CN211149239U - 一种基于电压采样电路的NB-IoT烟感控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于电压采样电路的NB‑IoT烟感控制系统，包括处理单元、通信单元、声响单元、电压采样电路、光电迷宫电路、按键模块和电池组，通信单元、声响单元、电压采样电路、光电迷宫电路、按键模块、电池组与处理单元电性连接；电压采样电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、晶体管Q1、晶体管Q2、电容C1；需要对电池组的电压进行检测时，处理单元对晶体管Q1、三极管Q2的控制，避免了采样电路直接接在电池组上对电池电量的损耗，以节约电量降低能耗，延长使用寿命；本实用新型提供了有效延长NB‑IoT独立式烟感的电池使用寿命，有效的减少了更换电池频率，增加了电池使用时间的一种基于电压采样电路的NB‑IoT烟感控制系统。

Description

一种基于电压采样电路的NB-IoT烟感控制系统

技术领域

本实用新型涉及消防设备技术领域，更具体的说，它涉及一种基于电压采样电路的NB-IoT烟感控制系统。

背景技术

烟感是一种火灾消防电子产品，通过感测烟雾来告警，避免火灾带来更大的损失。传统的烟感主要分为：有线烟感和独立式烟感。有线烟感需要有线供电，不用考虑组网监控，但是布线有困难，后面改装比较麻烦。

独立式烟感无需考虑有线供电，使用电池就可以工作。但是没有有线，就没有办法进行集中监控管理。当有火情时只能在火灾现场进行告警，如果火灾现场没有人员，其他人员就无法得知火情。所以，独立式烟感进行组网监控非常有必要。

发明内容

本实用新型克服了现有技术的不足，提供了有效延长NB-IoT独立式烟感的电池使用寿命，有效的减少了更换电池频率，增加了电池使用时间的一种基于电压采样电路的NB-IoT烟感控制系统。

本实用新型的技术方案如下：

一种基于电压采样电路的NB-IoT烟感控制系统，包括处理单元、通信单元、声响单元、电压采样电路、光电迷宫电路、按键模块和电池组，通信单元、声响单元、电压采样电路、光电迷宫电路、按键模块、电池组与处理单元电性连接。

进一步的，电压采样电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、晶体管Q1、晶体管Q2、电容C1；电阻R1的一端、晶体管Q2的集电极一起连接VCC，晶体管Q2的发射极与电阻R3的一端连接，晶体管Q2的基极与电阻R2的一端连接，电阻R3的另一端、电阻R4的一端、电容C1的一端与处理单元的中央处理器的12号引脚连接，电阻R4的另一端、电容C1的另一端接地；电阻R1的另一端、电阻R2的另一端与晶体管Q1的集电极连接，晶体管Q1的发射极接地，晶体管Q1的基极与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与处理单元的中央处理器的13号引脚连接。

进一步的，通信单元包括电阻R13、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电容C11、电容C12、NPN三极管Q6、PNP三极管Q7、NB-IoT模块U202和天线；

电阻R13的一端与处理单元的中央处理器的34号引脚连接，电阻R13的另一端与NPN三极管Q6的基极连接，NPN三极管Q6的集电极与电阻R18的一端、电阻R19的一端连接，电阻R18的另一端与PNP三极管Q7的集电极一起接VCC，电阻R19的另一端与PNP三极管Q7的基极连接，PNP的发射极与NB-IoT模块U202的1号引脚VCC连接；NPN三极管Q6的发射极与电容C11的一端一起接地，电容C11的另一端与电阻R21的一端、处理单元的中央处理器的31号引脚、NB-IoT模块U202的3号引脚TXD连接，电阻R21的另一端与电阻R20的一端、NB-IoT模块U202的1号引脚VCC连接，电阻R20的另一端与电容C12的一端一起与中央处理器的30号引脚、NB-IoT模块U202的4号引脚RXD连接，电容C12的另一端与NB-IoT模块U202的2号引脚VSS一起接地，NB-IoT模块U202的5号引脚RESET与处理单元的中央处理器的29号引脚连接，NB-IoT模块U202的6号引脚接天线。

