采用ADPD188BI的煙霧探測(cè)參考設(shè)計(jì)

01 煙霧探測(cè)器新標(biāo)準(zhǔn)

在商場(chǎng)、賓館、住宅等場(chǎng)所的天花板上隨處可見(jiàn)煙霧探測(cè)器的白色身影。煙霧探測(cè)器內(nèi)置有煙霧傳感裝置，能夠探測(cè)火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧并發(fā)出警報(bào)。目前市面上存在兩種類型的煙霧傳感器—電離型和光電型。

電離型產(chǎn)品使用放射性物質(zhì)使空氣電離并檢查電荷不平衡狀態(tài)來(lái)報(bào)警。光電型產(chǎn)品使用光電探測(cè)器向某個(gè)角度發(fā)射光源，光從空氣顆粒反射到光電二極管，在光電探測(cè)器中產(chǎn)生可以被檢測(cè)的電流。兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，安全可靠的做法當(dāng)然是使用兩種類型的組合解決方案。其實(shí)光電煙霧探測(cè)器在檢測(cè)普通房屋火災(zāi)時(shí)更可靠，并且對(duì)陰燃火災(zāi)的響應(yīng)時(shí)間更快，所以光電式更加受歡迎且足以勝任大部分火災(zāi)檢測(cè)情況。自1970年代以來(lái)，煙霧探測(cè)器的技術(shù)和法規(guī)幾乎沒(méi)變。新修訂的標(biāo)準(zhǔn)，例如由美國(guó)保險(xiǎn)人實(shí)驗(yàn)室（UL）發(fā)布的新的修訂標(biāo)準(zhǔn)也只是對(duì)現(xiàn)代煙霧探測(cè)器設(shè)計(jì)提出了更復(fù)雜的要求；ANSI/UL-217和ANSI/UL-268，或者由國(guó)家消防機(jī)構(gòu)（NFPA）發(fā)布的NFPA 72國(guó)家火災(zāi)報(bào)警規(guī)范，都旨在通過(guò)對(duì)現(xiàn)代煙霧探測(cè)器設(shè)計(jì)提出更復(fù)雜的要求來(lái)解決這些差距。

例如，除了傳統(tǒng)的火災(zāi)和煙霧敏感度測(cè)試外，最新版本的UL-217標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在還要求煙霧探測(cè)器在烹飪等過(guò)程中不要產(chǎn)生令人討厭的誤報(bào)。因此，現(xiàn)代煙霧探測(cè)器必須能夠區(qū)分烹飪和火災(zāi)。傳統(tǒng)上，這需要結(jié)合多種傳感器技術(shù)和一定水平的人工智能算法，解決方案聽(tīng)上去有些復(fù)雜，但是ADPD188BI的出世極大地簡(jiǎn)化了解決方案。

02 采用ADPD188BI的煙霧探測(cè)參考設(shè)計(jì)

ADPD188BI光學(xué)模塊是一套專門進(jìn)行煙霧探測(cè)的完整光電測(cè)量系統(tǒng)。CN0537 UL-217煙霧探測(cè)器參考設(shè)計(jì)用于演示煙霧/火災(zāi)檢測(cè)應(yīng)用中ADPD188BI集成光學(xué)模塊的使用情況。使用ADPD188BI代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分立式煙霧探測(cè)器電路可大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，因?yàn)楣怆娫ㄓ蓛蓚€(gè)LED和兩個(gè)光電探測(cè)器組成）和模擬前端（AFE）已集成到同一個(gè)封裝中。該模塊尺寸只有3.8mm x 5mm x 0.9mm，高性能AFE提供了高環(huán)境光抑制能力，并能夠降低功耗以延長(zhǎng)電池壽命。

由于煙霧探測(cè)器經(jīng)常用于電池供電設(shè)備，因此參考設(shè)計(jì)可最大限度地減少傳感器所需的數(shù)據(jù)以及每次確定報(bào)警所需的計(jì)算量。該設(shè)計(jì)使ADPD188BI能夠輸出較少數(shù)據(jù)，從而降低功耗，縮短微控制器的功耗周期。兩個(gè)LED有助于減少蒸汽和灰塵引起的誤報(bào)。這些器件采用定制化封裝，來(lái)防止光線未通過(guò)煙霧檢測(cè)室而從LED直接射入光電二極管。

