花 1 小时,开源设计 LoRa 烟感烟雾报警器

提示1:锐米所有 LoRa 产品严格遵循国标标准的 LoRaWAN 协议
提示2:您可以免费复制,修改和商用本项目,请注明锐米原创
提示3:如果您有其他 LoRa 需求或建议,欢迎联系锐米 [email protected]

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LoRa 烟雾报警器

LoRa 烟雾报警器智能判断火灾,基于 LoRa 传送到服务器和 App,既可现场声光报警,又可以远程联网报警。
物联网 Arduino LoRa LoRaWAN 烟雾报警

运行效果

如下图所示,侦测到烟雾浓度超过阈值,LoRa 烟雾报警器进行声光报警,通过 LoRa 发送消息,App 显示本次火灾事件。

LoRa 烟雾报警器_演示视频

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项目介绍

全国每年大约会发生 23 万起火灾,有近 2000 人死于火灾,经济损失高达 200 亿元,防火从古以来都是社会的基本需求。

LoRa 烟雾报警器能预先感知火灾,现场声光报警,通知周围的人们;更重要的是,它能远程联网报警,及时通知处理火情;联网使它维保便捷—故障自检,电池容量等

LoRa 烟雾报警器可以部署在:家庭,学校,酒店,写字楼,工厂,仓库,古建筑等场景。

LoRa 智慧消防系统

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无线设计 安装便利

相比传统的产品,LoRa 烟雾报警器具备的优点为:

  • 安装简单便捷,不需要布线
  • 远程报警,维保便捷
  • 成本低廉,没有流量费用
  • 超低功耗,2节5号电池工作数年

本项目开源设计 LoRa 烟雾报警器的核心—软件和硬件,用户选择一个漂亮的外壳和电池,即可组成一个产品。
同时,简介了 LoRa 网络组件,轻松构建一个商用的智慧消防物联网。

组件和材料

花 1 小时,开源设计 LoRa 烟感烟雾报警器_第4张图片LoRa 扩展板 x 1 采购链接

Arduino UNO x 1 采购链接

花 1 小时,开源设计 LoRa 烟感烟雾报警器_第5张图片光电式烟雾传感器 x 1 采购链接

花 1 小时,开源设计 LoRa 烟感烟雾报警器_第6张图片蜂鸣器 x 1 采购链接

花 1 小时,开源设计 LoRa 烟感烟雾报警器_第7张图片(220欧姆电阻x2 + 10M欧姆电阻x1) 采购链接

花 1 小时,开源设计 LoRa 烟感烟雾报警器_第8张图片天线 x 1 采购链接

杜邦线 x 8 采购链接

花 1 小时,开源设计 LoRa 烟感烟雾报警器_第9张图片LED x 1 采购链接

花 1 小时,开源设计 LoRa 烟感烟雾报警器_第10张图片面包板 x 1 采购链接

软件和网络

花 1 小时,开源设计 LoRa 烟感烟雾报警器_第11张图片LoRa网关 采购链接

花 1 小时,开源设计 LoRa 烟感烟雾报警器_第12张图片LoRaServer 下载链接

花 1 小时,开源设计 LoRa 烟感烟雾报警器_第13张图片LoRaApp 下载链接

Arduino IDE 下载链接

技术细节

元器件介绍

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这是专为 Arduino 而设计的 LoRa 扩展板,既可以安装在 Arduino UNO 上,也能使用杜邦线连接到 Arduino Pro Mini。

它能达到空旷 10km 的通信距离,休眠电流仅 1.3uA。精心设计的软件库,使其开发极为容易:

  • 发送数据
LoRa.write("123", 3);
  • 接收数据
if (LoRa.availabe()) { 
    len = LoRa.read(buf, MAX_LEN); 
}

Arduino UNO 是最常用的开发板,它便宜简单,接线方便。

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光电式烟雾传感器,通过一束红外光和一个光敏感应器来测量烟的浓度,功耗低,成本低,稳定可靠。

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470MHz 胶棒天线,增益 3.5dB,特别适合中国 LoRa 频段范围(470~510MHz)。

