隨著全球城市化進程的推進，火災已經成為現代世界人類安全最大威脅之一。隨著世界人口的增加，最大的趨勢、最高的增長率非城市化莫屬。國際能源機構指出，全球建筑物的建筑面積每年以約3％的速度增長，這會導致住房和商業建筑的密度日益增高。當今的建筑都被設計成可以容納成千上萬的人，因此建筑的管理，尤其是其中人員的安全至關重要。

因此，早期火災探測非常重要，有利于防止發生大規模災難，杜絕對環境造成影響。當前，全球主要國家和地區的有關法規成了推動多數環境和安全變革的動力。在煙霧探測方面，相關法規每次修訂后都會變得更加嚴格，即使在地方一級，這些法規關注的焦點始終都是提高探測準確率，加快報警速度，確保人員安全。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。

圖1：有效的煙霧報警是火災降低損失的關鍵

降低誤觸發是煙霧探測器普及應用的關鍵

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。

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。傳統上，這需要使用采用多項傳感器技術且具備一定的人工智能水平的復雜解決方案；但是，使用ADPD188BI大大降低了該解決方案的實施難度。

圖2：基于ADPD188BI光學模塊的UL-217煙霧探測器參考設計

圖2所示的電路是是ADI公司基于ADPD188BI光學模塊的UL-217煙霧探測器參考設計。為了簡單、快速實施開發，該設計兼容Arduino尺寸控制器平臺，并包含煙霧探測自定義算法，以對新發布的ANSI/UL-217第8版標準指定的煙霧和火災測試實施評估。

使用ADPD188BI進行煙霧檢測

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（由兩個LED和兩個光電檢測器組成）和模擬前端(AFE)已集成到同一個封裝中。

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470nm（藍光），另一種為850nm（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。

圖3全球煙霧探測法規挑戰：易燃聚氨酯和烹飪滋擾（漢堡）測試更新

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。

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。圖1中的參考設計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。

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，該數據集是在上表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。

圖4：專為煙霧檢測應用而設計的完整光電式測量系統ADPD188BI

煙霧檢測器常常使用電池供電，因此該算法盡可能地減少了傳感器需要提供的數據以及每次報警判斷所需的計算量。此算法支持ADPD188BI輸出較少的數據，從而節省電力并減少微控制器的功耗周期，但仍符合嚴格的UL-217規范。

ADPD188BI的煙霧響應用接收光功率與發射光功率之比來表示較好。此參數稱為功率傳輸比(PTR)，比原始輸出碼有意義得多，因為它與所使用的實際硬件設置無關。此外，遮蔽水平（煙霧探測器的標準測量單位）與PTR直接相關。

ADPD188BI的全環響應受環境溫度影響。對于藍光通道，這更加復雜，因為溫度響應曲線的形狀也會根據所使用的LED電流量不同而變化。下圖顯示溫度對ADPD188BI工作溫度范圍內的相對輸出響應的影響，藍光LED使用100mA和175mA的常見ILED設置。對于紅外通道，溫度響應曲線與LED電流無關。

圖5：溫度對相對于25°C的ADPD188BI輸出響應的影響

選擇傳感器時，元件尺寸是主要考慮因素，因為腔室內的空間非常寶貴。在該參考設計中，默認傳感器的溫度和濕度精度額定值分別為±0.2°C和±2%相對濕度。

選擇恰當的煙室配合ADPD188BI使用

市面上的大多數煙霧檢測器解決方案使用煙室來幫助抑制環境光，減少內部光污染，并使昆蟲或蜘蛛干擾讀數的風險盡可能降低。對于ADPD188BI，使用煙室會引起一個恒定的背景信號出現在讀數中，這是由煙室表面的光散射所致。至關重要的是，背景信號水平必須接近或低于報警閾值，以避免讀數出現重大誤差。

ADPD188BI對腔室的響應也可以用功率傳輸比(PTR)表示，加到煙霧響應上，當解讀器件的PTR數據時必須予以考慮。

ADPD188BI使用ADI公司專有煙室，該煙室專門設計用于滿足器件和行業要求。此煙室的內部幾何形狀支持獲得更高信噪比(SNR)讀數，從而獲得ADPD188BI的更優PTR值。

常規煙室設計與ADPD188BI不兼容，因為傳統煙霧檢測器使用前向散射系統，而ADPD188BI的集成光電器件使用反向散射系統。

電路設計的另一個考慮因素是冷凝對ADPD188BI讀數的影響。腔室內表面可能會形成露水和冷凝水，從而導致光散射。對系統而言，這種光散射表現為煙霧。在較濕潤的熱帶地區，經常有冷凝水形成，這種光散射的問題尤其嚴重。

為了減輕冷凝的影響，光模塊周圍放置有加熱電阻，其會散發足夠的熱量，在需要時可抑制露水的形成。為此目的選擇電阻時，需要在期望溫升與從電源汲取的電流之間折衷。

請注意，此加熱模塊會顯著增加設計所需的總系統功耗。使用較低電阻值會產生更多熱量，但會消耗更多的電源電流。對于電池供電系統，它還會導致電池壽命縮短，設計時必須作為額外因素加以考慮。

圖2中的參考設計使用三個25Ω電阻的并聯組合，由此會導致溫度升高10°C至20°C。晶體管開關允許微控制器板通過脈沖寬度調制(PWM)輸出或通用輸入/輸出(GPIO)引腳激活加熱電路模塊。

本文總結

因為現在消除了（例如烹飪和蒸汽導致的）干擾警報，所以煙霧探測器可以更密集地安裝在廚房和衛生間中，增加樓宇中實際安裝的設備數量，形成覆蓋范圍更大的網絡系統。因此，低功率要求支持電池運行（延長使用壽命），或增加主回路中的設備數量。但在系統層面，對于無線網絡而言，更快發出警報意味著需要采用低延遲網絡。考慮到煙霧探測對生命安全的影響，實體系統會繼續作為獨立設備使用。此外，在未來，可能也需要將煙霧探測集成到其他樓宇控制系統中，例如，集成到疏散或緊急照明系統中，小尺寸將越來越重要。像ADPD188BI這樣的一套利用光學雙波長技術進行煙霧探測的完整測光系統，較好的兼顧這些需求，將促進煙霧探測在當今樓宇防災減災中的普及應用。
編輯：hfy