應(yīng)對(duì)不斷發(fā)展的煙霧安全法規(guī)的現(xiàn)代解決方案

本技術(shù)文章介紹了軟件和數(shù)據(jù)方面 的CN-0537煙霧參考設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)和測(cè)試，可滿足 UL 217 第 8 版中概述的規(guī)格。它是通過(guò)分析設(shè)計(jì)的 研究在承銷商煙霧測(cè)試設(shè)施收集的火災(zāi)數(shù)據(jù) 實(shí)驗(yàn)室（UL）和Intertek Group plc。這些測(cè)試設(shè)施和測(cè)試程序符合UL 217住宅煙霧規(guī)范 警報(bào)。該參考設(shè)計(jì)使用 ADPD188BI 集成光學(xué)傳感器 （帶 LED 和光電二極管）以及設(shè)計(jì)用于感應(yīng)的優(yōu)化煙室 并使用單個(gè)校準(zhǔn)設(shè)備測(cè)量煙霧顆粒。重要的是， 參考設(shè)計(jì)還包括經(jīng)過(guò) UL 217 測(cè)試和驗(yàn)證的煙霧探測(cè) 算法，以方便客戶縮短其產(chǎn)品開(kāi)發(fā)生命周期和 更快地交付最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

ADPD188BI 煙霧傳感器

自 1970 年代以來(lái)，煙霧探測(cè)器在商業(yè)和 住宅。目前存在兩種基本類型的探測(cè)器 - 電離 類型，使用放射性物質(zhì)電離空氣并檢查電不平衡;和光電類型，它使用針對(duì) 遠(yuǎn)離光電探測(cè)器的角度并檢查光電探測(cè)器電流是否引起 通過(guò)從空氣中的顆粒反射到光電二極管的光。

雖然建議使用兩種類型的組合解決方案，但光電 煙霧探測(cè)器更受歡迎，因?yàn)樗?a target="_blank">檢測(cè)普通房屋火災(zāi)方面提高了可靠性，并且對(duì)陰燃火災(zāi)的響應(yīng)時(shí)間更快。

圖2所示的ADPD188BI光學(xué)模塊是一個(gè)完整的光度測(cè)量系統(tǒng) 專為煙霧探測(cè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。使用ADPD188BI代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分立式煙霧探測(cè)器電路，大大簡(jiǎn)化了 設(shè)計(jì)為光電子學(xué)（由兩個(gè)LED和兩個(gè)光電探測(cè)器組成） 模擬前端（AFE）已經(jīng)集成到封裝中。要執(zhí)行 煙霧檢測(cè)，ADPD188BI采用雙波長(zhǎng)技術(shù)：兩個(gè)集成LED發(fā)射兩種不同波長(zhǎng)的光;一個(gè)在 470 nm（藍(lán)光）和 另一個(gè)在 850 nm（紅外光）。這些 LED 在兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)間內(nèi)脈沖 插槽，透射光通過(guò)微粒散射回設(shè)備上 空氣中的物質(zhì)。

圖2.ADPD188BI和煙室的橫截面。

然后，兩個(gè)集成的光電探測(cè)器接收散射光并產(chǎn)生成比例的輸出電流水平，這些輸出電流由AFE在內(nèi)部轉(zhuǎn)換為 數(shù)字代碼。假設(shè)LED光功率保持恒定，則 ADPD188BI 輸出值隨時(shí)間推移表示空氣中顆粒物的積聚，如 如圖 3 所示。

圖3.來(lái)自 ADPD188BI LED 的光反向散射。

ADPD188BI的煙霧響應(yīng)最好表示為接收到的比值 光功率到發(fā)射的光功率。稱為功率傳輸 比率 （PTR），以 nW/mW 表示，此參數(shù)是一個(gè)更有意義的值 比原始輸出代碼，因?yàn)樗?dú)立于實(shí)際使用的硬件設(shè)置。至于配置傳感器以轉(zhuǎn)換其輸出所涉及的步驟 有關(guān)PTR值，請(qǐng)參閱此處提供的應(yīng)用說(shuō)明。

發(fā)光二極管溫度補(bǔ)償

ADPD188BI的響應(yīng)受環(huán)境溫度的影響。對(duì)于 藍(lán)色通道，這更加復(fù)雜，因?yàn)闇囟鹊男螤?響應(yīng)曲線也可能因使用的 LED 電流量而異。為 紅外通道，溫度響應(yīng)曲線與LED電流無(wú)關(guān)。

