基于煙霧探測器的紅外LED的向前散射系統(tǒng)設(shè)計(jì)

近日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部會同中央網(wǎng)信辦、教育部、科技部、工信部等16部門聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快發(fā)展數(shù)字家庭提高居住品質(zhì)的指導(dǎo)意見》，明確指出要強(qiáng)化數(shù)字家庭工程設(shè)施建設(shè)，加強(qiáng)智能產(chǎn)品在住宅中的設(shè)置，對新建全裝修住宅，明確要求戶內(nèi)設(shè)置火災(zāi)自動報警設(shè)備在內(nèi)的基本消防產(chǎn)品。煙感設(shè)備作為消防的一部分，是新建住宅強(qiáng)制性的配套設(shè)施，很有可能是智慧消防邁向住宅社區(qū)硬性配置的第一步，未來有望成為住宅社區(qū)的標(biāo)配。

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消防不僅僅是要應(yīng)對已經(jīng)發(fā)生的火災(zāi)，更重要的在于提前預(yù)防，消除隱患。而煙霧探測器就是這樣的關(guān)鍵設(shè)備，一旦出現(xiàn)疑似火災(zāi)的跡象便發(fā)出警告提醒，為滅火和逃生贏得時間。“然而，據(jù)美國消防協(xié)會統(tǒng)計(jì)，23％的人員死亡來自安裝有煙霧探測器的場所，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的煙霧探測器往往無法分辨煙霧的類型，容易引發(fā)誤報，從而被人為停用，最后導(dǎo)致了悲劇的發(fā)生?！痹?021慕尼黑上海電子展上，ADI市場經(jīng)理祝臻指出，“此外，傳統(tǒng)煙感還存在體積過大、規(guī)格不一、調(diào)試?yán)щy等情況，煙感設(shè)備面臨技術(shù)變革要求?！?/p>

誤報尷尬背后凸顯消防隱患，煙霧探測技術(shù)變革正當(dāng)時

某個冬天的深夜，某智慧小鎮(zhèn)的消防中心提示出現(xiàn)火情，煙霧探測聲光報警系統(tǒng)信息不斷提示xx住戶家有煙霧產(chǎn)生。幾次電話聯(lián)系業(yè)主未果，物業(yè)保安已經(jīng)緊急找到業(yè)主家，下夜班回家剛洗完澡的業(yè)主一臉茫然面對保安火警的詢問。與業(yè)主細(xì)查，原來是因?yàn)橄丛璧撵F氣彌漫導(dǎo)致走廊中的煙霧探測器誤報，一場火警以物業(yè)尷尬道歉收場。這是祝臻在慕展現(xiàn)場與業(yè)界人士分享的一個真實(shí)場景?！皩擂问滦“踩麓?，這種誤報導(dǎo)致部分業(yè)主人為停用煙霧探測器?！弊Ｕ檎f道，“越來越多的物業(yè)認(rèn)識到傳統(tǒng)煙霧探測設(shè)備本身帶來的安全隱患?！?/p>

“傳統(tǒng)煙感器的主要缺陷來源于采用單色LED作為測量光源?！弊Ｕ榉窒淼?。經(jīng)典光電式煙霧報警器以離散方式設(shè)計(jì)，通過向前散射發(fā)揮作用，其中特定波長的LED光（通常在紅外范圍內(nèi)）被粒子散射到光電二極管上，如果測量光源（LED）和探測器（光電二極管）之間因存在顆粒而導(dǎo)致的暗光或消光，則說明有煙霧進(jìn)入報警器中。

具有紅外LED的向前散射系統(tǒng)

“使用這種設(shè)計(jì)制作得煙霧探測裝置只能對煙霧的濃度進(jìn)行區(qū)分，而無法識別煙霧類型，不管是燃燒煙霧、水蒸氣還是做飯時產(chǎn)生的油煙，只要濃度達(dá)到一定閾值，報警器就會產(chǎn)生警報，頻繁的誤報打擾正是導(dǎo)致人們禁用煙霧報警器的首要原因?！弊Ｕ橹赋?。為了解決這個問題，煙霧探測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定上已經(jīng)發(fā)生了一些變化，希望自上而下推動煙霧報警器檢測精度的提高：即將在2021年6月發(fā)布的最新UL標(biāo)準(zhǔn)中更新了聚氨酯燃燒、悶燒和烹飪滋擾，即漢堡包煙霧干擾報警測試。在該測試中，必須能夠區(qū)分漢堡包肉餅產(chǎn)生的煙霧和易燃聚氨酯產(chǎn)生的煙霧。

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現(xiàn)場的模擬水蒸氣干擾敏感性檢測中，傳統(tǒng)方案很快報警，而ADI雙光檢測方案沒有出現(xiàn)誤報

為此，ADI推出了一款完全集成煙霧探測器模塊ADPD188BI，力求徹底解決經(jīng)典煙霧報警器存在的這些問題?！癆DPD188BI中集成了兩顆LED發(fā)射器，一顆藍(lán)光發(fā)射器、一顆紅外發(fā)射器。所以它不但能監(jiān)測煙霧的濃度，同時還可以監(jiān)測煙霧的顆粒直徑，以區(qū)分正常煙和火災(zāi)煙?！弊Ｕ榻榻B到。其中藍(lán)色LED波長470nm，紅外LED波長850nm，這些LED在兩個獨(dú)立的時隙中發(fā)出光脈沖，發(fā)射的光被空氣中的顆粒物散射回器件上。這種通過雙色光波長監(jiān)測，不僅支持單獨(dú)測量單個波長，還支持分析比率構(gòu)成，從而進(jìn)一步降低了誤報率。

