聪明的烟雾探测器参考设计

一、烟雾探测器新标准
在商场、宾馆、住宅等场所的天花板上随处可见烟雾探测器的白色身影，烟雾探测器内置有烟雾传感装置，能够探测火灾产生的烟雾并发出警报，目前市面上存在两种类型的烟雾传感器—电离型和光电型。

电离型，使用放射性物质使空气电离并检查电荷不平衡状态来报警。 光电型，使用光电探测器向某个角度发射光源，光从空气颗粒反射到光电二极管，在光电探测器中产生可以被检测的电流。两种方案各有优缺点，安全可靠的做法当然是使用两种类型的组合解决方案。其实光电烟雾探测器在检测普通房屋火灾时更可靠，并且对阴燃火灾的响应时间更快，所以光电式更加受欢迎且足以胜任大部分火灾检测情况。
自1970年代以来，烟雾探测器的技术和法规几乎没变。新修订的标准，例如由美国保险人实验室(UL)发布的新的修订标准也只是对现代烟雾探测器设计提出了更复杂的要求，ANSI/UL-217和ANSI/UL-268，或者由国家消防机构(NFPA)发布的NFPA® 72 国家火灾报警规范，都旨在通过对现代烟雾探测器设计提出更复杂的要求来解决这些差距。

例如，除了传统的火灾和烟雾敏感度测试外，最新版本的 UL-217 标准现在还要求烟雾探测器在烹饪等过程中不要产生令人讨厌的误报。因此，现代烟雾探测器必须能够区分烹饪和火灾。传统上，这需要结合多种传感器技术和一定水平的人工智能算法，解决方案听上去有些复杂，但是ADPD188BI的出世极大地简化了解决方案。

二、采用 ADPD188BI 的烟雾探测参考设计
ADPD188BI 光学模块是一套专门进行烟雾探测的完整光电测量系统。CN0537 UL-217烟雾探测器参考设计用于演示烟雾/火灾检测应用中ADPD188BI集成光学模块的使用情况。使用 ADPD188BI 代替传统的分立式烟雾探测器电路可大大简化设计，因为光电元件（由两个 LED 和两个光电探测器组成）和模拟前端 (AFE) 已集成到同一个封装中。尺寸只有3.8mm x 5mm x 0.9mm，高性能AFE提供了高环境光抑制能力，并降低功耗以延长电池寿命。

由于烟雾探测器经常用于电池供电设备，因此参考设计可最大限度地减少传感器所需的数据以及每次确定报警所需的计算量。该设计使ADPD188BI能够输出较少数据，从而降低功耗，缩短微控制器的功耗周期。

两个LED有助于减少蒸汽和灰尘引起的误报。这些器件采用定制化封装，来防止光线未通过烟雾检测室而从LED直接射入光电二极管。

图1. ADPD188BI封装示意图 来源ADI官网 www.analog.com

下图所示是ADI推出的基于 ADPD188BI 光学模块的 UL-217标准烟雾探测器参考设计电路。图2是CN-0537参考设计的功能框图。图3是参考设计开发板—EVAL-CN0537-ARDZ。

图2.CN-0537功能框图  来源ADI/reference-designs/circuits-from-the-lab/cn0537

图3. EVAL-CN0537-ARDZ参考设计开发板  来源ADI WiKi circuits-from-the-lab/cn0537

EVAL-CN0537-ARDZ设计非常简洁，核心设备是右侧的ADPD188BI传感器模块和烟室，ADPD188BI位于烟室内部，封装非常紧凑。
用户通过贸泽电子的ECAD平台，可以下载到第三方提供的ADPD188BI的原理图、PCB封装和3D模型。

图4. ADPD188BI的ECAD模型  来源componentsearchengine.com/part-view/ADPD188BI-ACEZRL

ADPD188BI可以通过SPI接口或I2C接口与外部设备通信，在EVAL-CN0537-ARDZ开发板上预留了这两种接口，如图5 所示板子左上角，短接JP1、JP2使用I2C通信，短接JP1-JP6使用SPI通信，板子默认是SPI接口通信的。

