烟感应用走入智慧时代，双波长光学烟雾检测模块实现精准检测

由 winniewei 提交于周五, 16 七月 2021 - 09:47

随着5G、物联网等应用落地，智慧城市的建设正逐渐提速。多个城市在最新的“十四五”规划中指出，将加快智慧城市、新基建等规模部署，推进新技术等基础设施建设，推动传统基础设施升级，建设新一代信息基础设施体系。包括北京、上海、深圳等在内的31个省市相继发布了相关规划及政策。


作为保障人民生命财产安全的重要一环，智慧烟感在智慧城市的建设中占据了不可或缺的地位。智慧烟感可以实时定位火情发生地，不论何处发生火情，城市管理平台可第一时间接收到报警信息，调度物业、消防及时扑救，极大地保护人们的生命财产安全。较传统烟感而言，智慧烟感想要应用在智慧城市中，需要一个大前提——减少误报率。


精准识别烟雾类型是实现智慧烟感的关键


在现有的烟雾探测方案中，大多数都采用能够更快处理阴燃的光电式烟雾探测器。典型的光电式烟雾报警器由探测器、微控制器，以及扬声器、LED指示灯或一氧化碳传感器等其他元件组成。烟雾报警器中的基准测量遵循所谓的减光原理，如图1的原理图所示。测量光源(L)和探测器(D)之间因存在颗粒而导致的暗光或消光，然后使用新的UL法规进行评估。


<img src="http://www.eetrend.com/files/2021-07/wen_zhang_/100114538-212782-162639…; />


图1. 基准测量


经典烟雾报警器以离散方式设计，并通过向前散射发挥作用，其中特定波长的 LED 光（通常在红外范围内）被粒子散射到光电二极管上。如图2所示，LED和光电二极管之间的距离通常是几厘米。


<img src="http://www.eetrend.com/files/2021-07/wen_zhang_/100114538-212783-162639…; />


图2. 具有红外LED的向前散射系统。


但是根据这种原理进行测量的烟雾探测器普遍存在缺陷，以至于不能应用在智慧烟感中——单色 LED的发射器会使区分不同的粒子变得更困难，因此会导致更高的误报率，当智慧城市的指挥中心收到火灾报警信息但无法区分哪个才真实有效的时候，无疑会造成管理上的极大麻烦和潜在隐患。此外，传统方案下的烟感离散范围很大，功耗高，不利于后期维护。


双波长技术满足烟雾报警遮蔽要求


擅长信号链技术的高性能半导体技术提供商ADI创建了这样一种方案：完全集成烟雾探测器模块——ADPD188BI，这是专为烟雾检测应用而设计的完整光电式测量系统。用ADPD188BI代替传统的分立式烟雾检测器电路可大大简化设计，因为光电子器件（由两个LED和两个光电检测器组成）和模拟前端(AFE)已集成到同一个封装中。


为了进行烟雾检测，ADPD188BI采用双波长技术，两个集成LED发出两种不同波长的光：一种为470 nm（蓝光），另一种为850 nm（红外光）。这些LED在两个独立的时隙中发出光脉冲，发射的光被空气中的颗粒物散射回器件上。 然后，两个集成的光电检测器接收散射的光并产生成比例的输出电流，该电流在内部由AFE转换成数字码。假设LED光功率保持恒定，如果ADPD188BI输出值随时间而增大，则表明空气中的颗粒物在增加或聚积。


<img src="http://www.eetrend.com/files/2021-07/wen_zhang_/100114538-212784-162639…; /> 



图3. ADPD188BI LED光的反向散射。


采用这种双波长技术，ADPD188BI可以满足最新版UL-217的严苛标准，精准识别出是否由火灾发生。UL-217标准要求检测器在特定的时间窗口和遮蔽范围内对不同类型的火灾和烟雾做出响应。图4中的参考设计通过烟雾检测算法分析ADPD188BI的蓝光和红外光(IR)输出数据，从而满足上述要求。 


<img src="http://www.eetrend.com/files/2021-07/wen_zhang_/100114538-212785-162639…; /> 



图4. 火灾情况和要求。


此算法是为ADPD188BI传感器阵列专门设计的，旨在根据UL-217规范的规定检测火灾状况，同时尽可能地减少功耗。算法本身通过一个大数据集进行了调整和验证，该数据集是在上表定义的所有测试场景中从许多ADPD188BI器件捕获到的。测试是在经过认证的专门提供UL-217测试环境的设施进行的。这些数据集包括参考测量结果，以便了解不同烟雾源下的传感器性能和报警条件。该算法能减少传感器需要提供的数据以及每次报警判断所需的计算量，采用该种算法后ADPD188BI可以输出较少的数据，从而节省电力并减少微控制器的功耗周期，但仍符合严格的UL-217规范，对于往往使用电池供电的智慧烟感来说，更低的电池消耗无疑能够大大延长其使用寿命，减少维护成本。


全新烟室设计进一步提升识别精度


市面上的大多数烟雾检测器解决方案使用烟室来帮助抑制环境光，减少内部光污染，并使昆虫或蜘蛛干扰读数的风险尽可能降低。对于ADPD188BI，使用烟室会引起一个恒定的背景信号出现在读数中，这是由烟室表面的光散射所致。至关重要的是，背景信号水平必须接近或低于报警阈值，以避免读数出现重大误差。


ADPD188BI使用ADI公司专有烟室，该烟室专门设计用于满足器件和行业要求。此烟室的内部几何形状支持获得更高信噪比(SNR)读数，从而获得ADPD188BI的更优PTR值。


<img src="http://www.eetrend.com/files/2021-07/wen_zhang_/100114538-212786-162639…; /> 



图5. ADPD188BI和烟室。


电路设计的另一个考虑因素是冷凝对ADPD188BI读数的影响。腔室内表面可能会形成露水和冷凝水，从而导致光散射。对系统而言，这种光散射表现为烟雾。在较湿润的热带地区，经常有冷凝水形成，这种光散射的问题尤其严重。


为了减轻冷凝的影响，光模块周围放置有加热电阻，其会散发足够的热量，在需要时可抑制露水的形成。为此目的选择电阻时，需要在期望温升与从电源汲取的电流之间折衷。


请注意，此加热模块会显著增加设计所需的总系统功耗。使用较低电阻值会产生更多热量，但会消耗更多的电源电流。对于电池供电系统，它还会导致电池寿命缩短，设计时必须作为额外因素加以考虑。


在ADPD188BI的配套参考设计中往往使用三个25 Ω电阻的并联组合，由此会导致温度升高10°C至20°C。晶体管开关允许微控制器板通过脉冲宽度调制(PWM)输出或通用输入/输出(GPIO)引脚激活加热电路模块。


<img src="http://www.eetrend.com/files/2021-07/wen_zhang_/100114538-212787-162639…; /> 



图6. ADPD188BI参考设计。


小结


根据IDC发布的《全球智慧城市支出指南》显示，中国智慧城市市场支出规模2020年达到259亿美元，同比增长12.7%，高于全球平均水平。ADI的新型集成光学烟雾检测模块ADPD188BI是一款高度灵敏的集成传感器模块，不仅具备高信噪比、支持双色检测，还可通过UL新的测量系统，满足未来对安全性、成本和可靠性的所有要求，可快速应用于智慧烟感中，为智慧城市的建设添砖加瓦。