01 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。煙霧探測器內置有煙霧傳感裝置，能夠探測火災產生的煙霧并發出警報。目前市面上存在兩種類型的煙霧傳感器—電離型和光電型。

電離型產品使用放射性物質使空氣電離并檢查電荷不平衡狀態來報警。光電型產品使用光電探測器向某個角度發射光源，光從空氣顆粒反射到光電二極管，在光電探測器中產生可以被檢測的電流。兩種方案各有優缺點，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，煙霧探測器的技術和法規幾乎沒變。新修訂的標準，例如由美國保險人實驗室（UL）發布的新的修訂標準也只是對現代煙霧探測器設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（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。

例如，除了傳統的火災和煙霧敏感度測試外，最新版本的UL-217標準現在還要求煙霧探測器在烹飪等過程中不要產生令人討厭的誤報。因此，現代煙霧探測器必須能夠區分烹飪和火災。傳統上，這需要結合多種傳感器技術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。

02 采用ADPD188BI的煙霧探測參考設計

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。CN0537 UL-217煙霧探測器參考設計用于演示煙霧/火災檢測應用中ADPD188BI集成光學模塊的使用情況。使用ADPD188BI代替傳統的分立式煙霧探測器電路可大大簡化設計，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。該模塊尺寸只有3.8mm x 5mm x 0.9mm，高性能AFE提供了高環境光抑制能力，并能夠降低功耗以延長電池壽命。

由于煙霧探測器經常用于電池供電設備，因此參考設計可最大限度地減少傳感器所需的數據以及每次確定報警所需的計算量。該設計使ADPD188BI能夠輸出較少數據，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2-3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計電路。圖2是CN-0537參考設計的功能框圖。圖3是參考設計開發板—EVAL-CN0537-ARDZ。

圖2：CN-0537功能框圖（圖源：ADI/）

ADPD188BI可以通過SPI接口或I2C接口與外部設備通信；EVAL-CN0537-ARDZ開發板上預留了這兩種接口，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。

在煙室內靠近ADPD188BI的位置有一片溫濕度傳感器SHT30。ADPD188BI的全環響應受環境溫度影響很大，為了確定相對響應的值，需要有實時測量環境溫度的能力。溫濕度傳感器監視腔室內ADPD188BI旁邊的狀況，從而在算法中對ADPD188BI輸出作溫度補償。

開發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，該設計與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數據。EVAL-CN0537-ARDZ設計結構說明如圖6所示。

圖6：EVAL-CN0537-ARDZ設計結構說明（圖源：ADI ）該參考設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開發板來測試一下該方案。

03 測試方案

硬件準備

EVAL-CN0537-ARDZ

EVAL-ADICUP3029

MicroSD卡

MicroUSB數據線

帶有USB接口的PC

軟件準備

ADuCM3029_demo_cn0537.hex

硬件連接

將EVAL-CN0537-ARDZ開發板通過Arduino接口的排針與EVAL-ADICUP3029開發板連接。

EVAL-CN0537-ARDZ開發板上有MicroSD接口，插入一個MicroSD卡用于存儲采樣數據。

使用MicroUSB數據線連接EVAL-ADICUP3029開發板的USB口和PC，由于EVAL-ADICUP3029板上有調試器，因而在電腦上會顯示一個名為DAPLink的U盤，這是ARM Mbed生態下的一款開源調試器，除了可以下載調試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。

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，該示例可以實現傳感器數據讀取、顯示、算法處理、數據存儲、簡單的人機交互等多種功能。首先我們前往下載鏈接，點擊“Smoke detector demo .hex file and copyrights”下載aducm3029_demo_cn0537_hex.zip文件。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據和交互我們打開putty，配置port為DAPLink的COM號，波特率設為115200，注意一定要勾選Implicit CR in every LF和Implicit LF in every CF

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，顯示如圖9所示：

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 “h” 可以查看所有功能。我們輸入“s”，這時開啟煙霧檢測功能，并每隔1s讀取一次檢測值。

當點燃一支香煙靠近煙室時，系統會檢測到火災事件并報警提示，同時在終端中打印“--- 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，系統并不會報警。可見，該參考設計可以區分出煙火和霧氣，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。

04 ADPD188BI檢測原理

在上面的測試中，該套件提供的方案能實現煙霧檢測報警的功能，這都是ADPD188BI的功勞。

為了執行煙霧檢測，ADPD188BI利用雙波長技術：兩個集成的LED發出兩種不同波長的光；一個在470nm（藍光）下，另一個在850nm（紅外光）下。這些LED在兩個獨立的時隙中被脈沖化，并且傳輸的光被空氣中的顆粒物散射回設備上。

然后，兩個集成的光電探測器接收散射的光并產生成比例的輸出電流，該電流在AFE內轉換成數字代碼。假設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對不同類型的火災和煙霧做出響應。

此算法是為ADPD188BI傳感器陣列專門設計的，旨在根據UL-217規范的規定檢測火災狀況，同時盡可能地減少功耗。算法本身通過一個大數據集進行了調整和驗證，該數據集是在表1定義的所有測試場景中從許多ADPD188BI器件捕獲到的。測試是在經過認證的專門提供UL-217測試環境的設施進行的。這些數據集包括參考測量結果，以便了解不同煙霧源下的傳感器性能和報警條件。

表1：火災情況和要求

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

05 總結

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，代替傳統的分立式煙霧探測器電路，大大簡化了硬件設計。

采用CN0537電路的EVAL-CN0537-ARDZ評估板是一塊簡單易上手的參考設計，除了極具參考價值的硬件設計之外，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。參考設計中將ADPD188BI模塊安裝在專門設計用于滿足器件和行業要求的專有煙室中，搭配EVAL-ADICUP3029開發平臺使用時，采用經過測試和驗證的UL-217煙霧探測算法，用戶可以評估UL 217標準中包括各種規定，比如減少誤報，區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。

原文標題：NPI視頻第一期 | 聰明的煙霧探測器

文章出處：【微信公眾號：貿澤電子】歡迎添加關注！文章轉載請注明出處。

責任編輯：haq