APDPD188BI在無煙室中進(jìn)行漢堡煙霧和易燃聚氨酯煙霧檢測的測試結(jié)果

如上圖所示，ADPD188BI發(fā)出的兩種信號曲線在兩種場景下有很大區(qū)別，說明該傳感器能夠清楚區(qū)分這兩種煙的類型?？梢钥闯?，信號隨時間的變化，聚氨酯在220秒后達(dá)到報警閾值，時間長度是漢堡煙霧達(dá)到報警閾值的1/4（超過1000秒后）。聚氨酯燃燒4分鐘后，可檢測到臨界水平。利用傳感器的高信噪比還可清楚區(qū)分和記錄粒子濃度的變化，例如右圖中圈出的部分，在易燃聚氨酯測試中，斜率突然增加。

全集成下的高一致性、小尺寸和低功耗，全方位推進(jìn)應(yīng)用落地

市場變化日新月異，對于煙霧傳感設(shè)備制造商來說，自然希望拿到解決方案后就能盡快投入大規(guī)模量產(chǎn)?！叭欢瑐鹘y(tǒng)的分立解決方案由于從傳感到信號調(diào)理以及后端數(shù)據(jù)讀取分析都是獨(dú)立的器件完成，導(dǎo)致很難達(dá)到高的產(chǎn)品一致性，產(chǎn)品校驗(yàn)成了主要的工序?！弊Ｕ楸硎荆癆DPD188BI是一套利用光學(xué)雙波長技術(shù)進(jìn)行煙霧探測的完整測光系統(tǒng)，每片芯片出廠前做了單獨(dú)校準(zhǔn)，只需要少量外部組件就可以實(shí)現(xiàn)商業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。這帶來的最顯著的好處是產(chǎn)品性能一致性非常好。”

集成光學(xué)設(shè)計(jì)可極大簡化光學(xué)設(shè)計(jì)并提供顯著的系統(tǒng)增強(qiáng)功能

在固定電流下，不同LED的發(fā)光強(qiáng)度通常有很大的差異，因此過去都是由煙霧報警器制造商執(zhí)行煙霧報警器校準(zhǔn)，校準(zhǔn)LED發(fā)光強(qiáng)度與電流之間的斜率和偏移，可以確保所有LED保持具有相同的性能表現(xiàn)。在ADPD188BI中，因?yàn)長ED和整個信號路徑都集成到了一起，所以ADI會預(yù)先校準(zhǔn)傳感器模塊，這樣就可以減少器件之間的差異。此外，ADPD188BI校準(zhǔn)系數(shù)存儲在芯片的非易失性存儲器（即eFUSE寄存器）中。通過讀取這些系數(shù)，可以盡可能地減小芯片之間的差異。這意味著可以在算法中更精確地設(shè)置報警閾值，從而降低誤報率。由于煙霧報警器制造商可以采用預(yù)先校準(zhǔn)的模塊，在此步驟上也簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

高度集成的另外一個顯著的好處是整體電路尺寸更小，使得煙霧探測器可以更小更適應(yīng)住宅和商業(yè)用途建筑。此外，更小的體積以及LED的短脈沖使得此模塊比傳統(tǒng)檢測器功耗更低，紅外LED的工作功耗僅為~5μW/Hz，此方案下的煙霧傳感電池壽命甚至可達(dá)5年以上，顯著了降低物業(yè)后期的維護(hù)成本。

“此外，ADPD188BI可為煙霧探測器提供完整的光學(xué)子系統(tǒng)解決方案，由于整個解決方案均由ADI公司制造、測試和驗(yàn)證，供應(yīng)鏈更簡單，可大大降低客戶的風(fēng)險。”祝臻補(bǔ)充道，“ADI還提供獲得了評估許可的煙室以解決環(huán)境光、灰塵、昆蟲等影響，并完全適用于ADPD188BI的集成光電器件使用反向散射系統(tǒng)。”值得一提的是，ADI還開發(fā)了煙霧探測器參考設(shè)計(jì)以及完整參考算法，包括經(jīng)過設(shè)計(jì)和測試的UL 217測試數(shù)據(jù)設(shè)置和算法以滿足UL要求，從而加快客戶開發(fā)周期，降低成本和項(xiàng)目風(fēng)險。

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本文總結(jié)

據(jù)智研咨詢數(shù)據(jù)，2019年中國消防行業(yè)市場規(guī)模突破3500億元，預(yù)計(jì)2022年市場規(guī)模將達(dá)到4465億元。同時根據(jù)國務(wù)院相關(guān)的通知，鼓勵應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，提高防火預(yù)測及信息獲取等能力，初步估算，未來5年全國的煙感器安裝規(guī)模有望達(dá)到7億?！拔蚁嘈烹S著生活水平的提高，這種新型煙感能夠提高報警精準(zhǔn)度、減低誤報率，從根本上解決現(xiàn)有煙感的痛點(diǎn)，有效保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，在當(dāng)前及未來正面臨一個非常廣闊的市場。”祝臻強(qiáng)調(diào)到。
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