聰明的煙霧探測(cè)器參考設(shè)計(jì)

一、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(lèi)型的煙霧傳感器—電離型和光電型。

電離型，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，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(lèi)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。

二、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(zhuān)門(mén)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。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1. ADPD188BI封裝示意圖 來(lái)源ADI官網(wǎng) www.analog.com

下圖所示是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(kāi)發(fā)板—EVAL-CN0537-ARDZ。

圖2.CN-0537功能框圖 ?來(lái)源ADI/reference-designs/circuits-from-the-lab/cn0537

圖3. EVAL-CN0537-ARDZ參考設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)板 ?來(lái)源ADI WiKi circuits-from-the-lab/cn0537

EVAL-CN0537-ARDZ設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)潔，核心設(shè)備是右側(cè)的ADPD188BI傳感器模塊和煙室，ADPD188BI位于煙室內(nèi)部，封裝非常緊湊。
用戶(hù)通過(guò)貿(mào)澤電子的ECAD平臺(tái)，可以下載到第三方提供的ADPD188BI的原理圖、PCB封裝和3D模型。

圖4. ADPD188BI的ECAD模型 ?來(lái)源componentsearchengine.com/part-view/ADPD188BI-ACEZRL

ADPD188BI可以通過(guò)SPI接口或I2C接口與外部設(shè)備通信，在EVAL-CN0537-ARDZ開(kāi)發(fā)板上預(yù)留了這兩種接口，如圖5 所示板子左上角，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。

圖5. ADPD188BI 通信接口選擇SPI/I2C 來(lái)源ADI WiKi circuits-from-the-lab/cn0537

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(kāi)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(hù)按鍵。為了方便快速地進(jìn)行原型開(kāi)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

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(kāi)發(fā)板，測(cè)試一下該方案。

三、測(cè)試方案
1、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

2、軟件準(zhǔn)備

• ADuCM3029_demo_cn0537.hex

3、硬件連接
將EVAL-CN0537-ARDZ開(kāi)發(fā)板通過(guò)Arduino接口的排針與EVAL-ADICUP3029開(kāi)發(fā)板連接

圖7. EVAL-CN0537-ARDZ與EVAL-ADICUP3029通過(guò)Arduino接口連接

EVAL-CN0537-ARDZ開(kāi)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(kāi)發(fā)板的USB口和PC，由于EVAL-ADICUP3029板上有調(diào)試器，在電腦上會(huì)顯示一個(gè)名為DAPLink的U盤(pán)，這是ARM Mbed生態(tài)下的一款開(kāi)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。

4、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)交互等多個(gè)功能。

首先我們從ADI eval-adicup3029/reference_designs/demo_cn0537下載文件：“Smoke detector demo software .hex file”，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(pán)，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(kāi)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

圖8. 串口終端參數(shù)配置

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

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，輸入字符“h”可以查看所有功能，我們輸入字符“s”，這時(shí)開(kāi)啟煙霧檢測(cè)功能，并每隔1s讀取一次檢測(cè)值。

圖10. 煙霧報(bào)警示例采樣過(guò)程

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，系統(tǒng)報(bào)警提示，在終端中打印“--- ALARM RAISED”，板上蜂鳴器開(kāi)始響，藍(lán)色的LED會(huì)亮。按下EVAL-CN0537-ARDZ開(kāi)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，可見(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)。

圖11. 檢測(cè)到煙火情況系統(tǒng)報(bào)警

四、ADPD188BI 檢測(cè)原理
在上面的測(cè)試中，該套件提供的方案之所以能實(shí)現(xiàn)煙霧檢測(cè)報(bào)警的功能都是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 470 nm（藍(lán)光）下，另一個(gè)在 850 nm（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。

?圖12. ADPD188BI LED光的反向散射

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(lèi)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(zhuān)門(mén)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(zhuān)門(mén)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。

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。

五、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(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于滿足器件和行業(yè)要求的專(zhuān)有煙室中，搭配EVAL-ADICUP3029開(kāi)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(hù)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。

參考資料
1.https://www.analog.com/cn/products/adpd188bi.html?ADICID=PRLS_CN_P104025#product-overview
2. https://www.analog.com/en/design-center/reference-designs/circuits-from-the-lab/cn0537.html#rd-overview
3. https://wiki.analog.com/resources/eval/user-guides/eval-adicup3029/reference_designs/demo_cn0537
4. Analog Devices Inc. 電路筆記CN0537——帶干擾檢測(cè)功能的UL-217煙霧探測(cè)器模塊
5. Analog Devices Inc. 用于煙霧檢測(cè)的集成光學(xué)模塊ADPD188BI