通過光學(xué)雙波長技術(shù)進(jìn)行煙霧探測的完整測光系統(tǒng)

隨著全球城市化進(jìn)程的推進(jìn)，火災(zāi)已經(jīng)成為現(xiàn)代世界人類安全最大威脅之一。隨著世界人口的增加，最大的趨勢、最高的增長率非城市化莫屬。國際能源機(jī)構(gòu)指出，全球建筑物的建筑面積每年以約3％的速度增長，這會(huì)導(dǎo)致住房和商業(yè)建筑的密度日益增高。當(dāng)今的建筑都被設(shè)計(jì)成可以容納成千上萬的人，因此建筑的管理，尤其是其中人員的安全至關(guān)重要。

因此，早期火災(zāi)探測非常重要，有利于防止發(fā)生大規(guī)模災(zāi)難，杜絕對環(huán)境造成影響。當(dāng)前，全球主要國家和地區(qū)的有關(guān)法規(guī)成了推動(dòng)多數(shù)環(huán)境和安全變革的動(dòng)力。在煙霧探測方面，相關(guān)法規(guī)每次修訂后都會(huì)變得更加嚴(yán)格，即使在地方一級，這些法規(guī)關(guān)注的焦點(diǎn)始終都是提高探測準(zhǔn)確率，加快報(bào)警速度，確保人員安全。從20世紀(jì)70年代開始，煙霧探測器已被廣泛用于商用和住宅建筑中。

圖1：有效的煙霧報(bào)警是火災(zāi)降低損失的關(guān)鍵

降低誤觸發(fā)是煙霧探測器普及應(yīng)用的關(guān)鍵

如今，探測器主要分為兩類，一是電離類型，使用放射性物質(zhì)來電離空氣，然后檢測電荷不平衡；二是光電類型，使用光電探測器對某個(gè)角度發(fā)射的光源，并檢測從大氣塵粒反射到光電二極管的光所引起的光電探測器電流。盡管推薦使用這兩種類型的解決方案的組合，但人們更愿意使用光電煙霧探測器，因?yàn)樗谔綔y常見的房屋火災(zāi)時(shí)更可靠，且能夠更快處理陰燃火。

遺憾的是，自20世紀(jì)70年代以來，電子和常用的家居建材取得了長足發(fā)展，但煙霧探測器技術(shù)和規(guī)范幾乎未發(fā)生任何變化。對標(biāo)準(zhǔn)的新修訂，例如由美國保險(xiǎn)人實(shí)驗(yàn)室(UL)發(fā)布的ANSI/UL-217和ANSI/UL-268，或者由國家消防機(jī)構(gòu)(NFPA)發(fā)布的NFPA?72國家火災(zāi)報(bào)警規(guī)范，都旨在通過對現(xiàn)代煙霧探測器設(shè)計(jì)提出更復(fù)雜的要求來解決這些差距。

例如，除了傳統(tǒng)的火災(zāi)和煙霧探測靈敏度測試之外，更新版的UL-217標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在還要求煙霧探測器不會(huì)在發(fā)生干擾事件時(shí)發(fā)出誤警報(bào)，比如在做飯時(shí)。所以，現(xiàn)代的煙霧探測器必須能夠區(qū)分烹飪干擾事件和火災(zāi)事件。

這些新標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)是：通過減少日?；顒?dòng)中產(chǎn)生的誤警報(bào)次數(shù)來提高安全性和減少火災(zāi)死亡人數(shù)。傳統(tǒng)上，這需要使用采用多項(xiàng)傳感器技術(shù)且具備一定的人工智能水平的復(fù)雜解決方案；但是，使用ADPD188BI大大降低了該解決方案的實(shí)施難度。

圖2：基于ADPD188BI光學(xué)模塊的UL-217煙霧探測器參考設(shè)計(jì)

圖2所示的電路是是ADI公司基于ADPD188BI光學(xué)模塊的UL-217煙霧探測器參考設(shè)計(jì)。為了簡單、快速實(shí)施開發(fā)，該設(shè)計(jì)兼容Arduino尺寸控制器平臺，并包含煙霧探測自定義算法，以對新發(fā)布的ANSI/UL-217第8版標(biāo)準(zhǔn)指定的煙霧和火災(zāi)測試實(shí)施評估。

