近日，《關于加快發展數字家庭提高居住品質的指導意見》發布，明確指出對新建全裝修住宅要求戶內設置火災自動報警設備在內的樓宇對講、入侵報警、火災自動報警等基本智能消防產品要求。住建部在幾天后還公布了一則相關通知，宣布在北京、廣州等31個市縣開展既有建筑改造利用消防設計審查驗收試點，旨在創新適應城市更新過程中既有建筑改造利用的建設工程消防設計審查驗收工作機制，探索既有建筑改造利用消防設計審查驗收管理簡化優化路徑，形成可復制可推廣的經驗。本文探討當前消防應用中關鍵的煙霧探測器解決方案存在的不足，分析基于ADI公司創新的雙光源傳感器模擬前端的集成化解決方案ADPD188BI的系統設計方法。

半個世紀的煙霧探測進化史

從20世紀70年代開始，煙霧探測器已被廣泛用于商用和住宅建筑中。如今，探測器主要分為兩類，一是電離類型，使用放射性物質來電離空氣，然后檢測電荷不平衡；二是光電類型，使用光電探測器對某個角度發射的光源，并檢測從大氣塵粒反射到光電二極管的光所引起的光電探測器電流。盡管推薦使用這兩種類型的解決方案的組合，但人們更愿意使用光電煙霧探測器，因為它在探測常見的房屋火災時更可靠，且能夠更快處理陰燃火。

遺憾的是，自20世紀70年代以來，電子和常用的家居建材取得了長足發展，但煙霧探測器技術和規范幾乎未發生任何變化。對標準的新修訂，例如由美國保險人實驗室（UL）發布的ANSI/UL-217和ANSI/UL-268，或者由國家消防機構（NFPA）發布的NFPA? 72 國家火災報警規范，都旨在通過對現代煙霧探測器設計提出更復雜的要求來解決這些差距。

模擬測試，水蒸氣導致傳統方案很快報警，而雙光檢測方案沒有出現誤報

例如，除了傳統的火災和煙霧探測靈敏度測試之外，更新版的UL-217標準現在還要求煙霧探測器不會在發生干擾事件時發出誤警報，比如在做飯時。所以，現代的煙霧探測器必須能夠區分烹飪干擾事件和火災事件。

這些新標準的目標是：通過減少日常活動中產生的誤警報次數來提高安全性和減少火災死亡人數。一個有很多人的大型建筑物中，疏散成本非常高，當然誤報導致用戶主動禁用的危險成本更高。因此，這些新法規的重點是每種類型的煙霧檢測都要使滋擾警報接近0，這意味著需要更好的煙霧檢測。另外還要更清楚地識別出煙霧類型。

雙光源解決傳統探測機理下的誤報隱患

典型煙霧探測器中使用的大致可以歸結為兩類：電離和光電。電離實際上就是使用兩片極板，兩個極板之間存在壓差。還有一個輻射源，它使空氣離子化，允許電流從一個電極流到另一電極。這個電流是恒定的，它在空氣中總是存在，它很少發生變化，微小的變化沒有任何意義。但是，當煙霧源進入腔室并開始與從一個電極傳播到另一個電極的離子鍵合時，該電流就會中斷。電流的中斷在某種程度上等效于煙霧探測器外部發生的煙霧源或煙霧事件，此時它會報警。

電離煙霧探測器非常適合檢測快速燃燒的火災，例如紙火、柴火或某些合成材料著火。現在通常使用的是第二種技術——光電類型。傳統上，這些方法對于緩慢燃燒的火災，行業稱之為陰燃的火災非常有用。如何避免類似烹飪煙霧導致誤報，傳統的解決方案的監測機理成了明顯的短板。為此，UL新增一項測試，即漢堡包煙霧干擾報警測試。在該測試中，必須能夠區分漢堡包肉餅產生的煙霧濃度和易燃聚氨酯產生的煙霧度。這項測試有助于降低廚房的誤報率。

