消防不僅僅是要應(yīng)對已經(jīng)發(fā)生的火災(zāi)，更重要的在于提前預(yù)防，消除隱患。而煙霧探測器就是這樣的關(guān)鍵設(shè)備，一旦出現(xiàn)疑似火災(zāi)的跡象便發(fā)出警告提醒，為滅火和逃生贏得時(shí)間。“然而，據(jù)美國消防協(xié)會統(tǒng)計(jì)，23％的人員死亡來自安裝有煙霧探測器的場所，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的煙霧探測器往往無法分辨煙霧的類型，容易引發(fā)誤報(bào)，從而被人為停用，最后導(dǎo)致了悲劇的發(fā)生。” 在2021慕尼黑上海電子展上，ADI市場經(jīng)理祝臻指出，“此外，傳統(tǒng)煙感還存在體積過大、規(guī)格不一、調(diào)試?yán)щy等情況，煙感設(shè)備面臨技術(shù)變革要求。” 

 

誤報(bào)尷尬背后凸顯消防隱患，煙霧探測技術(shù)變革正當(dāng)時(shí)

 

某個(gè)冬天的深夜，某智慧小鎮(zhèn)的消防中心提示出現(xiàn)火情，煙霧探測聲光報(bào)警系統(tǒng)信息不斷提示xx住戶家有煙霧產(chǎn)生。幾次電話聯(lián)系業(yè)主未果，物業(yè)保安已經(jīng)緊急找到業(yè)主家，下夜班回家剛洗完澡的業(yè)主一臉茫然面對保安火警的詢問。與業(yè)主細(xì)查，原來是因?yàn)橄丛璧撵F氣彌漫導(dǎo)致走廊中的煙霧探測器誤報(bào)，一場火警以物業(yè)尷尬道歉收場。這是祝臻在慕展現(xiàn)場與業(yè)界人士分享的一個(gè)真實(shí)場景。“尷尬事小安全事大，這種誤報(bào)導(dǎo)致部分業(yè)主人為停用煙霧探測器。” 祝臻說道，“越來越多的物業(yè)認(rèn)識到傳統(tǒng)煙霧探測設(shè)備本身帶來的安全隱患。”

 

“傳統(tǒng)煙感器的主要缺陷來源于采用單色LED作為測量光源。”祝臻分享道。經(jīng)典光電式煙霧報(bào)警器以離散方式設(shè)計(jì)，通過向前散射發(fā)揮作用，其中特定波長的 LED 光（通常在紅外范圍內(nèi)）被粒子散射到光電二極管上，如果測量光源(LED)和探測器(光電二極管)之間因存在顆粒而導(dǎo)致的暗光或消光，則說明有煙霧進(jìn)入報(bào)警器中。

 

具有紅外LED的向前散射系統(tǒng)

 

“使用這種設(shè)計(jì)制作得煙霧探測裝置只能對煙霧的濃度進(jìn)行區(qū)分，而無法識別煙霧類型，不管是燃燒煙霧、水蒸氣還是做飯時(shí)產(chǎn)生的油煙，只要濃度達(dá)到一定閾值，報(bào)警器就會產(chǎn)生警報(bào)，頻繁的誤報(bào)打擾正是導(dǎo)致人們禁用煙霧報(bào)警器的首要原因。” 祝臻指出。為了解決這個(gè)問題，煙霧探測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定上已經(jīng)發(fā)生了一些變化,希望自上而下推動煙霧報(bào)警器檢測精度的提高：即將在2021年6月發(fā)布的最新UL標(biāo)準(zhǔn)中更新了聚氨酯燃燒、悶燒和烹飪滋擾，即漢堡包煙霧干擾報(bào)警測試。在該測試中，必須能夠區(qū)分漢堡包肉餅產(chǎn)生的煙霧和易燃聚氨酯產(chǎn)生的煙霧。

 

現(xiàn)場的模擬水蒸氣干擾敏感性檢測中，傳統(tǒng)方案很快報(bào)警，而ADI雙光檢測方案沒有出現(xiàn)誤報(bào)

 

為此，ADI推出了一款完全集成煙霧探測器模塊ADPD188BI，力求徹底解決經(jīng)典煙霧報(bào)警器存在的這些問題。“ADPD188BI中集成了兩顆LED發(fā)射器，一顆藍(lán)光發(fā)射器、一顆紅外發(fā)射器。所以它不但能監(jiān)測煙霧的濃度，同時(shí)還可以監(jiān)測煙霧的顆粒直徑，以區(qū)分正常煙和火災(zāi)煙。”祝臻介紹到。其中藍(lán)色LED波長470 nm，紅外LED波長850 nm，這些LED在兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)隙中發(fā)出光脈沖，發(fā)射的光被空氣中的顆粒物散射回器件上。這種通過雙色光波長監(jiān)測，不僅支持單獨(dú)測量單個(gè)波長，還支持分析比率構(gòu)成，從而進(jìn)一步降低了誤報(bào)率。

 

APDPD188BI在無煙室中進(jìn)行漢堡煙霧和易燃聚氨酯煙霧檢測的測試結(jié)果

 