為了確定相對(duì)響應(yīng)的值，測(cè)量環(huán)境的能力 需要實(shí)時(shí)溫度。在CN-0537上，ADPD188BI旁邊的溫度和濕度傳感器監(jiān)控腔室內(nèi)的條件。 選擇傳感器時(shí)，組件尺寸是主要考慮因素 因?yàn)榍皇覂?nèi)的空間非常寶貴。

通過(guò)腔室內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度值，溫度補(bǔ)償在軟件中通過(guò)在整個(gè)操作過(guò)程中獲取相對(duì)響應(yīng)來(lái)完成 器件的溫度，并將其乘以從器件讀取的原始數(shù)據(jù)。 這為我們提供了可用于計(jì)算 PTR 響應(yīng)。相對(duì)響應(yīng)系數(shù)保存在內(nèi)存中的靜態(tài)表中 用于紅外 LED 和藍(lán)色 LED 補(bǔ)償數(shù)據(jù)。從 設(shè)備，應(yīng)用程序讀取溫度傳感器和藍(lán)色 LED 電流 找出使用哪個(gè)表和相對(duì)響應(yīng)系數(shù)。表格更接近 使用LED電流電平，指數(shù)值計(jì)算如下：

哪里：

index 是表中相應(yīng)元素的索引

溫度是當(dāng)前溫度

粒度是 相對(duì)響應(yīng)表;例如，如果比率相距 5°，則粒度 將是 5

此方法使用零階插值來(lái)補(bǔ)償設(shè)備數(shù)據(jù) 相對(duì)響應(yīng)表。這樣做是為了提高功率和時(shí)間效率。如果需要更高的精度，粒度可以更小，并且一階或二階插值 可以做到，但代價(jià)是功耗和處理器周期。

UL 217 標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試方案概述

與煙霧探測(cè)器技術(shù)類似，住宅消防安全法規(guī)也有 自 1970 年代以來(lái)，盡管電子學(xué)和 幾十年來(lái)常見(jiàn)的家居用品。標(biāo)準(zhǔn)的新修訂，例如 作為 ANSI/UL 217 和 ANSI/UL 268，由美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室 （UL） 發(fā)布，或 NFPA R 72國(guó)家火災(zāi)報(bào)警代碼，由國(guó)家消防局發(fā)布 （NFPA），旨在通過(guò)對(duì)現(xiàn)代提出更復(fù)雜的要求來(lái)解決這一差距 煙霧探測(cè)器設(shè)計(jì)。UL 217標(biāo)準(zhǔn)文件可以從這里購(gòu)買。

例如，除了傳統(tǒng)的火災(zāi)和煙霧敏感性測(cè)試外，最新版本的UL 217標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在要求煙霧探測(cè)器不產(chǎn)生 在烹飪等滋擾事件期間誤報(bào)。所以現(xiàn)代煙霧探測(cè)器必須 能夠區(qū)分烹飪滋擾事件和火災(zāi)事件。

這些新標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)是通過(guò)減少數(shù)量來(lái)提高安全性 與火災(zāi)有關(guān)的死亡人數(shù)，同時(shí)減少日?；顒?dòng)中產(chǎn)生的誤報(bào)數(shù)量。傳統(tǒng)上，這將需要一個(gè)復(fù)雜的 具有多種傳感器技術(shù)和一定程度的人工智能的解決方案; 但是，使用ADPD188BI使其實(shí)現(xiàn)起來(lái)更加簡(jiǎn)單。ADPD188BI是一款集成光學(xué)模塊，具有多個(gè)LED傳感器 專為煙霧探測(cè)而設(shè)計(jì)。

要使任何煙霧探測(cè)器成為商業(yè)產(chǎn)品，它必須通過(guò)認(rèn)證。在美國(guó)，這主要是UL 217。該規(guī)范重點(diǎn)介紹了火災(zāi)或煙霧事件的幾個(gè)測(cè)試場(chǎng)景，每個(gè)測(cè)試單元都需要通過(guò)這些場(chǎng)景。該規(guī)范的更新版本將于 2021 年生效，這將需要額外的 要通過(guò)的測(cè)試，從而使獲得認(rèn)證變得更加困難。