使用ADPD188BI進(jìn)行煙霧檢測

ADPD188BI光學(xué)模塊是專為煙霧檢測應(yīng)用而設(shè)計(jì)的完整光電式測量系統(tǒng)。用ADPD188BI代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分立式煙霧檢測器電路可大大簡化設(shè)計(jì)，因?yàn)楣怆娮悠骷ㄓ蓛蓚€(gè)LED和兩個(gè)光電檢測器組成）和模擬前端(AFE)已集成到同一個(gè)封裝中。

為了進(jìn)行煙霧檢測，ADPD188BI采用雙波長技術(shù)，兩個(gè)集成LED發(fā)出兩種不同波長的光：一種為470nm（藍(lán)光），另一種為850nm（紅外光）。這些LED在兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)隙中發(fā)出光脈沖，發(fā)射的光被空氣中的顆粒物散射回器件上。

圖3全球煙霧探測法規(guī)挑戰(zhàn)：易燃聚氨酯和烹飪滋擾（漢堡）測試更新

然后，兩個(gè)集成的光電檢測器接收散射的光并產(chǎn)生成比例的輸出電流，該電流在內(nèi)部由AFE轉(zhuǎn)換成數(shù)字碼。假設(shè)LED光功率保持恒定，如果ADPD188BI輸出值隨時(shí)間而增大，則表明空氣中的顆粒物在增加或聚積。

UL-217標(biāo)準(zhǔn)要求檢測器在特定的時(shí)間窗口和遮蔽范圍內(nèi)對不同類型的火災(zāi)和煙霧做出響應(yīng)。圖1中的參考設(shè)計(jì)通過煙霧檢測算法分析ADPD188BI的藍(lán)光和紅外光(IR)輸出數(shù)據(jù)，從而滿足上述要求。

此算法是為ADPD188BI傳感器陣列專門設(shè)計(jì)的，旨在根據(jù)UL-217規(guī)范的規(guī)定檢測火災(zāi)狀況，同時(shí)盡可能地減少功耗。算法本身通過一個(gè)大數(shù)據(jù)集進(jìn)行了調(diào)整和驗(yàn)證，該數(shù)據(jù)集是在上表定義的所有測試場景中從許多ADPD188BI器件捕獲到的。測試是在經(jīng)過認(rèn)證的專門提供UL-217測試環(huán)境的設(shè)施進(jìn)行的。這些數(shù)據(jù)集包括參考測量結(jié)果，以便了解不同煙霧源下的傳感器性能和報(bào)警條件。

圖4：專為煙霧檢測應(yīng)用而設(shè)計(jì)的完整光電式測量系統(tǒng)ADPD188BI

煙霧檢測器常常使用電池供電，因此該算法盡可能地減少了傳感器需要提供的數(shù)據(jù)以及每次報(bào)警判斷所需的計(jì)算量。此算法支持ADPD188BI輸出較少的數(shù)據(jù)，從而節(jié)省電力并減少微控制器的功耗周期，但仍符合嚴(yán)格的UL-217規(guī)范。

ADPD188BI的煙霧響應(yīng)用接收光功率與發(fā)射光功率之比來表示較好。此參數(shù)稱為功率傳輸比(PTR)，比原始輸出碼有意義得多，因?yàn)樗c所使用的實(shí)際硬件設(shè)置無關(guān)。此外，遮蔽水平（煙霧探測器的標(biāo)準(zhǔn)測量單位）與PTR直接相關(guān)。

ADPD188BI的全環(huán)響應(yīng)受環(huán)境溫度影響。對于藍(lán)光通道，這更加復(fù)雜，因?yàn)闇囟软憫?yīng)曲線的形狀也會(huì)根據(jù)所使用的LED電流量不同而變化。下圖顯示溫度對ADPD188BI工作溫度范圍內(nèi)的相對輸出響應(yīng)的影響，藍(lán)光LED使用100mA和175mA的常見ILED設(shè)置。對于紅外通道，溫度響應(yīng)曲線與LED電流無關(guān)。

圖5：溫度對相對于25°C的ADPD188BI輸出響應(yīng)的影響

選擇傳感器時(shí)，元件尺寸是主要考慮因素，因?yàn)榍皇覂?nèi)的空間非常寶貴。在該參考設(shè)計(jì)中，默認(rèn)傳感器的溫度和濕度精度額定值分別為±0.2°C和±2%相對濕度。

