• 正文
  • 相關(guān)推薦
申請入駐 產(chǎn)業(yè)圖譜

聰明的煙霧探測器參考設(shè)計

2021/05/06
207
加入交流群
掃碼加入
獲取工程師必備禮包
參與熱點資訊討論

一、煙霧探測器新標準
在商場、賓館、住宅等場所的天花板上隨處可見煙霧探測器的白色身影，煙霧探測器內(nèi)置有煙霧傳感裝置，能夠探測火災產(chǎn)生的煙霧并發(fā)出警報，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，使用放射性物質(zhì)使空氣電離并檢查電荷不平衡狀態(tài)來報警。 光電型，使用光電探測器向某個角度發(fā)射光源，光從空氣顆粒反射到光電二極管，在光電探測器中產(chǎn)生可以被檢測的電流。兩種方案各有優(yōu)缺點，安全可靠的做法當然是使用兩種類型的組合解決方案。其實光電煙霧探測器在檢測普通房屋火災時更可靠，并且對陰燃火災的響應(yīng)時間更快，所以光電式更加受歡迎且足以勝任大部分火災檢測情況。
自1970年代以來，煙霧探測器的技術(shù)和法規(guī)幾乎沒變。新修訂的標準，例如由美國保險人實驗室(UL)發(fā)布的新的修訂標準也只是對現(xiàn)代煙霧探測器設(shè)計提出了更復雜的要求，ANSI/UL-217和ANSI/UL-268，或者由國家消防機構(gòu)(NFPA)發(fā)布的NFPA? 72 國家火災報警規(guī)范，都旨在通過對現(xiàn)代煙霧探測器設(shè)計提出更復雜的要求來解決這些差距。

例如，除了傳統(tǒng)的火災和煙霧敏感度測試外，最新版本的 UL-217 標準現(xiàn)在還要求煙霧探測器在烹飪等過程中不要產(chǎn)生令人討厭的誤報。因此，現(xiàn)代煙霧探測器必須能夠區(qū)分烹飪和火災。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，解決方案聽上去有些復雜，但是ADPD188BI的出世極大地簡化了解決方案。

二、采用 ADPD188BI 的煙霧探測參考設(shè)計
ADPD188BI 光學模塊是一套專門進行煙霧探測的完整光電測量系統(tǒng)。CN0537 UL-217煙霧探測器參考設(shè)計用于演示煙霧/火災檢測應(yīng)用中ADPD188BI集成光學模塊的使用情況。使用 ADPD188BI 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分立式煙霧探測器電路可大大簡化設(shè)計，因為光電元件（由兩個 LED 和兩個光電探測器組成）和模擬前端 (AFE) 已集成到同一個封裝中。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，并降低功耗以延長電池壽命。

由于煙霧探測器經(jīng)常用于電池供電設(shè)備，因此參考設(shè)計可最大限度地減少傳感器所需的數(shù)據(jù)以及每次確定報警所需的計算量。該設(shè)計使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LED有助于減少蒸汽和灰塵引起的誤報。這些器件采用定制化封裝，來防止光線未通過煙霧檢測室而從LED直接射入光電二極管。

圖1. ADPD188BI封裝示意圖 來源ADI官網(wǎng) www.analog.com

下圖所示是ADI推出的基于 ADPD188BI 光學模塊的 UL-217標準煙霧探測器參考設(shè)計電路。圖2是CN-0537參考設(shè)計的功能框圖。圖3是參考設(shè)計開發(fā)板—EVAL-CN0537-ARDZ。

圖2.CN-0537功能框圖 ?來源ADI/reference-designs/circuits-from-the-lab/cn0537

圖3. EVAL-CN0537-ARDZ參考設(shè)計開發(fā)板 ?來源ADI WiKi circuits-from-the-lab/cn0537

EVAL-CN0537-ARDZ設(shè)計非常簡潔，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。
用戶通過貿(mào)澤電子的ECAD平臺，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 ?來源componentsearchengine.com/part-view/ADPD188BI-ACEZRL

ADPD188BI可以通過SPI接口或I2C接口與外部設(shè)備通信，在EVAL-CN0537-ARDZ開發(fā)板上預留了這兩種接口，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，板子默認是SPI接口通信的。

圖5. ADPD188BI 通信接口選擇SPI/I2C 來源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，為了確定相對響應(yīng)的值，需要有實時測量環(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ADPD188BI輸出作溫度補償。

開發(fā)板上還集成了一個蜂鳴器、一個指示燈和一個用戶按鍵。為了方便快速地進行原型開發(fā)，該設(shè)計與Arduino尺寸控制器平臺兼容，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)計結(jié)構(gòu)說明如圖6所示。