硬件接线

如下图所示,使用杜邦线连接 Arduino、光电式烟雾传感器、LED和蜂鸣器。

  • 光电式烟雾传感器的红外发光二极管串联 220 欧姆的电阻
  • 光电式烟雾传感器的光电二极管串联 10M 欧姆的电阻
  • 蜂鸣器和 LED 串联 220 欧姆的电阻
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通信逻辑

如下图所示,LoRa 烟雾报警器上报烟雾浓度给服务器和 App

为此,需要配置如下的网络组件:

  • LoRa 网关重定向到本地 Server
  • 在 LoRa Server 上添加终端
  • LoRa App 连接到 LoRa Server
  • 配置 LoRa App
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行业第一的超低功耗—休眠仅 1.4uA

如下图所示(实物拍摄),ArduinoLoRa+ 的低功耗可达 1.4uA,这不仅是行业第一的超低功耗,而且达到了器件极限

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如下图所示,2 节 5 号碱性电池容量约 2890mAH,因为 LoRa 烟雾报警器是”平时休眠,触发供电“,设平均 10 分钟工作一次,电池可工作近 6 年。终端电池寿命计算器

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Arduino 代码

编译本工程需要添加 LoRa 驱动库

使用 Arduino IDE 打开工程,点击"Sketch -> Include Library -> Add .ZIP Library…"

Arduino 的 zip 库安装路径一般为:C:\Users\Administrator\Documents\Arduino\libraries

Arduino 的代码简洁,容易理解,下载链接

  • DEBUG 设置为 0 禁止调试功能;设置为 1 它将通过 8 和 9 两个引脚打印调试信息(使用“USB转串口”连接到 PC)
  • 哨兵观察与快速采样算法原理:无烟时每秒仅读取 1 次,一旦发现烟雾浓度超过阈值(哨兵观察),以每 0.12 秒频率快速采集 16 次,计算烟雾浓度平均值。
#include 

lora LoRa;

const int buzzerPin = 13;
const int photodiodePin = 0;  // A0
const int smokeThreshold = 80;  // 0 <= no smoke < 80, 80 < thin smoke < 200, 200 < thick smoke <= 1023 

#define DEBUG    0  // 0=disable, 1=enable

#if DEBUG
#include 
SoftwareSerial debugSerial(8, 9);  // 8=RX, 9=TX
#endif

void setup()
{
  pinMode(buzzerPin, OUTPUT);
  Serial.begin(115200);  // for LoRa Node
#if DEBUG
  debugSerial.begin(115200); // for debug
#endif
}

void loop()
{
  // perfect interval for Arduino watchdog timer is: 15, 30, 60, 120, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000
  #define FAST_SAMPLE_INTERVAL      120   // 120ms
  #define NORMAL_SAMPLE_INTERVAL    1000  // 1000ms
  #define SAMPLE_NUMBER             16
  
  int val, sum;
  int array[1];
  
  val = analogRead(photodiodePin);
#if DEBUG  
  debugSerial.println(val);
#endif  
  if (smokeThreshold < val)  // sentry observation
  {
    // Check fire danger after sentry alert
    sum = 0;
    for (int count = 0; count < SAMPLE_NUMBER; ++count)
    {
      val = analogRead(photodiodePin);
      sum += val;
      delay(FAST_SAMPLE_INTERVAL);
    }

    val = sum / SAMPLE_NUMBER;  // get the average value
    if (smokeThreshold < val)
    {
      array[0] = val;
      LoRa.write(array, sizeof(array));
      
      digitalWrite(buzzerPin, HIGH);
      delay(3000);
      digitalWrite(buzzerPin, LOW);