进一步的，光电迷宫电路包括红外光发射电路和红外光接收电路，红外光发射电路和红外光接收电路与处理单元的中央处理器电性连接；

红外光发射电路包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、NPN三极管Q3、红外发光二极管D1，电阻R8的一端与处理单元的中央处理器14号引脚连接，电阻R8的另一端与电阻R9的一端、NPN三极管Q3的基极连接，NPN三极管Q3的发射极与电阻R9的另一端一起接地，NPN三极管Q3的集电极与红外发光二极管D1的阴极连接，红外发光二极管D1的阳极与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端接VCC；

红外光接收电路包括红外接收二极管D2、PNP三极管Q4、电阻R11、电阻R12，电阻R12的一端、PNP三极管Q4的集电极与处理单元的中央处理器22号引脚连接，PNP三极管Q4的基极与电阻R11的一端、红外接收二极管D2的阴极连接，电阻R11的另一端、PNP三极管Q4的发射极一起接VCC，红外接收二极管的正极与电阻R12的另一端一起接地。

进一步的，声响单元包括电阻R15、电阻R16、电阻R17、电容C9、NPN三极管Q5、蜂鸣器B1，电阻R15的一端与处理单元的中央处理器25引脚电性连接，电阻R15的另一端与电阻R16的一端、电容C9的一端、NPN三极管Q5的基极连接，NPN三极管Q5的发射极与电阻R16的另一端、电容C9的另一端一起接地，NPN三极管Q5的集电极与蜂鸣器B1的一端连接，蜂鸣器B1的另一端与电阻R17的一端连接，电阻R17的另一端接VCC。

进一步的，按键模块和电池组，电池组提供电源形成VCC，按键模块包括电阻R7、电容C6和开关S1；开关S1的一端接VCC，另一端与处理单元的中央处理器43号引脚连接，处理单元的中央处理器43号引脚还与电阻R7的一端、电容C6的一端连接，电阻R7的另一端、电容C6的另一端接地。

本实用新型需要对电池组的电压进行检测时，处理单元的中央处理器U201的13引脚输出高电平，使晶体管Q1、三极管Q2导通。电压VCC施加在了电阻R3、电阻R4、电容C1组成的分压电路上，然后输入到中央处理器U201的12号引脚上。当不需要电池组电压检测时，中央处理器U201的13号引脚输出低电平，使三极管Q1、三极管Q2关断。此时电阻R3、电阻R4、电容C1分压电路上没有电压，从而使该电路避免了采样电路直接接在电池组上对电池电量的损耗，以节约电量降低能耗，延长使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型的电路原理图；

图2为本实用新型的具体设计电路图；

图3为本实用新型的光电迷宫电路示意图；

图4为本实用新型的电池周期内的电量消耗。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1：

一种基于电压采样电路的NB-IoT烟感控制系统，其特征在于：包括处理单元、通信单元、声响单元、电压采样电路、光电迷宫电路、按键模块和电池组，通信单元、声响单元、电压采样电路、光电迷宫电路、按键模块、电池组与处理单元电性连接。

