کالبدشکافی Nest Protect؛ رازهای یک سنسور دود و گاز هوشمند

به دنیای گجت‌های هوشمند خوش اومدی، Nest Protect! بیا قبل از اینکه دل‌وروده‌اش رو بریزیم بیرون، ببینیم این دستگاه چه قابلیت‌هایی رو تو خودش جا داده:

← مدل‌های مختلفش یا با 6 تا باتری قلمی (AA) از نوع لیتیومی کار می‌کنن، یا مستقیم به برق شهری 120 ولت وصل می‌شن.

← پشتیبانی از شبکه وای‌فای و قابلیت ایجاد یه شبکه بی‌سیم محلی (Mesh) برای ارتباط با بقیه دستگاه‌های Nest تو خونه.

← سنسور نوری (فتوالکتریک) برای تشخیص دود به همراه سنسور ویژه تشخیص گاز سمی مونوکسید کربن.

← سنسورهای حساس به تغییرات حرارت و رطوبت محیط.

سه تا سنسور مختلف برای تشخیص حرکت و فعالیت کاربر.

← و یه سنسور تشخیص نور محیط (Ambient light) برای روشن کردن چراغ‌خواب خودکار.

همون‌طور که اشاره کردیم، این دستگاه تو دو نسخه باتری‌خور و برقی به بازار اومده. مدلی که ما الان روی میز کالبدشکافی داریم نسخه باتری‌خوره و شرکت سازنده ادعا می‌کنه که اون 6 تا باتری لیتیومی خفنش می‌تونن دستگاه رو برای "چندین سال" بدون نیاز به تعویض، روشن نگه دارن.

ما که از این تصمیم برای استفاده از باتری‌های استاندارد قلمی که همه‌جا پیدا می‌شن حسابی استقبال می‌کنیم؛ حتی با اینکه تا چند سال نیازی به دردسر تعویضشون پیدا نمی‌کنی.

اولین توقف ما: برداشتن درپوش دکمه اصلی Nest که هم به عنوان کلید ورودی عمل می‌کنه و هم یه سیستم نورپردازی چندرنگ زیرش قایم شده.

درست تو مرکز این دکمه، یه سنسور تشخیص نور محیط قرار گرفته و روی قاب نیمه‌شفافش هم لنزهایی طراحی شده تا زاویه دید سنسور رو گسترده‌تر کنن. یه حلقه از ال‌ای‌دی‌های رنگی (RGB) هم دورتادور سنسور رو گرفتن تا وضعیت دستگاه رو با نورهای مختلف بهت نشون بدن: نور سفید که به عنوان چراغ‌خواب خودکار روشن می‌شه.

← نور سبز یعنی همه‌چیز امن و امانه و می‌تونی با خیال راحت استراحت کنی.

← نور زرد به عنوان یه هشدار اولیه و پیش‌گیرانه روشن می‌شه.

← و نور قرمز یعنی وضعیت کاملا اضطراریه و باید سریعا از خونه بری بیرون!

حالا مادربرد اصلی رو می‌کشیم بیرون؛ دیدن این حجم از مدار و قطعه برای یه سنسور دود واقعا تحسین‌برانگیزه. سنسور نوری تشخیص دود دقیقا همون جلو و وسط برد، زیر یه شیلد محافظ و شبکه‌ای جا خوش کرده.

این سنسور از یه دیود فرستنده مادون قرمز (IR ال‌ای‌دی) و یه گیرنده نوری (فتودیود) تشکیل شده. زاویه قرارگیری این دو تا قطعه طوریه که مستقیما تو دید هم نیستن و نور مستقیم به گیرنده نمی‌رسه.

نحوه کارش خیلی جالبه؛ وقتی دود وارد این محفظه شبکه‌ای می‌شه، نور مادون قرمز به ذرات دود برخورد می‌کنه، پخش می‌شه و بازتابش به سمت فتودیود می‌ره. همین اتفاق ساده باعث فعال شدن آژیر می‌شه. این مکانیزم تو اکثر سنسورهای دود استاندارد استفاده می‌شه.