這種漢堡包煙霧干擾測試旨在復制真正的烹飪煙霧。漢堡包煙霧干擾報警測試的概念很簡單，但即使是現代煙霧報警器也面臨著一個挑戰：漢堡肉餅需要煎烤一定的時間。在這個過程中，會檢查確認煙霧報警器是否由上升的煙霧（在一定的時限 內開始上升）觸發。這也是一項標準化測試，所以可以在完全相同的條件下對所有煙霧報警器進行測試。

為了進行煙霧檢測，ADPD188BI采用雙波長技術，兩個集成LED發出兩種不同波長的光：一種為470 nm（藍光），另一種為850 nm（紅外光）。這些LED在兩個獨立的時隙中發出光脈沖，發射的光被空氣中的顆粒物散射回器件上。然后，兩個集成的光電檢測器接收散射的光并產生成比例的輸出電流，該電流在內部由AFE轉換成數字碼。假設LED光功率保持恒定，如果ADPD188BI輸出值隨時間而增大，則表明空氣中的顆粒物在增加或聚積。

雙色光ADPD188BI芯片封裝結構圖

ADPD188BI光學模塊是專為煙霧檢測應用而設計的完整光電式測量系統。用ADPD188BI代替傳統的分立式煙霧檢測器電路可大大簡化設計，因為光電子器件和模擬前端（AFE）已集成到同一個封裝中。該模塊集成了高效光度學前端、兩個發光二極管 （LED） 和兩個光電二極管 （PD）。這些器件密封在自定義封裝中，可防止 LED 發出的光線在進入煙霧探測腔之前直接照射到光電二極管。ADPD188BI的前端包含一個控制塊、一個配備 20 位脈沖蓄能器的 14 位模數轉換器 （ADC） 和三個可獨立控制的靈活 LED 驅動器。控制電路包括靈活的 LED 信號傳遞和同步檢測功能。模擬前端 （AFE） 具有抑制調制干擾導致信號失調和破壞（通常由環境光所致）的一流特性。

基于ADPD188BI光學模塊的UL-217煙霧探測器參考設計

消防無小事，煙霧探測走向高可靠時代

當前煙霧探測標準新推出的漢堡包煙霧干擾測試很難通過，因為煎烤漢堡肉餅時產生的煙霧顆粒與正常的煙霧顆粒差別不大。所以，煙霧傳感器需要具備高信噪比，以區分漢堡肉餅產生的煙霧和其他類型的煙霧。在這個過程中，傳感器之間的低差異具有決定性的作用。只有可靠地完成測量并通過測試，才能減少最終應用中的煙霧傳感器誤報。

當傳統的解決方案面對應用出現短板，另辟蹊徑是出路，ADPD188BI的雙波長光源支持雙色檢測，是一款高度靈敏的集成傳感器模塊，不僅具備高信噪比，還能充分減少器件之間的差異，從而簡化了設計和算法開發。ADI在2020年11月發布了基于ADPD188BI的，有助于快速實現小尺寸、低功耗煙霧探測器原型設計的參考設計和算法，能使煙霧探測器以更低的成本更快推向市場。新發布的CN0537可降低設計風險，并已經過測試和驗證，符合UL 217煙霧報警器標準（第8版）。

該參考設計采用ADI的ADPD188BI高性能光學傳感器內核，并配合使用精密煙霧腔，以減少誤報。該考設計通過UL 217（第8版）測試和驗證的煙霧與火災探測算法；提供用于算法開發的數據包，包括通過UL-217認證設備獲取的超過1，000個煙霧數據集，并提供數據預處理、初始化、校準和環境補償源代碼的軟件。采用Arduino外形尺寸的煙霧探測器參考設計，用于快速原型設計和開發，而且低功耗硬件設計和計算復雜度較低的算法，幫助延長電池壽命，縮減電池尺寸和成本。