    #if DEBUG
      debugSerial.print("get fired, val = ");
      debugSerial.println(val);
    #endif
    }
  }
  
  delay(NORMAL_SAMPLE_INTERVAL);
}

低成本批量生产

LoRa 烟雾报警器的硬件成本约 ¥60,这依赖于批量数目和供货渠道。

批量生产的一些技术挑战:尺寸,成本,功耗,烧录,升级
我们为您准备好解决方案:低成本快速开发LoRa终端:从1到10000

工作原理

光电式烟雾传感器原理

  • 光电式烟雾传感器由光学模块和一个黑暗的烟雾迷宫组成。光学模块采用红外发光二极管(IRED)和光电二极管(PD),2 者的位置是偏离的。
  • 无烟情况下,IRED 沿腔室直线发送光束(类似于激光指示器),PD 接收不到红外光,不产生光电流
  • 有烟情况下,烟雾粒子会将部分光束散射到 PD 上,使其阻抗发生变化,产生光电流

光电式烟雾传感器实物与内部结构

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光电式烟雾传感器工作原理

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计算 IRED 串联电阻

红外发光二极管(IRED)需要一个串联电阻来控制电流,否则它会很快烧坏

与 IRED 串联的电阻被用于控制 IRED 导通时的电流量。为了计算电阻值,需要知道输入电源电压(Vs,Arduino UNO 为 5V,有些 Arduino Pro Mini 为 3.3V),IRED 的正向电压(Vf)和流过 IRED 的电流(I)的数值。
其电阻欧姆值的计算公式(称为欧姆定律)为:

R = (Vs - Vf) / I

在本设计中,用 5V 的输入电源电压和 15mA 电流来驱动正向电压为 1.8V 的 IRED 会使用以下值:

Vs = 5V, Vf = 1.8V, I = 0.015A

代入公式则有

R = (5V - 1.8V) / 0.015A = 213 欧姆

231 欧姆不是一个标准电阻值,所以把它取整为 220 欧姆。

该电阻器如接线图所示连接在电源和 IRED 的阳极之间,但它也可以被连接到 LED 的另一侧(阴极和地之间)。

Arduino 的引脚具有 40mA 的额定最大电流。如果 IRED 需要比这更大的电流,这需要使用晶体管驱动电路。

计算 PD 串联电阻

如下图所示,光电二极管是加反向电压,无光时,反向电阻为无穷大;如果有光照,反向电阻随光照强度减小。
(如果和普通二极管一样加正向电压,光电二极管只有单向导电性,无法表现出它的光电效应。)

A0 模拟计数的值由负载电阻 R 和 PD 的阻抗决定,即有:

analogRead() = 1023 * R / (R + PD)

在本设计中选用的负载电阻 R 为 10M 欧姆,因此有:

  • 无光时,PD 阻抗为无穷大,analogRead() 读数为 0~80
  • 弱光时,PD 阻抗约为 80M 欧姆,analogRead() 读数为 80~200
  • 强光时,PD 阻抗约为 1K 欧姆,analogRead() 读取为 200~1023
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延伸应用

  • 降低功耗
    如上设计所示,红外发光二极管的工作电流达到 15mA,要提升电池的续航时间,这需要降低电流。

    一种可行的办法是间歇驱动,如以每秒 1ms 的脉冲,由于它的占空比为 1/1000 秒,15mA 电流除以 1000,平均仅 15µA 的电流。

  • 提高灵敏度
    行业里,用户经常抱怨烟雾报警器灵敏度不好 — 对着设备点香烟也不报警!

    为此,可以通过 LoRaApp 下行设置报警阈值,这样,可以按用户的意愿对烟雾浓度做出反应。

  • 避免误判
    电路的噪音可能导致光电二极管阻抗变化,为避免误判火灾,这需要软件在检测到光电流后,多次采样多次判断

  • 及时静音
    当烟雾报警器蜂鸣器响起后,持续的高分贝声音会让周围的人们难受。除了添加按钮静音外,还可以通过 LoRaApp 下行设置静音,后者特别适合不方便接触设备的场景。

  • 检测电池容量
    电池容量对于 LoRa 烟雾报警器的维保意义重大。下面链接的方法可以让 LoRa 烟雾报警器定时检测电池容量,LoRaApp 实时显示和低压提醒。
    花 1 小时,开源设计 LoRa 检测电池容量

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