圖4.CN-0537的物理定向靈敏度測(cè)試。

傳感器檢測(cè)性能由兩個(gè)主要測(cè)試類別決定：靈敏度測(cè)試和基于場(chǎng)景的測(cè)試。敏感性測(cè)試側(cè)重于 來(lái)自不同物理方向和環(huán)境條件的警報(bào)觸發(fā)器。一 其中一項(xiàng)測(cè)試的示例來(lái)自 UL 42 第 217 節(jié)，其中煙霧被送入 以通用速率測(cè)量腔室，并測(cè)量報(bào)警時(shí)間和遮蔽水平。 對(duì)設(shè)備的八個(gè)方向和多個(gè)單元重復(fù)此操作。一 示例設(shè)備如圖 4 所示，其中所有八個(gè)煙霧接近透視 被標(biāo)記。這些測(cè)量值不能超過(guò)50%之間的變化 以及所有角度中最不敏感的單位。為了使此測(cè)試更加困難， 相同的裝置也在極端溫度和濕度下進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證它們 保持其一致性。

基于場(chǎng)景的測(cè)試涉及不同的火源以及不同的約束 應(yīng)用于不同的測(cè)試。

根據(jù) UL 217 8千版本，引入了一個(gè)新方面來(lái)添加滋擾來(lái)源 與傳統(tǒng)火源。這可以防止簡(jiǎn)單的閾值設(shè)置 煙霧水平，因?yàn)樵谶@種情況下會(huì)過(guò)早觸發(fā)警報(bào)。 圖 5 的煙霧剖面顯示了這種情況的一個(gè)示例，其中 觀察到初始峰值，并觀察到第二個(gè)斜坡趨勢(shì)。這是配置文件 滋擾加上有效煙源，最初對(duì)滋擾火災(zāi)進(jìn)行建模 其次是真正的火災(zāi)情況，即要發(fā)出警報(bào)?；?UL 217規(guī)定的規(guī)范，合格的探測(cè)器直到之后才會(huì)報(bào)警 煙霧已達(dá)到初始水平 L1，但在指定的時(shí)間之前， T1 已發(fā)生，但尚未達(dá)到一定的煙霧水平 L2。這些結(jié)合在一起 因素根據(jù)這些要求創(chuàng)建警報(bào)窗口。這些要求 測(cè)試火源之間也不同，但必須由相同的處理 不知道源火的設(shè)備。這些方案的匯總表是 表 1 中提供。

圖5.CN-0537的測(cè)試角度。

CN-0537 煙霧探測(cè)算法設(shè)計(jì)方法

研究火災(zāi)數(shù)據(jù)收集

為了正確模擬零件變異和測(cè)試變異，ADI公司設(shè)計(jì)了 并構(gòu)建了帶有四個(gè)和八個(gè) ADPD188BI 煙霧傳感器的 PCB，安裝在 表面以及必要的MCU電纜，以方便數(shù)據(jù)收集。 在每次煙霧測(cè)試期間，除了一個(gè)傳感器外，所有傳感器都配備了一個(gè)腔室。

因此，許多傳感器在UL和UL的盡可能多的火災(zāi)中進(jìn)行了測(cè)試。 天祥的測(cè)試設(shè)施。因此，每個(gè)審判對(duì)應(yīng)于任何一項(xiàng) UL 217 確定的煙源由多個(gè)委員會(huì)記錄 并同時(shí)通過(guò)多個(gè)煙霧傳感器。天花板的示意圖 Intertek的煙霧測(cè)試設(shè)施顯示安裝了ADPD188BI煙霧的PCB 傳感器如圖 6 所示。描述測(cè)試設(shè)施的總體布局 整個(gè)測(cè)試設(shè)置的各個(gè)組件如圖7所示。請(qǐng)注意，pods 1， 2 和 3 位于天花板上，而吊艙 4 和 5 位于墻壁上。

圖6.ADPD188BI PCB 吊艙安裝在天花板上，用于 UL 217 煙霧測(cè)試。

圖7.符合 UL 217 標(biāo)準(zhǔn)的煙霧測(cè)試設(shè)施布局。

了解研究火災(zāi)數(shù)據(jù)

我們現(xiàn)在看看在 （漢堡包）滋擾測(cè)試火災(zāi)事件。這些功能可作為隔離煙源的特征，從而有助于煙霧探測(cè)器算法的設(shè)計(jì)

在圖 8 所示的滋擾火災(zāi)的情況下，UL 217 要求 當(dāng)相應(yīng)的遮擋參考時(shí)，滋擾火災(zāi)被撲滅 達(dá)到 1.5%，隨后，在引發(fā)聚氨酯 （PU） 火災(zāi)時(shí)，會(huì)遮擋 可以使用位于17'外的光束收集參考。從圖 8 中可以看到這一點(diǎn)， 在 1100 秒標(biāo)記附近，藍(lán)色 LED 和 IR 的響應(yīng) 由于滋擾火災(zāi)被撲滅，PD開(kāi)始下垂。從那時(shí)起 上，響應(yīng)完全是由于PU火災(zāi)。