电压采样电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、晶体管Q1、晶体管Q2、电容C1；电阻R1的一端、晶体管Q2的集电极一起连接VCC，晶体管的发射极与电阻R3的一端连接，晶体管的基极与电阻R2的一端连接，电阻R3的另一端、电阻R4的一端、电容C1的一端与处理单元的中央处理器(可采用51单片机等)的12号引脚连接，电阻R4的另一端、电容C1的另一端接地；电阻R1的另一端、电阻R2的另一端与晶体管Q1的集电极连接，晶体管Q1的发射极接地，晶体管Q1的基极与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与处理单元的中央处理器的13号引脚连接。当需要对电池组的电压进行检测时，处理单元的中央处理器U201的13引脚输出高电平，使晶体管Q1、三极管Q2导通。电压VCC施加在了电阻R3、电阻R4、电容C1组成的分压电路上，然后输入到中央处理器U201的12号引脚上。当不需要电池组电压检测时，中央处理器U201的13号引脚输出低电平，使三极管Q1、三极管Q2关断。此时电阻R3、电阻R4、电容C1分压电路上没有电压，从而使该电路避免了采样电路直接接在电池组上对电池电量的损耗，以节约电量降低能耗，延长使用寿命。

实施例2：

如图1、图2所示，一种NB-IoT烟感控制系统，包括处理单元、通信单元、声响单元、电压采样电路、光电迷宫电路、按键模块和电池组，通信单元、声响单元、电压采样电路、光电迷宫电路、按键模块、电池组与处理单元电性连接。

电压采样电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、晶体管Q1、晶体管Q2、电容C1；电阻R1的一端、晶体管Q2的集电极一起连接VCC，晶体管的发射极与电阻R3的一端连接，晶体管的基极与电阻R2的一端连接，电阻R3的另一端、电阻R4的一端、电容C1的一端与处理单元的中央处理器(可采用51单片机等)的12号引脚连接，电阻R4的另一端、电容C1的另一端接地；电阻R1的另一端、电阻R2的另一端与晶体管Q1的集电极连接，晶体管Q1的发射极接地，晶体管Q1的基极与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与处理单元的中央处理器的13号引脚连接。当需要对电池组的电压进行检测时，处理单元的中央处理器U201的13引脚输出高电平，使晶体管Q1、三极管Q2导通。电压VCC施加在了电阻R3、电阻R4、电容C1组成的分压电路上，然后输入到中央处理器U201的12号引脚上。当不需要电池组电压检测时，中央处理器U201的13号引脚输出低电平，使三极管Q1、三极管Q2关断。此时电阻R3、电阻R4、电容C1分压电路上没有电压，从而使该电路避免了采样电路直接接在电池组上对电池电量的损耗，以节约电量降低能耗，延长使用寿命。

通信单元包括电阻R13、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电容C11、电容C12、NPN三极管Q6、PNP三极管Q7、NB-IoT模块U202和天线。

电阻R13的一端与处理单元的中央处理器的34号引脚连接，电阻R13的另一端与NPN三极管Q6的基极连接，NPN三极管Q6的集电极与电阻R18的一端、电阻R19的一端连接，电阻R18的另一端与PNP三极管Q7的集电极一起接VCC，电阻R19的另一端与PNP三极管Q7的基极连接，PNP的发射极与NB-IoT模块U202的1号引脚连接；NPN三极管Q6的发射极与电容C11的一端一起接地，电容C11的另一端与电阻R21的一端、处理单元的中央处理器的31号引脚、NB-IoT模块U202的3号引脚连接，电阻R21的另一端与电阻R20的一端、NB-IoT模块U202的1号引脚连接，电阻R20的另一端与电容C12的一端一起与中央处理器的30号引脚、NB-IoT模块U202的4号引脚连接，电容C12的另一端与NB-IoT模块U202的2号引脚一起接地，NB-IoT模块U202的5号引脚与处理单元的中央处理器的29号引脚连接，NB-IoT模块U202的6号引脚接天线。

中央处理器U201通过控制NPN三极管Q6来实现对NB-IoT模块U202的电源控制。当中央处理器U201的34号引脚输出高电平时，NPN三极管Q6导通，此时NPN三极管Q6的集电极为低电平，故而PNP三极管Q7导通，电源电压VCC施加到了NB-IoT模块U202的电源端。实现需要无线通信时，通过中央处理器U201打开NB-IoT模块U202的电源，让其正常工作。

