具有红外LED的向前散射系统的烟雾探测技术

智能型光电烟雾探测器，作为安全监测领域的一项成熟且广泛部署的技术，集成了高精度的传感技术与先进的信号处理算法，旨在早期发现并准确识别空气中的烟雾颗粒，从而迅速触发警报机制，保障人员生命财产安全。嵌入式操作系统(Embedded Operating System，简称：EOS)是指用于嵌入式系统的操作系统。嵌入式操作系统是一种用途广泛的系统软件，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。

嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控制、协调并发活动。它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。在嵌入式领域广泛使用的操作系统有：嵌入式实时操作系统µC/OS-II、嵌入式Linux、Windows Embedded、VxWorks、Intewell操作系统 [4]等，以及应用在智能手机和平板电脑的Android、iOS、华为鸿蒙等。

探测原理

在《技术浅谈 | 光源数量对遮光型探测器的影响》一文中提及过，智能型光电烟雾探测器是通过发射光的强度和通过气溶胶颗粒后光的强度对比进行分析，进而判断采样环境是否超过警戒阈值，进而对环境进行安全监测。

当物体大于光的波长，光才会被反射出来，探测器才能感知到物体;当物体小于光的波长，探测器则无法感知到物体。

由于烟雾颗粒粒径不同，在观察直径较大的烟雾颗粒时，往往采用红外光探测;要观察到更小的对象，需要采用光波较短的光源探测(如蓝光)。

采用双光源的烟雾探测器可探测更广范围的烟雾颗粒，更能准确感知烟雾浓度状态;决定探测器能否探测出烟雾颗粒与光源类型无关，而与探测光波长范围密切相关。

然而，应用光源的不同，对探测器适应不同环境有很大的影响。

LED光源特点

A、低功耗的LED光源适应能力强，能轻松工作于低温和高温宽域温度范围;

B、成本低，寿命长;

C、高功耗的LED光源寿命相对短，对ABS等材料有加速老化作用;

D、易发散;

E、到目前为止，LED红光/红外光最为成熟，寿命长;蓝光稳定性不如前者，功耗也比较高，散热是需要考虑的问题，通常寿命比红光/红外光短。

由此可以看出，为保持长寿命，应选择低功耗的LED;为观察更小的对象，可选择蓝光;为传播更远，可选择红外光。

激光光源优势

A、光强值大，光损小;

B、红光/红外光寿命远远大于蓝光寿命;

C、激光光源功耗低，发热小;

D、环境温度适应范围比LED窄，适用温度的特性不如LED强;

E、光的纯净度较好，利于探测精密的对象;

F、聚光效果好。

由此可见，激光光源的选择优点非常多。

近日, 住房和城乡建设部会同中央网信办、教育部、科技部、工信部等16部门联合印发了《关于加快发展数字家庭提高居住品质的指导意见》，明确指出要强化数字家庭工程设施建设，加强智能产品在住宅中的设置，对新建全装修住宅，明确要求户内设置火灾自动报警设备在内的基本消防产品。烟感设备作为消防的一部分，是新建住宅强制性的配套设施，很有可能是智慧消防迈向住宅社区硬性配置的第一步，未来有望成为住宅社区的标配。

”近日, 住房和城乡建设部会同中央网信办、教育部、科技部、工信部等16部门联合印发了《关于加快发展数字家庭提高居住品质的指导意见》，明确指出要强化数字家庭工程设施建设，加强智能产品在住宅中的设置，对新建全装修住宅，明确要求户内设置火灾自动报警设备在内的基本消防产品。烟感设备作为消防的一部分，是新建住宅强制性的配套设施，很有可能是智慧消防迈向住宅社区硬性配置的第一步，未来有望成为住宅社区的标配。