圖8.2020 年 2 月在 Intertek 使用 Pod A 和設(shè)備 2 進(jìn)行的試驗(yàn) 1 的漢堡 PU 煙霧剖面。請(qǐng)注意，遮光參考以百分比/英尺為單位，而傳感器響應(yīng)以 nW/mW 為單位。

請(qǐng)注意，在此期間，吊艙始終位于距離火源 10 英尺的地方 測(cè)試，因?yàn)檫@是測(cè)試的滋擾方面的要求。因?yàn)?該測(cè)試的火焰PU方面指定為17'，遮擋參考 數(shù)據(jù)是將來(lái)自兩個(gè)不同光束的數(shù)據(jù)拼接在一起以確定的結(jié)果 如果滿足要求。還可以觀察到，雖然滋擾 火具有慢燃火的特點(diǎn)，PU火速捕。

算法約束和設(shè)計(jì)

在處理用于煙霧檢測(cè)的ADPD188BI傳感器數(shù)據(jù)之前，傳感器偏置 需要計(jì)算并從 PTR 數(shù)據(jù)中刪除。傳感器偏置是 每個(gè)器件都是腔室公差、長(zhǎng)期 LED/PD 漂移、 灰塵或其他污垢堆積等。此外，其長(zhǎng)期行為受到以下因素的影響 各種因素，如環(huán)境濕度、溫度、老化等。傳感器偏置也 在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)變化，因此需要長(zhǎng)時(shí)間跟蹤 時(shí)間。因此，任何假設(shè)平均數(shù)據(jù)為零的煙霧探測(cè)器算法 沒(méi)有火災(zāi)事件并采用ADPD188BI需要定期計(jì)算 傳感器偏置，隨后將其從捕獲的數(shù)據(jù)中移除。

此外，優(yōu)化算法計(jì)算的數(shù)量，因此， 優(yōu)化算法消耗的系統(tǒng)功耗也是一個(gè)重要因素 設(shè)計(jì)決策?？蛇x的窗口平均預(yù)處理功能由 ADPD188BI是這一決定的因素。此步驟提高了數(shù)據(jù)中的信噪比 系統(tǒng)功率費(fèi)用，并在應(yīng)用任何煙霧檢測(cè)之前執(zhí)行 算法。在我們的研究中，我們能夠在不將此步驟納入算法的情況下實(shí)現(xiàn) UL 217 合規(guī)性。此外，在我們的設(shè)計(jì)中，我們利用了大約6秒間隔捕獲的樣本，從而大大優(yōu)化了系統(tǒng)。 用于算法計(jì)算的功率。有興趣的客戶誰(shuí)想要 要合并此功能，請(qǐng)參閱此文檔。

如前所述，快速捕獲和緩慢燃燒的煙霧剖面的對(duì)比性質(zhì)是設(shè)計(jì)煙霧探測(cè)的動(dòng)機(jī) 算法。ADI的煙霧探測(cè)器算法基于處理PTR樣本 作為時(shí)間序列數(shù)據(jù)，并在需要報(bào)警時(shí)及時(shí)識(shí)別實(shí)例 在觀察到時(shí)間序列數(shù)據(jù)中的某些關(guān)鍵事件時(shí)發(fā)出聲音。ADI提供 大約 1500 種符合 UL 217 標(biāo)準(zhǔn)的算法調(diào)整參數(shù)組合 參考光束遮擋水平和報(bào)警時(shí)間要求在不同范圍內(nèi) 成功率取決于所考慮的煙源。

CN-0537 煙霧檢測(cè)算法性能結(jié)果

算法調(diào)優(yōu)

在本節(jié)中，我們將討論通過(guò)應(yīng)用 CN-0537 煙霧探測(cè)算法，用于研究在 UL 認(rèn)證下收集的火災(zāi)數(shù)據(jù) 實(shí)驗(yàn)室。此過(guò)程還涉及調(diào)整CN-0537煙霧檢測(cè) 算法參數(shù)使得一大組調(diào)諧參數(shù)組合 可供客戶選擇，已通過(guò) UL 217 合規(guī)性，但成功率不同。漢堡滋擾陰謀 圖9中將作為示例煙源來(lái)描述性能 一般算法的各個(gè)方面。

