找一个“靠谱儿”的烟雾探测器方案,难不难?

安全,应该说是人们生活中最“硬核”的刚需。很多安全设备平日里几乎是“透明”的,大家感觉不到它们的存在,而一旦遇到事儿,它们却必须能够派上用场,颇有些“养兵千日,用兵一时”的味道。因此,如何能够保证这些安全设备靠得住,关键时刻不掉链子,尤为重要。

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烟雾探测器就是这样一种典型的安全设备,它通过感测物品燃烧所散发的烟雾,及时对火灾进行报警,以保护人身和财产的安全。

早期的烟雾探测器是一种电离系统,它的工作原理是在两个导电板之间掺加少量放射性材料,对空气进行离子化,使得电流流动,当烟雾进入探测器的腔室时,会造成电流流动的减少,由此触发警报。由于这种探测器需要等到烟雾扩散到探测器腔室时才能感应到,不利于及时发现萌发初期的火情,所以很多国家都已经禁止使用电离式的烟雾探测器。

为了规避电离式探测器的弊端,现在主流的烟雾探测器采用的大都是光电模式。其原理是探测器通过LED发射一个光信号,如果周边环境中有烟雾,会将LED光折射到探测器中的光电二极管,由于烟雾中的颗粒会对光信号造成散射和衰减,比较发射端和接收端光信号的变化即可对烟雾进行探测。显然与电离模式相比,光电模式的烟雾探测器更为“主动”,能够获得更大的火灾预警提前量。

“图1:典型的光电模式烟雾探测器架构(图源:ADI)”
图1:典型的光电模式烟雾探测器架构(图源:ADI)

烟雾探测器的挑战

依照光电模式的原理,人们设计的典型烟雾探测器通常是一个包括LED、光电二极管、微控制器、模拟信号链、扬声器,以及其他相关传感器的系统。不过在使用中,这种传统的光电烟雾探测器也逐渐暴露出了自身的一些弱点,主要包括:

1、易误报

传统的光电烟雾探测器准确度不够高,难于区分烟雾中的不同粒子类型,厨房烹饪产生烟雾或者浴室的蒸汽都可能触发误报,频繁的误报可能会使用户将探测器关闭,这无疑是危险的——据统计,在安装了烟雾探测器的建筑物内,有23%的火灾死亡是在烟雾探测器未工作或因频繁误警而被禁用的情况下发生的。因此新的法规中,针对烟雾探测器对不同粒子的“辨识”能力提出了更高的要求,比如需要能够区别出汉堡包烤焦和聚氨酯燃烧所产生烟雾之间的细微差别。

2、体积大

由于大多是基于分立元器件方案,所以传统的光电烟雾探测器外形比较大。而在未来的智能楼宇和家居中,使用的电子设备越来越多,有时候还需要将烟雾探测功能集成到其他楼宇控制系统中——如与疏散或紧急照明系统集成在一起——这时候,小尺寸就成了一个更关键的因素。

3、功耗高

这对于越来越多的具备低功耗无线物联网功能的应用来说,显然是一个硬伤。高功耗也意味着需要更频繁地更换电池,会增加系统运维成本。

4、部署难

烟雾探测系统的应用,不可避免地需要大量校准工作,同时在开发、安装、维护中,还要考虑到其他配套组件的因素,这都增加了系统部署的复杂性和难度。

对照上述这些传统光电烟雾探测系统的“短板”,我们不难描绘出一个适应当下及未来需要、更“靠谱儿”的烟雾探测器的样子,它应该具备下面这些特性:

  • 更高的性能,可以有效降低误报频率

  • 更紧凑的外形,既美观又便于与其他功能和系统集成

  • 更低功耗,免去频繁更换电池的麻烦

  • 更完备的配套开发工具和组件,简化开发和维护工作,降低使用门槛

  • 符合最新的法规要求

    ……

ADI解决方案

这样的解决方案好不好找?想要满足上述的要求,既需要方案设计者有深厚的技术功底,还要对应用需求、安全法规有透彻的了解,确实不容易。不过尽管有难度,能够符合上面这些设计需求的光电烟雾探测器方案,最终还是被我们找到了!这就是Analog Devices(ADI)的ADPD188BI集成光学模块。ADPD188BI通过新的测量系统,满足未来对安全性、成本和可靠性的所有要求。

“图2:ADPD188BI集成光学模块(图源:ADI)”
图2:ADPD188BI集成光学模块(图源:ADI)

ADPD188BI是一个外形非常紧凑的高度集成的系统,在一个3.8mm x 5mm x 0.9mm的定制化封装中,集成了一套完整的双波长烟雾探测光电测量系统的信号链,包括一个模拟前端、光电二极管、蓝光和红外LED,以实现烟雾和气雾剂检测。其工作原理是:由LED发射几微秒的短脉冲,当光信号被粒子散射回光电二极管,跨阻放大器将产生的电流转换为电压,带通滤波器滤除直流分量,积分器滤除来自高达80dB的灯或太阳辐射的环境光的直流分量,之后由模数转换器将电压转换为数字信号,传输给微控制器按照特定的算法去做计算分析。

