门为延长电池使用寿命做了优化。内部集成的数字控制振荡器（DCO）可以将系统从低功耗模式切换到运行模式的唤醒时间控制在1us以内。

在控制程序的驅动下，既满足了日常的低功耗待机的需要，又可以在火灾发生时提供可靠的性能，迅速切换到正常运行状态，将火灾讯息第一时间反馈给用户，方便用户在第一时间采取有效措施。利用其自带的休眠功能，降低自身待机功耗，在采用电池供电的情况下，可长时间稳定运行。

2.3 LoRa通信模块

无线通信模块负责发送火情信息。每隔一段时间，该模块会被MCU定时唤醒，发送心跳帧，确保当前网络连接状态。当其他同类模块检测到火灾信息时，其也将会被唤醒，作为信号传导的中继，增加信号的强度，避免火灾报警的漏报。而平时绝大多数时间内，其将处于深度休眠状态，以降低功耗，延长设备的待机时间。

该模块的硬件基于SX1278芯片进行设计。SX1278低功耗远距离收发器采用了LoRa扩频调制技术，使其有效传输距离远超现有系统。SX1278与主控MCU之间采用SPI接口连接，通过中断加定时器超时的方式控制SX1278的工作状态，每当通讯完成，配置芯片寄存器快速进入到休眠状态，以最大限度的节约功耗。

2.4 声光报警模块

声光报警模块主要包括蜂鸣器与指示灯两部分。负责人提供火灾发生是的报警信息，以及设备处于低电量的提示信息。平时处于静置状态，当检测到火情时，由MCU的驱动报警灯及蜂鸣器发出报警信息，提供声光报警，以便相关人员第一时间采取有效处理措施。

3 结论

基于LoRa无线扩频技术研究设计的无线烟雾报警器具有低功耗、远距离、低成本，部署方便免施工的突出特点。为LoRa技术在火灾报警应用进行了初步探索和实践。本文的研究成果，未来可以推广到对功耗具有严格要求，且数据量较小的监测领域。LoRa技术在国内研发应用时间较短，在火情监测领域的应用属于起步阶段，相信LoRa技术必将在消防领域中发挥应有的贡献。依托LoRa无线通信的技术优势，未来可以在组网算法以及行业应用等方面展开进一步研究。

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