误报尴尬背后凸显消防隐患，烟雾探测技术变革正当时

某个冬天的深夜，某智慧小镇的消防中心提示出现火情，烟雾探测声光报警系统信息不断提示xx住户家有烟雾产生。几次电话联系业主未果，物业保安已经紧急找到业主家，下夜班回家刚洗完澡的业主一脸茫然面对保安火警的询问。与业主细查，原来是因为洗澡的雾气弥漫导致走廊中的烟雾探测器误报，一场火警以物业尴尬道歉收场。这是祝臻在慕展现场与业界人士分享的一个真实场景。“尴尬事小安全事大，这种误报导致部分业主人为停用烟雾探测器。” 祝臻说道，“越来越多的物业认识到传统烟雾探测设备本身带来的安全隐患。”

“传统烟感器的主要缺陷来源于采用单色LED作为测量光源。”祝臻分享道。经典光电式烟雾报警器以离散方式设计，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，如果测量光源(LED)和探测器(光电二极管)之间因存在颗粒而导致的暗光或消光，则说明有烟雾进入报警器中。

具有红外LED的向前散射系统

“使用这种设计制作得烟雾探测装置只能对烟雾的浓度进行区分，而无法识别烟雾类型，不管是燃烧烟雾、水蒸气还是做饭时产生的油烟，只要浓度达到一定阈值，报警器就会产生警报，频繁的误报打扰正是导致人们禁用烟雾报警器的首要原因。” 祝臻指出。为了解决这个问题，烟雾探测相关标准的制定上已经发生了一些变化,希望自上而下推动烟雾报警器检测精度的提高：即将在2021年6月发布的最新UL标准中更新了聚氨酯燃烧、闷烧和烹饪滋扰，即汉堡包烟雾干扰报警测试。在该测试中，必须能够区分汉堡包肉饼产生的烟雾和易燃聚氨酯产生的烟雾。

现场的模拟水蒸气干扰敏感性检测中，传统方案很快报警，而ADI双光检测方案没有出现误报

为此，ADI推出了一款完全集成烟雾探测器模块ADPD188BI，力求彻底解决经典烟雾报警器存在的这些问题。“ADPD188BI中集成了两颗LED发射器，一颗蓝光发射器、一颗红外发射器。所以它不但能监测烟雾的浓度，同时还可以监测烟雾的颗粒直径，以区分正常烟和火灾烟。”祝臻介绍到。其中蓝色LED波长470 nm，红外LED波长850 nm，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。这种通过双色光波长监测，不仅支持单独测量单个波长，还支持分析比率构成，从而进一步降低了误报率。

APDPD188BI在无烟室中进行汉堡烟雾和易燃聚氨酯烟雾检测的测试结果

如上图所示，ADPD188BI发出的两种信号曲线在两种场景下有很大区别，说明该传感器能够清楚区分这两种烟的类型。可以看出，信号随时间的变化，聚氨酯在220秒后达到报警阈值，时间长度是汉堡烟雾达到报警阈值的1/4(超过1000秒后)。聚氨酯燃烧4分钟后，可检测到临界水平。利用传感器的高信噪比还可清楚区分和记录粒子浓度的变化，例如右图中圈出的部分，在易燃聚氨酯测试中，斜率突然增加。

全集成下的高一致性、小尺寸和低功耗，全方位推进应用落地

市场变化日新月异，对于烟雾传感设备制造商来说，自然希望拿到解决方案后就能尽快投入大规模量产。“然而，传统的分立解决方案由于从传感到信号调理以及后端数据读取分析都是独立的器件完成，导致很难达到高的产品一致性，产品校验成了主要的工序。” 祝臻表示，“ADPD188BI 是一套利用光学双波长技术进行烟雾探测的完整测光系统，每片芯片出厂前做了单独校准，只需要少量外部组件就可以实现商业产品设计。这带来的最显著的好处是产品性能一致性非常好。”