圖2-3所示是ADI推出的基于ADPD188BI光學(xué)模塊的UL-217標(biāo)準(zhǔn)煙霧探測(cè)器參考設(shè)計(jì)電路。圖2是CN-0537參考設(shè)計(jì)的功能框圖。圖3是參考設(shè)計(jì)開發(fā)板—EVAL-CN0537-ARDZ。

圖2：CN-0537功能框圖（圖源：ADI/）

ADPD188BI可以通過(guò)SPI接口或I2C接口與外部設(shè)備通信；EVAL-CN0537-ARDZ開發(fā)板上預(yù)留了這兩種接口，短接JP1、JP2使用I2C通信，短接JP1-JP6使用SPI通信，板子默認(rèn)是SPI接口通信的。

在煙室內(nèi)靠近ADPD188BI的位置有一片溫濕度傳感器SHT30。ADPD188BI的全環(huán)響應(yīng)受環(huán)境溫度影響很大，為了確定相對(duì)響應(yīng)的值，需要有實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度的能力。溫濕度傳感器監(jiān)視腔室內(nèi)ADPD188BI旁邊的狀況，從而在算法中對(duì)ADPD188BI輸出作溫度補(bǔ)償。

開發(fā)板上還集成了一個(gè)蜂鳴器、一個(gè)指示燈和一個(gè)用戶按鍵。為了方便快速地進(jìn)行原型開發(fā)，該設(shè)計(jì)與Arduino尺寸控制器平臺(tái)兼容，外部控制器可將Arduino引腳配置為SPI或I2C接口讀取ADPD188BI數(shù)據(jù)。EVAL-CN0537-ARDZ設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)說(shuō)明如圖6所示。

圖6：EVAL-CN0537-ARDZ設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)說(shuō)明（圖源：ADI ）該參考設(shè)計(jì)方案還提供了包括用于煙霧檢測(cè)的自定義算法，該算法針對(duì)新ANSI/UL-217第八版標(biāo)準(zhǔn)中指定的煙霧和火災(zāi)測(cè)試進(jìn)行了評(píng)估。

下面我們使用EVAL-CN0537-ARDZ提供的”煙霧檢測(cè)示例“，搭配ADI EVAL-ADICUP3029開發(fā)板來(lái)測(cè)試一下該方案。

03 測(cè)試方案

硬件準(zhǔn)備

EVAL-CN0537-ARDZ

EVAL-ADICUP3029

MicroSD卡

MicroUSB數(shù)據(jù)線

帶有USB接口的PC

軟件準(zhǔn)備

ADuCM3029_demo_cn0537.hex

硬件連接

將EVAL-CN0537-ARDZ開發(fā)板通過(guò)Arduino接口的排針與EVAL-ADICUP3029開發(fā)板連接。

EVAL-CN0537-ARDZ開發(fā)板上有MicroSD接口，插入一個(gè)MicroSD卡用于存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)。

使用MicroUSB數(shù)據(jù)線連接EVAL-ADICUP3029開發(fā)板的USB口和PC，由于EVAL-ADICUP3029板上有調(diào)試器，因而在電腦上會(huì)顯示一個(gè)名為DAPLink的U盤，這是ARM Mbed生態(tài)下的一款開源調(diào)試器，除了可以下載調(diào)試MCU之外，還自帶了虛擬串口功能，MCU可以通過(guò)虛擬串口向PC終端打印字符。

演示示例

EVAL-CN0537-ARDZ評(píng)估套件提供了一個(gè)極具參考價(jià)值的煙霧檢測(cè)示例，該示例可以實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)讀取、顯示、算法處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、簡(jiǎn)單的人機(jī)交互等多種功能。首先我們前往下載鏈接，點(diǎn)擊“Smoke detector demo .hex file and copyrights”下載aducm3029_demo_cn0537_hex.zip文件。解壓后有兩個(gè)文件：ADuCM3029_demo_cn0537.hex文件和README文件。將ADuCM3029_demo_cn0537.hex文件拖入DAPLink U盤，這時(shí)調(diào)試器會(huì)自動(dòng)將程序下載到EVAL-ADICUP3029板上。該示例使用串口終端顯示數(shù)據(jù)和交互我們打開putty，配置port為DAPLink的COM號(hào)，波特率設(shè)為115200，注意一定要勾選Implicit CR in every LF和Implicit LF in every CF

