能量收集型无线火焰探测器参考设计(以下简称设计)是世健国际贸易(上海)有限公司参照GB15631-2008《特种火灾探测器》并按照物联网思维设计的一种结合低功耗蓝牙()、能量收集技术的高集成度超低功耗三波段点型红外火焰探测器的参考设计。

  设计仅需依靠自然光或室内灯光的照射就能够很好的满足系统供电，无需拿下设备充电或更换电池，也无需连接电源线，在光照充足且不间断的情况下仅依靠一块25mm×53mm的光伏板就能稳定的为总系统持续提供电力，它在200Lux的光照度下大约可提供55uW的电能，用户都能够根据具体应用场景来选不一样的光伏板。在夜晚或光照不充足的时候也可以额外增加一块纽扣电池作为备用电源来给系统供电，一颗CR2032可以使设备持续工作180个夜晚。设计还额外提供了一个MicroUSB供电口，用户都能够使用充电宝为设备供电以便于在某些场景灵活快速的搭建火焰探测器。

  当把光伏板置于光照度充足的环境下，EnergyHarvestingPMIC即开始把从光伏板中收集的电能存入能量存储电容Cvstore中，待Cvstore的电压达到设定的阈值，便开始给总系统供电，同时PMIC从光伏板中获得的电能再源源不断的充入Cvstore中，所以关键点就在总系统的电能消耗上要做到消耗小于输入才能维持总系统的电量收支平衡。在典型的EnergyHarvesting应用中Cvstore的电容容量大约为200uF，这样的电容大小能够维持一个MCU加一个低功耗传感器的周期性数据采集和BLE发射，根据传感器的数量和功耗以及数据采集和BLE发送的间隔时间能适当调整Cvstore的容量来达到相应的电能消耗需求。

  为了让总系统实现超低功耗，MCU和传感器大部分时间都处在深度睡眠的状态，周期性的

  (通常为几秒)醒来采集一次数据并通过BLE发送一次，或者当传感器被信号触发后使用中断把MCU唤醒，之后再进行数据采集和发送。总系统在深度睡眠下的待机电流是非常低的，通常根据传感器数量和工作模式的不同从几个uA到十几uA不等，此时PMIC的电能输入远大于电能消耗，所以最近一段时间是Cvstore进行充电的过程。当周期性的数据采集和数据发送事件或传感器触发中断发生时，系统的电能消耗呈脉冲式的爆发，MCU醒来操作传感器并进行BLE发送，此时系统的电流可能达到几十mA，Cvstore积攒的大部分电能会被很快消耗殆尽，系统要在Cvstore存储的电能消耗殆尽前完成数据采集和发送并再次进入到深度睡眠模式，这样使得Cvstore能再一次从光伏板充电为下一次触发事件准备好充足的电能。

  设计中采用的应用方式是当火焰信号高于传感器预设的阈值时，传感器首先会从低功耗休眠模式中唤醒，然后再把MCU唤醒来读取3个传感器的数据，当得到了一定量的数据后MCU开始通过特定的算法来判断此次触发是真正的火焰信号还是虚假信号(别的热源或光源干扰)。MCU会通过BLE把此次触发的结果发送到后台以达到报警的目的，然后总系统会再次进入到深度睡眠等待下一次触发。

  电源部分使用小型多串型光伏面板供电，为下一级的电源管理芯片(PMIC)提供电源输入。电源管理芯片(PMIC)采用Cypress多次获得国际奖项的EnergyHarvesting系列中的S6AE101A，此款PMIC是Cypress设计推出的能量收集系列芯片中的一款。S6AE101A的静态电流只有250nA、启动功率只有1.2uW，即使在只有100Lux的低光照度环境下该PMIC仍旧能够从光伏板中获取电能输入。S6AE101A把从光伏板中获得的电能通过芯片内置的开关电路存入到能量存储电容Cvstore中，当电容的电压达到了预设的电压范围内，芯片就打开内部开关电路让电容对负载进行供电。当光照度不足以为PMIC提供足够供电时，PMIC会从光伏板供电切换到备用纽扣电池供电(可选)。S6AE101A还拥有OverVoltageProtection(OVP)过压保护，当输入电压大于5.4V时，PMIC的过压保护就会开启，以防芯片收到过压损害。S6AE101A的封装尺寸只有3mm×3mm，很适合微型化的设备设计。

  设计共有3个红外传感器：主传感器采用ePY12251flamechannel(4.48um)来探测火焰信号，另外2个传感器采用ePY12111humanmotionrejection(5.00um)和ePY12211rejectionchannel(3.91um)用以判断人体运动、太阳光等虚假信号对于火焰探测器的误触发。ezPyro是英国Pyreos推出的数字接口超低功耗热电红外传感器，与传统模拟接口型红外传感器相比，ezPyro系列数字接口型传感器内部集成了传感器、模拟前端、15位ΔΣ模数转换、数字滤波器、FIFO以及中断唤醒控制等部分，同时5.65mm×3.7mm×1.55mm的封装也大幅减小了设计整体体积尺寸。

  ezPyro不同于传统模拟式接口传感器，而采用抗干扰性更强的工业级别I2C数字接口。通过I2C接口MCU可以对芯片进行片内的高通滤波、低通滤波、采样率等参数的配置，以及芯片工作模式、采样通道的设置等非常简便，用户不再需要在外围搭建高通低通滤波器等器件，节约空间也节省成本，中断触发的数据采集模式也无需MCU每时每刻都从传感器接收数据。ezPyro在采样时电流消耗最低仅有3.2uA，在低功耗空闲时的待机电流更是只有1.8uA。在性能方面高信噪比和灵敏度加上快速反应时间使得传感器能快速准确的响应火焰信号。多个芯片之间也可以组成菊花链进行同步采样。

  设计的主控芯片采用Cypress的PSoC4-BLE。PSoC4-BLE是基于Cortex-M0内核的集超低功耗、丰富接口、丰富片内资源、BLE于一身的MCU。在深度睡眠(DeepSleep)模式下PSoC4-BLE待机电流仅为1.3uA，对于微型光伏板供电或纽扣电池供电的应用来说很适合。PSoC4-BLE片内集成了很丰富的资源和外设，除了目前MCU上很常见的数字接口、ADC等，PSoC4-BLE还集成了运算放大器、CapSense电容触摸、UDB(UniversalDigitalBlock)等。值得一提的是PSoC4-BLE还集成了Balun，因此BLE部分的天线匹配电路的设计变得很简单，不再需要一堆电容电感计算阻抗等高频特性，片外只需一个电容一个电感便完成了天线匹配电路的设计，十分便捷。

  整个设计顺应最新的IoT物联网思想，实现了超低能耗、清洁能源环保节能、无需布线、无需充电、BLE、超小体积于一体的火焰探测器。设计符合《GB15631-2008特种火灾探测器》中30秒内发出报警的要求，用户可根据真实的情况自行研发后台报警系统。