圖9.漢堡PU測(cè)試的參考光束遮蔽水平。

在圖9中，參考光束遮蔽水平的上限和下限 顯示了 UL 217 規(guī)定的漢堡 PU 測(cè)試。遮蔽級(jí)別 還顯示了算法引發(fā)警報(bào)時(shí)的參考光束。這里的 x 軸 圖描述了調(diào)諧參數(shù)的組合索引。

因此，對(duì)于給定的 x 軸索引，調(diào)整參數(shù)的相應(yīng)組合已應(yīng)用于所有數(shù)據(jù)文件，并且獲得的結(jié)果是 分類。如圖 9 所示，而調(diào)優(yōu)參數(shù)的所有組合 使算法符合UL 217，報(bào)警時(shí)間之間的余量 遮蔽水平和目標(biāo)遮蔽水平可以非常接近。此外 可以觀察到，雖然調(diào)整參數(shù)的組合可能會(huì)提供 對(duì)于某些煙源有足夠的余量，它們可能會(huì)導(dǎo)致關(guān)閉呼叫 別人。因此，調(diào)整參數(shù)的選擇必須通過(guò)會(huì)計(jì)進(jìn)行 適用于所有煙源。

例如，我們從圖 9 中看到，UL 217 規(guī)定算法 報(bào)警低于參考光束遮擋水平 5% 和高于 1.5%。對(duì)于一個(gè) 給定調(diào)諧參數(shù)組合 — 例如，索引 500 和所有陰燃 漢堡和PU測(cè)試——所有漢堡和PU火災(zāi)中最大的遮蔽度 算法發(fā)出警報(bào)的數(shù)據(jù)集約為 4.7%;也就是說(shuō)，在 規(guī)定的水平。同樣，所有漢堡中最小的遮擋程度 發(fā)出警報(bào)的滋擾火災(zāi)數(shù)據(jù)集約為2%。這 變化主要是由于進(jìn)行測(cè)試時(shí)的變化是由 技術(shù)人員或由于煙霧剖面本身固有的隨機(jī)性來(lái)自一個(gè) 測(cè)試到另一個(gè)。

UL 217 測(cè)試結(jié)果

在使用研究火災(zāi)數(shù)據(jù)集進(jìn)行算法設(shè)計(jì)和調(diào)整后，該算法通過(guò)了 UL 217 合規(guī)性測(cè)試。天祥測(cè)試結(jié)果摘要 使用CN-0537煙霧檢測(cè)算法如表2所示，以及 詳細(xì)報(bào)告可在此處獲得。請(qǐng)注意，盡管 EVAL-CN0537-ALGO 是 經(jīng)過(guò)測(cè)試和驗(yàn)證，通過(guò)了 UL 217 8千版本防火測(cè)試，主要用于 方便客戶專注于創(chuàng)建最終產(chǎn)品的更大任務(wù)。 換句話說(shuō)，即使使用ADI開(kāi)發(fā)的算法，客戶 仍然需要根據(jù)UL對(duì)其最終產(chǎn)品進(jìn)行全面認(rèn)證 217標(biāo)準(zhǔn)。另請(qǐng)注意，只有 UL 217 的煙霧探測(cè)器方面 經(jīng)過(guò)測(cè)試和驗(yàn)證，而不是 UL 217 的其他部分，例如那些重點(diǎn)部分 在機(jī)械方面，電池壽命等。

ADI解決方案選項(xiàng)

為了滿足不同客戶的需求，提供了多種解決方案。 可用并在圖 10 中進(jìn)行了總結(jié)。硬件是Arduino外形 兼容，旨在加速原型設(shè)計(jì)和評(píng)估 嵌入式煙霧檢測(cè)算法。硬件由EVALCN0537-ARDZ參考設(shè)計(jì)組成，該設(shè)計(jì)在CN-0537電路筆記和 支持EVAL-ADICUP3029微控制器板。數(shù)據(jù) （EVAL-CNO537- DATA） 軟件包提供廣泛的煙霧數(shù)據(jù)集，通過(guò) UL 217 認(rèn)證 為希望開(kāi)發(fā)自己的算法和CN-0537的人提供的設(shè)施 不包括檢測(cè)算法的源代碼。算法 （EVAL-CN0537-ALGO） 軟件包包括數(shù)據(jù)包中的所有內(nèi)容以及經(jīng)過(guò) UL 測(cè)試和驗(yàn)證的煙霧檢測(cè)算法以及相關(guān)的算法項(xiàng)目文件。

審核編輯：郭婷