如上圖所示，ADPD188BI發(fā)出的兩種信號曲線在兩種場景下有很大區(qū)別，說明該傳感器能夠清楚區(qū)分這兩種煙的類型。可以看出，信號隨時(shí)間的變化，聚氨酯在220秒后達(dá)到報(bào)警閾值，時(shí)間長度是漢堡煙霧達(dá)到報(bào)警閾值的1/4（超過1000秒后）。聚氨酯燃燒4分鐘后，可檢測到臨界水平。利用傳感器的高信噪比還可清楚區(qū)分和記錄粒子濃度的變化，例如右圖中圈出的部分，在易燃聚氨酯測試中，斜率突然增加。

 

全集成下的高一致性、小尺寸和低功耗，全方位推進(jìn)應(yīng)用落地

 

市場變化日新月異，對于煙霧傳感設(shè)備制造商來說，自然希望拿到解決方案后就能盡快投入大規(guī)模量產(chǎn)。“然而，傳統(tǒng)的分立解決方案由于從傳感到信號調(diào)理以及后端數(shù)據(jù)讀取分析都是獨(dú)立的器件完成，導(dǎo)致很難達(dá)到高的產(chǎn)品一致性，產(chǎn)品校驗(yàn)成了主要的工序。” 祝臻表示，“ADPD188BI 是一套利用光學(xué)雙波長技術(shù)進(jìn)行煙霧探測的完整測光系統(tǒng)，每片芯片出廠前做了單獨(dú)校準(zhǔn)，只需要少量外部組件就可以實(shí)現(xiàn)商業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。這帶來的最顯著的好處是產(chǎn)品性能一致性非常好。”

 

集成光學(xué)設(shè)計(jì)可極大簡化光學(xué)設(shè)計(jì)并提供顯著的系統(tǒng)增強(qiáng)功能

 

在固定電流下，不同LED的發(fā)光強(qiáng)度通常有很大的差異，因此過去都是由煙霧報(bào)警器制造商執(zhí)行煙霧報(bào)警器校準(zhǔn)，校準(zhǔn)LED發(fā)光強(qiáng)度與電流之間的斜率和偏移，可以確保所有LED保持具有相同的性能表現(xiàn)。在ADPD188BI中，因?yàn)長ED和整個(gè)信號路徑都集成到了一起，所以ADI會預(yù)先校準(zhǔn)傳感器模塊，這樣就可以減少器件之間的差異。此外，ADPD188BI校準(zhǔn)系數(shù)存儲在芯片的非易失性存儲器（即eFUSE寄存器）中。通過讀取這些系數(shù)，可以盡可能地減小芯片之間的差異。這意味著可以在算法中更精確地設(shè)置報(bào)警閾值，從而降低誤報(bào)率。由于煙霧報(bào)警器制造商可以采用預(yù)先校準(zhǔn)的模塊，在此步驟上也簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

 

高度集成的另外一個(gè)顯著的好處是整體電路尺寸更小, 使得煙霧探測器可以更小更適應(yīng)住宅和商業(yè)用途建筑。此外，更小的體積以及LED的短脈沖使得此模塊比傳統(tǒng)檢測器功耗更低，紅外LED的工作功耗僅為~5 μW/Hz，此方案下的煙霧傳感電池壽命甚至可達(dá)5年以上，顯著了降低物業(yè)后期的維護(hù)成本。

 

“此外，ADPD188BI可為煙霧探測器提供完整的光學(xué)子系統(tǒng)解決方案，由于整個(gè)解決方案均由ADI公司制造、測試和驗(yàn)證，供應(yīng)鏈更簡單，可大大降低客戶的風(fēng)險(xiǎn)。” 祝臻補(bǔ)充道，“ADI還提供獲得了評估許可的煙室以解決環(huán)境光、灰塵、昆蟲等影響，并完全適用于ADPD188BI的集成光電器件使用反向散射系統(tǒng)。”值得一提的是，ADI還開發(fā)了煙霧探測器參考設(shè)計(jì)以及完整參考算法，包括經(jīng)過設(shè)計(jì)和測試的UL 217測試數(shù)據(jù)設(shè)置和算法以滿足UL要求，從而加快客戶開發(fā)周期，降低成本和項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。

 

 

本文總結(jié)

 

據(jù)智研咨詢數(shù)據(jù)，2019年中國消防行業(yè)市場規(guī)模突破3500億元，預(yù)計(jì)2022年市場規(guī)模將達(dá)到4465億元。同時(shí)根據(jù)國務(wù)院相關(guān)的通知，鼓勵應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，提高防火預(yù)測及信息獲取等能力，初步估算，未來5年全國的煙感器安裝規(guī)模有望達(dá)到7億。 “我相信隨著生活水平的提高，這種新型煙感能夠提高報(bào)警精準(zhǔn)度、減低誤報(bào)率，從根本上解決現(xiàn)有煙感的痛點(diǎn)，有效保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，在當(dāng)前及未來正面臨一個(gè)非常廣闊的市場。”祝臻強(qiáng)調(diào)到。

 

 

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