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]

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

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

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

LoRa 扩展板 x 1 采购链接

Arduino UNO x 1 采购链接

光电式烟雾传感器 x 1 采购链接

蜂鸣器 x 1 采购链接

(220欧姆电阻x2 + 10M欧姆电阻x1) 采购链接

天线 x 1 采购链接

杜邦线 x 8 采购链接

LED x 1 采购链接

面包板 x 1 采购链接

软件和网络

LoRa网关 采购链接

LoRaServer 下载链接

LoRaApp 下载链接

Arduino IDE 下载链接

技术细节

元器件介绍

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。

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。

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

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

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！

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

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

光电式烟雾传感器工作原理

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

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