提示1：銳米所有 LoRa 產品嚴格遵循國標標準的 LoRaWAN 協議，
提示2：您可以免費復制，修改和商用本專案，請注明銳米原創，
提示3：如果您有其他 LoRa 需求或建議，歡迎聯系銳米 [email protected]

LoRa 煙霧報警器

LoRa 煙霧報警器智能判斷火災，基于 LoRa 傳送到服務器和 App，既可現場聲光報警，又可以遠程聯網報警，
物聯網 Arduino LoRa LoRaWAN 煙霧報警

運行效果

如下圖所示，偵測到煙霧濃度超過閾值，LoRa 煙霧報警器進行聲光報警，通過 LoRa 發送訊息，App 顯示本次火災事件，

專案介紹

全國每年大約會發生 23 萬起火災，有近 2000 人死于火災，經濟損失高達 200 億元，防火從古以來都是社會的基本需求，

LoRa 煙霧報警器能預先感知火災，現場聲光報警，通知周圍的人們；更重要的是，它能遠程聯網報警，及時通知處理火情；聯網使它維保便捷---故障自檢，電池容量等，

LoRa 煙霧報警器可以部署在：家庭，學校，酒店，寫字樓，工廠，倉庫，古建筑等場景，

LoRa 智慧消防系統

無線設計 安裝便利

相比傳統的產品，LoRa 煙霧報警器具備的優點為：

• 安裝簡單便捷，不需要布線
• 遠程報警，維保便捷
• 成本低廉，沒有流量費用
• 超低功耗，2節5號電池作業數年

本專案開源設計 LoRa 煙霧報警器的核心---軟體和硬體，用戶選擇一個漂亮的外殼和電池，即可組成一個產品，
同時，簡介了 LoRa 網路組件，輕松構建一個商用的智慧消防物聯網，

組件和材料

LoRa 擴展板 x 1 采購鏈接

Arduino UNO x 1 采購鏈接

光電式煙霧傳感器 x 1 采購鏈接

蜂鳴器 x 1 采購鏈接

(220歐姆電阻x2 + 10M歐姆電阻x1) 采購鏈接

天線 x 1 采購鏈接

杜邦線 x 8 采購鏈接

LED x 1 采購鏈接

面包板 x 1 采購鏈接

軟體和網路

LoRa網關 采購鏈接

LoRaServer 下載鏈接

LoRaApp 下載鏈接

Arduino IDE 下載鏈接

技術細節

元器件介紹

它能達到空曠 10km 的通信距離，休眠電流僅 1.3uA，精心設計的軟體庫，使其開發極為容易：

• 發送資料

LoRa.write("123", 3);

• 接收資料

if (LoRa.availabe()) { 
    len = LoRa.read(buf, MAX_LEN); 
}

硬體接線

如下圖所示，使用杜邦線連接 Arduino、光電式煙霧傳感器、LED和蜂鳴器，

• 光電式煙霧傳感器的紅外發光二極管串聯 220 歐姆的電阻
• 光電式煙霧傳感器的光電二極管串聯 10M 歐姆的電阻
• 蜂鳴器和 LED 串聯 220 歐姆的電阻

通信邏輯

如下圖所示，LoRa 煙霧報警器上報煙霧濃度給服務器和 App

為此，需要配置如下的網路組件：

• LoRa 網關重定向到本地 Server
• 在 LoRa Server 上添加終端
• LoRa App 連接到 LoRa Server
• 配置 LoRa App

行業第一的超低功耗---休眠僅 1.4uA

如下圖所示（實物拍攝），ArduinoLoRa+ 的低功耗可達 1.4uA，這不僅是行業第一的超低功耗，而且達到了器件極限！

如下圖所示，2 節 5 號堿性電池容量約 2890mAH，因為 LoRa 煙霧報警器是”平時休眠，觸發供電“，設平均 10 分鐘作業一次，電池可作業近 6 年，終端電池壽命計算器

Arduino 代碼

編譯本工程需要添加LoRa 驅動庫

使用 Arduino IDE 打開工程，點擊"Sketch -> Include Library -> Add .ZIP Library..."