当中央处理器U201的34号引脚输出低电平时，NPN三极管Q6关断，此时NPN三极管Q6的集电极为高电平，故而PNP三极管Q7关断，电源电压VCC不能施加到了NB-IoT模块U202的电源端，NB-IoT模块U202没有工作电压。在不需要无线通信时，通过中央处理器U201关断NB-IoT模块U202的电源。实现有效的解决了NB-IoT模块在不进行通信时，对电池电量的消耗。

光电迷宫电路包括红外光发射电路和红外光接收电路，红外光发射电路和红外光接收电路与处理单元的中央处理器电性连接；

红外光发射电路包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、NPN三极管Q3、红外发光二极管D1，电阻R8的一端与处理单元的中央处理器14号引脚连接，电阻R8的另一端与电阻R9的一端、NPN三极管Q3的基极连接，NPN三极管Q3的发射极与电阻R9的另一端一起接地，NPN三极管Q3的集电极与红外发光二极管D1的阴极连接，红外发光二极管D1的阳极与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端接VCC。当PA4输出高电平时，三极管Q3导通，从而红外发光二极管D1导通，产生红外光。

红外光接收电路包括红外接收二极管D2、PNP三极管Q4、电阻R11、电阻R12，电阻R12的一端、PNP三极管Q4的集电极与处理单元的中央处理器22号引脚连接，PNP三极管Q4的基极与电阻R11的一端、红外接收二极管D2的阴极连接，电阻R11的另一端、PNP三极管Q4的发射极一起接VCC，红外接收二极管的正极与电阻R12的另一端一起接地。

当中央处理器的14号引脚输出低电平时，NPN三极管Q3关断，红外发光二极管D1关断，不产生红外光。当红外接收二极管D2接收不到红外光时，其反向电阻达到上百兆欧姆，远远大于电阻R11的阻值，故分压为高电压，PNP三极管Q4处于关断，电阻R12上的电平也为低电平，中央处理器U201的22号引脚检测到的电位为低电平。

当中央处理器的14号引脚输出高电平时，NPN三极管Q3导通，红外发光二极管D1产生红外光，当红外接收二极管D2接收到红外光时，红外接收二极管D2的电阻呈指数减小，红外接收二极管D2上的电压也减小，此时PNP三极管Q4导通，电阻R12上为高电平，中央处理器U201的22号引脚检测到高电平。

独立式光电感烟火灾探测报警器内置避免环境光干扰的光电迷宫电路作为烟雾粒子的检测室。红外发光二极管D1与红外接收二极管D2在迷宫中的分布如图3所示。红外发光二极管D1和红外接收二极管D2成锐角或钝角分布在同一平面内，红外接收二极管D2平时不能接收到红外发光二极管D1的光线。

声响单元包括电阻R15、电阻R16、电阻R17、电容C9、NPN三极管Q5、蜂鸣器B1，电阻R15的一端与处理单元的中央处理器25引脚电性连接，电阻R15的另一端与电阻R16的一端、电容C9的一端、NPN三极管Q5的基极连接，NPN三极管Q5的发射极与电阻R16的另一端、电容C9的另一端一起接地，NPN三极管Q5的集电极与蜂鸣器B1的一端连接，蜂鸣器B1的另一端与电阻R17的一端连接，电阻R17的另一端接VCC。当中央处理器U201的25号引脚输出高电平时，NPN三极管Q5导通，此时会有电流从蜂鸣器B1上流过,蜂鸣器B1报警。当中央处理器U201的25号引脚输出低电平时，NPN三极管Q5关断，此时没有电流从蜂鸣器B1流过,蜂鸣器B1不报警。