打開顯示終端窗口。按下EVAL-ADICUP3029板上的RESET按鍵，程序復(fù)位重啟后，顯示如圖9所示：

圖9：演示示例的軟件交互

該演示程序可以通過(guò)輸入字符進(jìn)行交互。輸入 “h” 可以查看所有功能。我們輸入“s”，這時(shí)開啟煙霧檢測(cè)功能，并每隔1s讀取一次檢測(cè)值。

當(dāng)點(diǎn)燃一支香煙靠近煙室時(shí)，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)到火災(zāi)事件并報(bào)警提示，同時(shí)在終端中打印“--- ALARM RAISED”，板上蜂鳴器開始響，藍(lán)色的LED會(huì)亮。按下EVAL-CN0537-ARDZ開發(fā)板上的S1按鍵，可以消除警報(bào)。

當(dāng)我們使用噴霧裝置對(duì)板子噴霧時(shí)，系統(tǒng)并不會(huì)報(bào)警?？梢?jiàn)，該參考設(shè)計(jì)可以區(qū)分出煙火和霧氣，減少誤報(bào)，提高了火災(zāi)報(bào)警的精度，而這正是UL-217標(biāo)準(zhǔn)中要求的減少誤報(bào)。

04 ADPD188BI檢測(cè)原理

在上面的測(cè)試中，該套件提供的方案能實(shí)現(xiàn)煙霧檢測(cè)報(bào)警的功能，這都是ADPD188BI的功勞。

為了執(zhí)行煙霧檢測(cè)，ADPD188BI利用雙波長(zhǎng)技術(shù)：兩個(gè)集成的LED發(fā)出兩種不同波長(zhǎng)的光；一個(gè)在470nm（藍(lán)光）下，另一個(gè)在850nm（紅外光）下。這些LED在兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)隙中被脈沖化，并且傳輸?shù)墓獗豢諝庵械念w粒物散射回設(shè)備上。

然后，兩個(gè)集成的光電探測(cè)器接收散射的光并產(chǎn)生成比例的輸出電流，該電流在AFE內(nèi)轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼。假設(shè)LED光功率保持恒定，則ADPD188BI輸出值隨時(shí)間的增加表明空氣中顆粒的增加或積聚。UL-217標(biāo)準(zhǔn)要求檢測(cè)器在特定的時(shí)間窗口和遮蔽范圍內(nèi)對(duì)不同類型的火災(zāi)和煙霧做出響應(yīng)。

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(cè)火災(zāi)狀況，同時(shí)盡可能地減少功耗。算法本身通過(guò)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)集是在表1定義的所有測(cè)試場(chǎng)景中從許多ADPD188BI器件捕獲到的。測(cè)試是在經(jīng)過(guò)認(rèn)證的專門提供UL-217測(cè)試環(huán)境的設(shè)施進(jìn)行的。這些數(shù)據(jù)集包括參考測(cè)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。

表1：火災(zāi)情況和要求

CN-0537參考設(shè)計(jì)是通過(guò)煙霧檢測(cè)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。

05 總結(jié)

針對(duì)UL-217煙霧探測(cè)器的新標(biāo)準(zhǔn)，Analog Devices Inc.推出的CN0537煙霧探測(cè)器參考設(shè)計(jì)采用了ADPD188BI光學(xué)模塊，該模塊將光電元件和模擬前端（AFE）集成在同一封裝中，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分立式煙霧探測(cè)器電路，大大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。

采用CN0537電路的EVAL-CN0537-ARDZ評(píng)估板是一塊簡(jiǎn)單易上手的參考設(shè)計(jì)，除了極具參考價(jià)值的硬件設(shè)計(jì)之外，還提供了適用于UL-217煙霧探測(cè)器的新標(biāo)準(zhǔn)的算法解決方案。參考設(shè)計(jì)中將ADPD188BI模塊安裝在專門設(shè)計(jì)用于滿足器件和行業(yè)要求的專有煙室中，搭配EVAL-ADICUP3029開發(fā)平臺(tái)使用時(shí)，采用經(jīng)過(guò)測(cè)試和驗(yàn)證的UL-217煙霧探測(cè)算法，用戶可以評(píng)估UL 217標(biāo)準(zhǔn)中包括各種規(guī)定，比如減少誤報(bào)，區(qū)分快速運(yùn)動(dòng)火災(zāi)和燜燒火災(zāi)之間的煙霧特性等，極大地提高了精度和安全性。

原文標(biāo)題：NPI視頻第一期 | 聰明的煙霧探測(cè)器

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