“图3:ADPD188BI集成光学模块系统框图(图源:ADI)”
图3:ADPD188BI集成光学模块系统框图(图源:ADI)

模拟前端(AFE)是ADPD188BI的核心,它是一颗ASIC,包含一个控制模块、一个配备20位脉冲蓄能器的14位模数转换器 (ADC) 和三个可独立控制的灵活 LED 驱动器。控制电路包括灵活的LED信号传输和同步检测功能。该模拟前端具有抑制调制干扰导致信号失调和破坏(通常由环境光所致)的优异特性,同时可以通过1。8V I2C接口或SPI接口进行数据输出和功能配置。

突出的性能优势

这样的设计,为ADPD188BI带来了诸多性能上的优势。具体来讲,有以下几点:

1、性能高,误报少

由于ADPD188BI采用了两个LED光源(蓝光和红外),可获得高动态范围和高SNR,波长不同的LED意味着有两个不同的折射角,测量值更可靠,可以区分出烟雾颗粒的大小,更精准地分辨出烟雾的类型,从而减少误报。这样的烟雾探测器可以应用在厨房和浴室等更多传统方案“不适用”的场景中。

2、更小尺寸

ADI这个烟雾探测器解决方案使用Mie散射方法,LED更接近光电二极管,从而减小了整个电路板系统的尺寸。从图4中可以看出,传统方案的平均宽度约为50mm(右),而ADPD188BI只需3.80mm(左)。

“图4:ADI烟雾探测器解决方案小型化优势明显(图源:ADI)”
图4:ADI烟雾探测器解决方案小型化优势明显(图源:ADI)

这种高集成、小型化的结构,简化了腔室设计,也提升了制造流程的效率。同时由于条件固定以及物理外形的减小,也让系统校准变得更容易,为用户带来便利。

值得一提的是,通过巧妙的设计,ADPD188BI专门优化的封装方式,让发射和接收系统“分处两室”,分别放置且密封于独立的空间内,可防止LED发出的光线在进入烟雾探测腔之前直接照射到光电二极管,确保系统的可靠性。

“图5:ADPD188BI小型化封装方式示意图(图源:ADI)”
图5:ADPD188BI小型化封装方式示意图(图源:ADI)

3、低功耗

整个ADPD188BI系统的高集成度,可以明显改善电源管理,实现更低的功耗。此外,LED短脉冲也有利于功耗的进一步优化,从而延长电池供电设备的使用寿命,为支持更多功能——如其他传感器和无线通信——提供更大的空间。

配套设计资源

除了自身过硬的性能优势,ADI还为用户提供了与ADPD188BI配套的设计资源,以利于最终的方案和产品能够满足设计规范和安全法规的要求。

比如图6所示的,是经ADI设计并由Accumold制造的EVAL-CHAMBER烟室,它可以确保最大的气流量,以利于发挥出光电烟雾探测器的性能优势。

“图6:与ADPD188BI配套使用的EVAL-CHAMBER烟室(图源:ADI)”
图6:与ADPD188BI配套使用的EVAL-CHAMBER烟室(图源:ADI)

为了对“ADPD188BI光学模块+EVAL-CHAMBER烟室”的完整组合方案做评估以及合规测试,ADI还提供了一套评估系统。该系统由EVAL-ADPD188BIZ-S2评估板、EVAL-ADPDUCZ微控制器板、可选的EVAL-CHAMBER烟室和具有图形用户界面(GUI)的Wavetool评估软件组成。

“图7:EVAL-ADPD188BIZ-S2评估板(图源:ADI)”
图7:EVAL-ADPD188BIZ-S2评估板(图源:ADI)

“图8:带有EVAL-CHAMBER烟室和EVAL-ADPD188BIZ-S2的评估系统(图源:ADI)”
图8:带有EVAL-CHAMBER烟室和EVAL-ADPD188BIZ-S2的评估系统(图源:ADI)

开发者可以通过Wavetool评估软件对评估系统进行配置、实时频率和时域分析,以及通过用户数据报协议(UDP)与用户开发系统连接。可视化的界面,让测试结果一目了然(如图9)。

“图9:在无背景响应(上)和烟雾出现时(下)Wavetool评估软件的显示(图源:ADI)”

“图9:在无背景响应(上)和烟雾出现时(下)Wavetool评估软件的显示(图源:ADI)”
图9:在无背景响应(上)和烟雾出现时(下)Wavetool评估软件的显示(图源:ADI)

结 语

根据国际能源署(IEA)的预测,随着城市化水平的提升,全球楼宇建筑面积将以每年约3%的速度增加,这一增长在中国和其他发展中国家更为显著,烟雾探测的应用范围在不断扩大。与此同时,楼宇中使用的合成材料也越来越多,这对于烟雾探测的可靠性和精准性也提出了新的要求。这些趋势也在推动烟雾探测相关法规的升级,也构成了进入这一领域的一道门槛。想要迈过去,你就需要一个“靠谱儿”的烟雾探测方案做支点。

现在,这样的方案就摆在你眼前,一站式满足未来你对烟雾探测器安全性、成本和可靠性的全面要求。

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ADPD188BI集成光学模块

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