Arduino 的 zip 庫安裝路徑一般為：C:\Users\Administrator\Documents\Arduino\libraries

Arduino 的代碼簡潔，容易理解，下載鏈接

• DEBUG 設定為 0 禁止除錯功能；設定為 1 它將通過 8 和 9 兩個引腳列印除錯資訊（使用“USB轉串口”連接到 PC），
• 哨兵觀察與快速采樣演算法原理：無煙時每秒僅讀取 1 次，一旦發現煙霧濃度超過閾值(哨兵觀察)，以每 0.12 秒頻率快速采集 16 次，計算煙霧濃度平均值，

#include <lora.h>

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.h>
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);
}

低成本批量生產

LoRa 煙霧報警器的硬體成本約 ￥60，這依賴于批量數目和供貨渠道，

批量生產的一些技術挑戰：尺寸，成本，功耗，燒錄，升級，
我們為您準備好解決方案：低成本快速開發LoRa終端：從1到10000

作業原理

光電式煙霧傳感器原理

• 光電式煙霧傳感器由光學模塊和一個黑暗的煙霧迷宮組成，光學模塊采用紅外發光二極管（IRED）和光電二極管（PD），2 者的位置是偏離的，
• 無煙情況下，IRED 沿腔室直線發送光束（類似于激光指示器），PD 接收不到紅外光，不產生光電流，
• 有煙情況下，煙霧粒子會將部分光束散射到 PD 上，使其阻抗發生變化，產生光電流，

光電式煙霧傳感器實物與內部結構

光電式煙霧傳感器作業原理

計算 IRED 串聯電阻

紅外發光二極管（IRED）需要一個串聯電阻來控制電流，否則它會很快啥訓，

與 IRED 串聯的電阻被用于控制 IRED 導通時的電流量，為了計算電阻值，需要知道輸入電源電壓（Vs，Arduino UNO 為 5V，有些 Arduino Pro Mini 為 3.3V），IRED 的正向電壓（Vf）和流過 IRED 的電流（I）的數值，
其電阻歐姆值的計算公式（稱為歐姆定律）為：

R = (Vs - Vf) / I

在本設計中，用 5V 的輸入電源電壓和 15mA 電流來驅動正向電壓為 1.8V 的 IRED 會使用以下值：

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

代入公式則有

R = (5V - 1.8V) / 0.015A = 213 歐姆

231 歐姆不是一個標準電阻值，所以把它取整為 220 歐姆，

該電阻器如接線圖所示連接在電源和 IRED 的陽極之間，但它也可以被連接到 LED 的另一側（陰極和地之間），

Arduino 的引腳具有 40mA 的額定最大電流，如果 IRED 需要比這更大的電流，這需要使用晶體管驅動電路，

計算 PD 串聯電阻

如下圖所示，光電二極管是加反向電壓，無光時，反向電阻為無窮大；如果有光照，反向電阻隨光照強度減小，
(如果和普通二極管一樣加正向電壓，光電二極管只有單向導電性，無法表現出它的光電效應，)

A0 模擬計數的值由負載電阻 R 和 PD 的阻抗決定，即有：

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

在本設計中選用的負載電阻 R 為 10M 歐姆，因此有：

• 無光時，PD 阻抗為無窮大，analogRead() 讀數為 0~80
• 弱光時，PD 阻抗約為 80M 歐姆，analogRead() 讀數為 80~200
• 強光時，PD 阻抗約為 1K 歐姆，analogRead() 讀取為 200~1023

延伸應用

• 降低功耗
  如上設計所示，紅外發光二極管的作業電流達到 15mA，要提升電池的續航時間，這需要降低電流，

  一種可行的辦法是間歇驅動，如以每秒 1ms 的脈沖，由于它的占空比為 1/1000 秒，15mA 電流除以 1000，平均僅 15μA 的電流，

• 提高靈敏度
  行業里，用戶經常抱怨煙霧報警器靈敏度不好 --- 對著設備點香煙也不報警！

  為此，可以通過 LoRaApp 下行設定報警閾值，這樣，可以按用戶的意愿對煙霧濃度做出反應，

• 避免誤判
  電路的噪音可能導致光電二極管阻抗變化，為避免誤判火災，這需要軟體在檢測到光電流后，多次采樣多次判斷，

• 及時靜音
  當煙霧報警器蜂鳴器響起后，持續的高分貝聲音會讓周圍的人們難受，除了添加按鈕靜音外，還可以通過 LoRaApp 下行設定靜音，后者特別適合不方便接觸設備的場景，

• 檢測電池容量
  電池容量對于 LoRa 煙霧報警器的維保意義重大，下面鏈接的方法可以讓 LoRa 煙霧報警器定時檢測電池容量，LoRaApp 實時顯示和低壓提醒，
  花 1 小時，開源設計 LoRa 檢測電池容量

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