選擇恰當(dāng)?shù)臒熓遗浜螦DPD188BI使用

市面上的大多數(shù)煙霧檢測器解決方案使用煙室來幫助抑制環(huán)境光，減少內(nèi)部光污染，并使昆蟲或蜘蛛干擾讀數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)盡可能降低。對于ADPD188BI，使用煙室會(huì)引起一個(gè)恒定的背景信號出現(xiàn)在讀數(shù)中，這是由煙室表面的光散射所致。至關(guān)重要的是，背景信號水平必須接近或低于報(bào)警閾值，以避免讀數(shù)出現(xiàn)重大誤差。

ADPD188BI對腔室的響應(yīng)也可以用功率傳輸比(PTR)表示，加到煙霧響應(yīng)上，當(dāng)解讀器件的PTR數(shù)據(jù)時(shí)必須予以考慮。

ADPD188BI使用ADI公司專有煙室，該煙室專門設(shè)計(jì)用于滿足器件和行業(yè)要求。此煙室的內(nèi)部幾何形狀支持獲得更高信噪比(SNR)讀數(shù)，從而獲得ADPD188BI的更優(yōu)PTR值。

常規(guī)煙室設(shè)計(jì)與ADPD188BI不兼容，因?yàn)閭鹘y(tǒng)煙霧檢測器使用前向散射系統(tǒng)，而ADPD188BI的集成光電器件使用反向散射系統(tǒng)。

電路設(shè)計(jì)的另一個(gè)考慮因素是冷凝對ADPD188BI讀數(shù)的影響。腔室內(nèi)表面可能會(huì)形成露水和冷凝水，從而導(dǎo)致光散射。對系統(tǒng)而言，這種光散射表現(xiàn)為煙霧。在較濕潤的熱帶地區(qū)，經(jīng)常有冷凝水形成，這種光散射的問題尤其嚴(yán)重。

為了減輕冷凝的影響，光模塊周圍放置有加熱電阻，其會(huì)散發(fā)足夠的熱量，在需要時(shí)可抑制露水的形成。為此目的選擇電阻時(shí)，需要在期望溫升與從電源汲取的電流之間折衷。

請注意，此加熱模塊會(huì)顯著增加設(shè)計(jì)所需的總系統(tǒng)功耗。使用較低電阻值會(huì)產(chǎn)生更多熱量，但會(huì)消耗更多的電源電流。對于電池供電系統(tǒng)，它還會(huì)導(dǎo)致電池壽命縮短，設(shè)計(jì)時(shí)必須作為額外因素加以考慮。

圖2中的參考設(shè)計(jì)使用三個(gè)25Ω電阻的并聯(lián)組合，由此會(huì)導(dǎo)致溫度升高10°C至20°C。晶體管開關(guān)允許微控制器板通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出或通用輸入/輸出(GPIO)引腳激活加熱電路模塊。

本文總結(jié)

因?yàn)楝F(xiàn)在消除了（例如烹飪和蒸汽導(dǎo)致的）干擾警報(bào)，所以煙霧探測器可以更密集地安裝在廚房和衛(wèi)生間中，增加樓宇中實(shí)際安裝的設(shè)備數(shù)量，形成覆蓋范圍更大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因此，低功率要求支持電池運(yùn)行（延長使用壽命），或增加主回路中的設(shè)備數(shù)量。但在系統(tǒng)層面，對于無線網(wǎng)絡(luò)而言，更快發(fā)出警報(bào)意味著需要采用低延遲網(wǎng)絡(luò)?？紤]到煙霧探測對生命安全的影響，實(shí)體系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)作為獨(dú)立設(shè)備使用。此外，在未來，可能也需要將煙霧探測集成到其他樓宇控制系統(tǒng)中，例如，集成到疏散或緊急照明系統(tǒng)中，小尺寸將越來越重要。像ADPD188BI這樣的一套利用光學(xué)雙波長技術(shù)進(jìn)行煙霧探測的完整測光系統(tǒng)，較好的兼顧這些需求，將促進(jìn)煙霧探測在當(dāng)今樓宇防災(zāi)減災(zāi)中的普及應(yīng)用。
編輯：hfy