圖6. EVAL-CN0537-ARDZ設(shè)計結(jié)構(gòu)說明

該參考設(shè)計方案還提供了包括用于煙霧檢測的自定義算法，該算法針對新 ANSI/UL-217 第八版標準中指定的煙霧和火災測試進行了評估。
下面我們使用EVAL-CN0537-ARDZ提供的”煙霧檢測示例“，搭配ADI EVAL-ADICUP3029開發(fā)板，測試一下該方案。

三、測試方案
1、硬件準備：

  • EVAL-CN0537-ARDZ
  • EVAL-ADICUP3029
  • MicroSD卡
  • MicroUSB數(shù)據(jù)線
  • 帶有USB接口的PC

2、軟件準備

  • ADuCM3029_demo_cn0537.hex

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


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

EVAL-CN0537-ARDZ開發(fā)板上有MicroSD接口，插入一個MicroSD卡用于存儲采樣數(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，在電腦上會顯示一個名為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可以通過虛擬串口向PC終端打印字符。

4、演示示例：
EVAL-CN0537-ARDZ評估套件提供了一個極具參考價值的煙霧檢測示例，該示例可以實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)讀取、顯示、算法處理，數(shù)據(jù)存儲，簡單的人機交互等多個功能。

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，這時調(diào)試器會自動將程序下載到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，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

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


圖9. 演示示例的軟件交互

該演示程序可以通過輸入字符進行交互，輸入字符“h”可以查看所有功能，我們輸入字符“s”，這時開啟煙霧檢測功能，并每隔1s讀取一次檢測值。

圖10. 煙霧報警示例采樣過程

當點燃一支香煙靠近煙室時，系統(tǒng)會檢測到火災事件，系統(tǒng)報警提示，在終端中打印“--- ALARM RAISED”，板上蜂鳴器開始響，藍色的LED會亮。按下EVAL-CN0537-ARDZ開發(fā)板上的S1按鍵，可以消除警報。

當我們使用噴霧裝置對板子噴霧時，系統(tǒng)并不會報警，可見，該參考設(shè)計可以區(qū)分出煙火和霧氣，減少誤報，提高了火災報警的精度，而這正是UL-217 標準中要求的減少誤報。


圖11. 檢測到煙火情況系統(tǒng)報警

四、ADPD188BI 檢測原理
在上面的測試中，該套件提供的方案之所以能實現(xiàn)煙霧檢測報警的功能都是ADPD188BI的功勞。
為了執(zhí)行煙霧檢測，ADPD188BI 利用雙波長技術(shù)：兩個集成的 LED 發(fā)出兩種不同波長的光； 一個在 470 nm（藍光）下，另一個在 850 nm（紅外光）下。這些 LED 在兩個獨立的時隙中被脈沖化，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，兩個集成的光電探測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 輸出值隨時間的增加表明空氣中顆粒的增加或積聚。UL-217標準要求檢測器在特定的時間窗口和遮蔽范圍內(nèi)對不同類型的火災和煙霧做出響應(yīng)。
此算法是為ADPD188BI傳感器陣列專門設(shè)計的，旨在根據(jù)UL-217規(guī)范的規(guī)定檢測火災狀況，同時盡可能地減少功耗。算法本身通過一個大數(shù)據(jù)集進行了調(diào)整和驗證，該數(shù)據(jù)集是在表1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)過認證的專門提供UL-217測試環(huán)境的設(shè)施進行的。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警條件。

CN-0537參考設(shè)計是通過煙霧檢測算法分析ADPD188BI的藍光和紅外光(IR)輸出數(shù)據(jù)，從而滿足上述要求。

五、總結(jié)
針對 UL-217煙霧探測器的新標準，Analog Devices Inc. 推出的CN0537煙霧探測器參考設(shè)計采用了ADPD188BI光學模塊，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)的分立式煙霧探測器電路，大大簡化了硬件設(shè)計。

采用CN0537電路的EVAL-CN0537-ARDZ評估板是一塊簡單易上手的參考設(shè)計，除了極具參考價值的硬件設(shè)計之外，還提供了適用于UL-217煙霧探測器的新標準的算法解決方案，參考設(shè)計中將ADPD188BI模塊安裝在專門設(shè)計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)平臺使用時，采用經(jīng)過測試和驗證的UL-217煙霧探測算法，用戶可以評估UL 217標準中包括各種規(guī)定，比如減少誤報，區(qū)分快速運動火災和燜燒火災之間的煙霧特性等，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——帶干擾檢測功能的UL-217煙霧探測器模塊
5. Analog Devices Inc. 用于煙霧檢測的集成光學模塊ADPD188BI

相關(guān)推薦