按键模块和电池组，电池组提供电源形成VCC，电池组的正极连接到各电路的VCC端，电池组的负极连接到各电路的接地端。按键模块包括电阻R7、电容C6和开关S1；开关S1的一端接VCC，另一端与处理单元的中央处理器43号引脚连接，处理单元的中央处理器43号引脚还与电阻R7的一端、电容C6的一端连接，电阻R7的另一端、电容C6的另一端接地。按键模块在蜂鸣器B1报警后，按下开关S1后，电阻R7上的电压为高电平，当中央处理器U201的43号引脚检测到高电平时，中央处理器U201执行相应的指令。主要是报警电路开始报警后，该电路起到消音的作用。

综上，在无火灾发生时，中央处理器U201的14号引脚每隔几秒钟，工作数百微秒，以输出高电平驱动NPN三极管Q3导通，使得红外发光二极管D1间歇工作，以达到节省电池能量的作用。红外发光二极管D1即使发射脉冲光束，红外接收二极管D2因接收不到发射光而不产生光电流，此时中央处理器U201的25号脚输出低电平，蜂鸣器B1不工作。中央处理器U201每隔一个时间周期，例如24小时，控制电源VCC输出到NB-IoT模块U202的电源端，中央处理器U201通过串口30号引脚、31号引脚与NB-IoT模块U202的串口进行通信，将运行数据通过NB-IoT模块U202无线发送到服务器和终端设备。当通信完成后，中央处理器U201的34号引脚输出低电平关断NB-IoT模块U202的电源。

同样的在一个设定周期内，中央处理器U201的13号引脚输出高电平使得晶体管Q1导通，通过中央处理器U201的12号引脚采样电阻R4上的电压，依次判断电池的电压情况，若电压正常，中央处理器U201的13号引脚输出低电平关断晶体管Q1，若电压异常，则中央处理器U201的25号引脚输出高电平驱动蜂鸣器B1报警，通过中央处理器U201的34号引脚控制NB-IoT模块U202的工作电压，使得NB-IoT模块U202正常工作，并由中央处理器U201发送电压异常数据到NB-IoT模块U202，由NB-IoT模块U202发送数据到服务器和用户终端。

在火灾发生时，烟雾粒子进入光电迷宫，由于烟雾粒子对红外发光二极管D1的发射光产生散射，一些散射光被红外接收二极管D2所接收，红外接收二极管D2产生微弱的光电流，使得三极管Q4导通，由于红外发光二极管D1产生的是间歇脉冲，红外接收二极管D2接收到的红外光也是间歇式的。三极管Q4也是间歇的导通，电阻R12上就会产生一个高低电平的间歇脉冲，中央处理器U201根据其上22号引脚检测的电平，在25号引脚输出高电平，驱动蜂鸣器B1报警声响。同时，中央处理器U201的34号引脚输出高电平为NB-IoT模块U202供电，中央处理器U201将报警信号通过串口发送到NB-IoT模块U202，NB-IoT模块U202将接收到的报警信号发送到服务器平台和用户终端。提醒人们快速逃生或灭火。

在独立式光电感烟火灾探测报警器的用电量上如下公式表示：

Q＝Q_S(t)+Q_signal(n)+Q_alarm(m) 公式(1)

其中，Q为烟感消耗的总电量，Q_S(t)为烟感的待机平均电量，Q_signal为NB-IoT电路通信时平均损耗电量，Q_alarm(m)为声响电路损耗平均电量。

烟感的待机平均电量表示为：

Q_S(t)＝I_St 公式(2)

其中，Is是待机消耗电流。t是待机时间。

NB-IoT电路通信时平均损耗电量表示为：

其中，n为通信次数，K为常数，因为整个电路的元器件都是一定的，所以其的功耗可以近似用一个常数来表示。S为信号值。信号值与消耗电量成反比例关系，即信号越弱，电量消耗越多。信号越强，电量消耗越少。

声响电路损耗平均电量表示为：

Q_alarm(m)＝m·q_alarm 公式(4)