اما وقتی این سنسور دست تیم Nest باشه، یعنی کلی قابلیت اضافه و هوشمند هم داری؛ مثلا وقتی خونه آتیش بگیره، به جای اینکه فقط بوق بزنه، همون لحظه یه نوتیفیکیشن روی گوشیت می‌فرسته. واقعا کاربردی و نجات‌بخشه!

یه کم بیشتر می‌ریم تو عمق برد و سنسور بعدی رو پیدا می‌کنیم که خودش رو شبیه یه خازن تو یه محفظه فلزی کوچیک جا زده. این قطعه در واقع همون سنسور الکتروشیمیایی مونوکسید کربن (از برند Figaro) هست. این سنسور مثل یه باتری کوچیک عمل می‌کنه؛ یعنی وقتی گاز مونوکسید کربن تو محیط باشه، یه واکنش شیمیایی داخلش رخ می‌ده و جریانی دقیقا متناسب با غلظت گاز تولید می‌کنه تا پردازنده خطر رو تشخیص بده.

مدارهای اندازه‌گیری این سنسور پشت مادربرد قرار دارن و با یه چسب شفاف پوشونده شدن؛ این کار احتمالا برای محافظت از مدارها در برابر ضربه و رطوبت هوا انجام شده.

اگه دستگاه دود یا نشتی گاز CO رو تشخیص بده، یه بلندگو با قدرت 85 دسی‌بل شروع به آژیر کشیدن می‌کنه و هم‌زمان یه اسپیکر جداگانه با یه صدای ضبط‌شده بهت می‌گه که سریعا ساختمون رو ترک کنی.

سنسورهای حرکتی مستقیم و زاویه‌دار هم اینجا حضور دارن تا وقتی موقع آشپزی یه دود الکی بلند می‌شه یا بخار حموم دستگاه رو به اشتباه میندازه، فقط با تکون دادن دستت تو هوا بتونی صداش رو قطع کنی.

حالا می‌رسیم به قلب تپنده و مغز متفکر این گجت. بیا یه نگاه سریع به آیسی‌های مهمی بندازیم که این نگهبان هوشمند رو کنترل می‌کنن:

← میکروکنترلر سفارشی و کم‌مصرف Kinetis K60 با فرکانس 100 مگاهرتز از شرکت Freescale.

← سیستم روی چیپ (SoC) برای مدیریت شبکه Zigbee مدل Ember ساخت Silicon Labs.

← یه میکروکنترلر همه‌منظوره دیگه از سری Kinetis KL1x ساخت Freescale.

← تقویت‌کننده عملیاتی (Op-Amp) چهارگانه از برند Texas Instruments.

ماژول وای‌فای 2.4 گیگاهرتزی Murata ZX با پشتیبانی از استاندارد 802.11b/g/n (که داخلش چیپست Broadcom BCM43362 قرار داره).

← مبدل کاهنده ولتاژ (Buck Converter) از شرکت Texas Instruments.

باز کردن Nest Protect خیلی سرراست و راحت بود. استفاده از پیچ‌های معمولی، دسترسی آسون به باتری‌ها و یه طراحی مهندسی‌شده باعث شده با یه محصول خوش‌ساخت روبه‌رو باشیم.

با این حال، ما تو تیم "آیسی‌مدار" تصمیم گرفتیم هیچ امتیازی برای تعمیرپذیری این دستگاه در نظر نگیریم، چون کاربر نهایی به جز تعویض باتری‌ها، واقعا نباید هیچ قطعه دیگه‌ایش رو دستکاری کنه.

همیشه یادت باشه که این دستگاه یه تجهیزات ایمنی حیاتیه و هرگونه تلاش برای تعمیر یا تغییر قطعاتش ممکنه باعث بشه تو زمان وقوع حادثه درست عمل نکنه. این دقیقا همون جاییه که باید بگیم لطفا این کار رو تو خونه انجام نده! اگه این کالبدشکافی برات جالب بود، حتما لینک این مقاله رو برای دوستای تکنولوژی‌دوستت بفرست تا اونا هم از دیدن مهندسی این نگهبان هوشمند لذت ببرن.