集成光学设计可极大简化光学设计并提供显著的系统增强功能

在固定电流下，不同LED的发光强度通常有很大的差异，因此过去都是由烟雾报警器制造商执行烟雾报警器校准，校准LED发光强度与电流之间的斜率和偏移，可以确保所有LED保持具有相同的性能表现。在ADPD188BI中，因为LED和整个信号路径都集成到了一起，所以ADI会预先校准传感器模块，这样就可以减少器件之间的差异。此外，ADPD188BI校准系数存储在芯片的非易失性存储器(即eFUSE寄存器)中。通过读取这些系数，可以尽可能地减小芯片之间的差异。这意味着可以在算法中更精确地设置报警阈值，从而降低误报率。由于烟雾报警器制造商可以采用预先校准的模块，在此步骤上也简化了系统设计。

高度集成的另外一个显著的好处是整体电路尺寸更小, 使得烟雾探测器可以更小更适应住宅和商业用途建筑。此外，更小的体积以及LED的短脉冲使得此模块比传统检测器功耗更低，红外LED的工作功耗仅为~5 μW/Hz，此方案下的烟雾传感电池寿命甚至可达5年以上，显著了降低物业后期的维护成本。

“此外，ADPD188BI可为烟雾探测器提供完整的光学子系统解决方案，由于整个解决方案均由ADI公司制造、测试和验证，供应链更简单，可大大降低客户的风险。” 祝臻补充道，“ADI还提供获得了评估许可的烟室以解决环境光、灰尘、昆虫等影响，并完全适用于ADPD188BI的集成光电器件使用反向散射系统。”值得一提的是，ADI还开发了烟雾探测器参考设计以及完整参考算法，包括经过设计和测试的UL 217测试数据设置和算法以满足UL要求，从而加快客户开发周期，降低成本和项目风险。

很早以前，嵌入式这个概念就已经存在了。在通信方面，嵌入式系统在20世纪60年代就用于对电子机械电话交换的控制，当时被称为“存储式程序控制系统”(Stored Program Control)。嵌入式计算机的真正发展是在微处理器问世之后。1971年11月，Intel公司成功地把算术运算器和控制器电路集成在一起，推出了第一款微处理器Intel 4004，其后各厂家陆续推出了许多8位、16位的微处理器，包括Intel 8080/8085、8086，Motorola 的6800、68000，以及Zilog的Z80、Z8000等。以这些微处理器作为核心所构成的系统，广泛地应用于仪器仪表、医疗设备、机器人、家用电器等领域。微处理器的广泛应用形成了一个广阔的嵌入式应用市场，计算机厂家开始大量地以插件方式向用户提供OEM产品，再由用户根据自己的需要选择一套适合的CPU板、存储器板以及各式I/O插件板，从而构成专用的嵌入式计算机系统，并将其嵌入到自己的系统设备中。为灵活兼容考虑，出现了系列化、模块化的单板机。流行的单板计算机有Intel公司的iSBC系列、Zilog公司的MCB等。

后来人们可以不必从选择芯片开始来设计一台专用的嵌入式计算机，而是只要选择各功能模块，就能够组建一台专用计算机系统。用户和开发者都希望从不同的厂家选购最适合的OEM产品，插入外购或自制的机箱中就形成新的系统，这样就希望插件是互相兼容的，也就导致了工业控制微机系统总线的诞生。1976年Intel公司推出Multibus，1983年扩展为带宽达40MB/s的MultibusⅡ。1978年由Prolog设计的简单STD总线广泛应用于小型嵌入式系统。

消防不仅仅是要应对已经发生的火灾，更重要的在于提前预防，消除隐患。而烟雾探测器就是这样的关键设备，一旦出现疑似火灾的迹象便发出警告提醒，为灭火和逃生赢得时间。“然而，据美国消防协会统计，23%的人员死亡来自安装有烟雾探测器的场所，这是因为传统的烟雾探测器往往无法分辨烟雾的类型，容易引发误报，从而被人为停用，最后导致了悲剧的发生。” 在2021慕尼黑上海电子展上，ADI市场经理祝臻指出，“此外，传统烟感还存在体积过大、规格不一、调试困难等情况，烟感设备面临技术变革要求。”