其中，m为报警次数，q_alarm为单次报警电量消耗。

将公式2，公式3，公式4带入公式1后可得：

可见，在I_S、K、S、q_alarm一定的情况下，电量的消耗主要由待机时长t、通信次数n和报警器的报警次数m有关。通信次数越少，耗电量越小。其在一个电池周期内的电量消耗可近似用图4表示。图中，t为一个电池耗电周期。Qb为电池的电量。QL为电池欠电压报警值。区域为烟感随时间消耗电量Q的近似表示图。电池的电量消耗，与区域的上升斜率有关。用△q表示各个阶段的用电量。

由△q(t_n+1-t_n)>△q(t_n-t_n-1)可知，在t_n～t_n+1阶段的耗电量高于t_n-1～t_n阶段。可见，斜率越小，电量的消耗越少。电池的使用周期越长。因此本方案通过中央处理器U201对NB-IoT模块U202的设计和电压采样电路的控制设计来达到降低功耗。并通过在待机功耗确定的情况下，通过改变通信的次数，来降低通信带来的电量消耗。烟感通过NB-IoT模块U202定时上报数据，主要的目的是监测烟感运行是否正常。目前常用的运行数据定时上报周期为23h，电池的使用年限一般为2年。而本方案在信号值S一定的情况下，如果将数据定时上报周期时间增长，即减少通信次数n，则烟感的NB-IoT模块的电量消耗会减少。在信号值S越小，电量消耗Q就越大的区域，更需要减少通信次数n，可以补偿由于信号差，所带来的电量消耗。以延长整体电池的使用时间。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于电压采样电路的NB-IoT烟感控制系统，其特征在于：包括处理单元、通信单元、声响单元、电压采样电路、光电迷宫电路、按键模块和电池组，通信单元、声响单元、电压采样电路、光电迷宫电路、按键模块、电池组与处理单元电性连接；

电压采样电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、晶体管Q1、晶体管Q2、电容C1；电阻R1的一端、晶体管Q2的集电极一起连接VCC，晶体管的发射极与电阻R3的一端连接，晶体管的基极与电阻R2的一端连接，电阻R3的另一端、电阻R4的一端、电容C1的一端与处理单元的中央处理器的12号引脚连接，电阻R4的另一端、电容C1的另一端接地；电阻R1的另一端、电阻R2的另一端与晶体管Q1的集电极连接，晶体管Q1的发射极接地，晶体管Q1的基极与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与处理单元的中央处理器的13号引脚连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于电压采样电路的NB-IoT烟感控制系统，其特征在于：按键模块和电池组，电池组提供电源形成VCC，按键模块包括电阻R7、电容C6和开关S1；开关S1的一端接VCC，另一端与处理单元的中央处理器43号引脚连接，处理单元的中央处理器43号引脚还与电阻R7的一端、电容C6的一端连接，电阻R7的另一端、电容C6的另一端接地。

3.根据权利要求1所述的一种基于电压采样电路的NB-IoT烟感控制系统，其特征在于：光电迷宫电路包括红外光发射电路和红外光接收电路，红外光发射电路和红外光接收电路与处理单元的中央处理器电性连接；

红外光发射电路包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、NPN三极管Q3、红外发光二极管D1，电阻R8的一端与处理单元的中央处理器14号引脚连接，电阻R8的另一端与电阻R9的一端、NPN三极管Q3的基极连接，NPN三极管Q3的发射极与电阻R9的另一端一起接地，NPN三极管Q3的集电极与红外发光二极管D1的阴极连接，红外发光二极管D1的阳极与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端接VCC；

红外光接收电路包括红外接收二极管D2、PNP三极管Q4、电阻R11、电阻R12，电阻R12的一端、PNP三极管Q4的集电极与处理单元的中央处理器22号引脚连接，PNP三极管Q4的基极与电阻R11的一端、红外接收二极管D2的阴极连接，电阻R11的另一端、PNP三极管Q4的发射极一起接VCC，红外接收二极管的正极与电阻R12的另一端一起接地。

Images