图5. ADPD188BI 通信接口选择SPI/I2C 来源ADI WiKi circuits-from-the-lab/cn0537

在烟室内靠近ADPD188BI的位置有一片温湿度传感器SHT30，ADPD188BI的全环响应受环境温度影响很大，为了确定相对响应的值，需要有实时测量环境温度的能力。温湿度传感器监视腔室内ADPD188BI旁边的状况，从而在算法中对ADPD188BI输出作温度补偿。

开发板上还集成了一个蜂鸣器、一个指示灯和一个用户按键。为了方便快速地进行原型开发，该设计与Arduino尺寸控制器平台兼容，外部控制器可将Arduino引脚配置为SPI或I2C接口读取ADPD188BI数据。EVAL-CN0537-ARDZ设计结构说明如图6所示。

图6. EVAL-CN0537-ARDZ设计结构说明

该参考设计方案还提供了包括用于烟雾检测的自定义算法，该算法针对新 ANSI/UL-217 第八版标准中指定的烟雾和火灾测试进行了评估。
下面我们使用EVAL-CN0537-ARDZ提供的”烟雾检测示例“，搭配ADI EVAL-ADICUP3029开发板，测试一下该方案。

三、测试方案
1、硬件准备：

• EVAL-CN0537-ARDZ
• EVAL-ADICUP3029
• MicroSD卡
• MicroUSB数据线
• 带有USB接口的PC

2、软件准备

• ADuCM3029_demo_cn0537.hex

3、硬件连接
将EVAL-CN0537-ARDZ开发板通过Arduino接口的排针与EVAL-ADICUP3029开发板连接

图7. EVAL-CN0537-ARDZ与EVAL-ADICUP3029通过Arduino接口连接

EVAL-CN0537-ARDZ开发板上有MicroSD接口，插入一个MicroSD卡用于存储采样数据。使用MicroUSB数据线连接EVAL-ADICUP3029开发板的USB口和PC，由于EVAL-ADICUP3029板上有调试器，在电脑上会显示一个名为DAPLink的U盘，这是ARM Mbed生态下的一款开源调试器，除了可以下载调试MCU之外，还自带了虚拟串口功能，MCU可以通过虚拟串口向PC终端打印字符。

4、演示示例：
EVAL-CN0537-ARDZ评估套件提供了一个极具参考价值的烟雾检测示例，该示例可以实现传感器数据读取、显示、算法处理，数据存储，简单的人机交互等多个功能。

首先我们从ADI eval-adicup3029/reference_designs/demo_cn0537下载文件：“Smoke detector demo software .hex file”，解压后有两个文件：ADuCM3029_demo_cn0537.hex文件和README文件。将ADuCM3029_demo_cn0537.hex文件拖入DAPLink U盘，这时调试器会自动将程序下载到EVAL-ADICUP3029板上。

该示例使用串口终端显示数据和交互，我们打开putty，配置port为DAPLink的COM号，波特率设为115200，注意一定要勾选Implicit CR in every LF 和Implicit LF in every CF

图8. 串口终端参数配置

打开显示终端窗口。按下EVAL-ADICUP3029板上的RESET按键，程序复位重启后，显示如下：

图9. 演示示例的软件交互

该演示程序可以通过输入字符进行交互，输入字符“h”可以查看所有功能，我们输入字符“s”，这时开启烟雾检测功能，并每隔1s读取一次检测值。

图10. 烟雾报警示例采样过程

当点燃一支香烟靠近烟室时，系统会检测到火灾事件，系统报警提示，在终端中打印“--- ALARM RAISED”，板上蜂鸣器开始响，蓝色的LED会亮。按下EVAL-CN0537-ARDZ开发板上的S1按键，可以消除警报。

当我们使用喷雾装置对板子喷雾时，系统并不会报警，可见，该参考设计可以区分出烟火和雾气，减少误报，提高了火灾报警的精度，而这正是UL-217 标准中要求的减少误报。

图11. 检测到烟火情况系统报警

四、ADPD188BI 检测原理
在上面的测试中，该套件提供的方案之所以能实现烟雾检测报警的功能都是ADPD188BI的功劳。
为了执行烟雾检测，ADPD188BI 利用双波长技术：两个集成的 LED 发出两种不同波长的光； 一个在 470 nm（蓝光）下，另一个在 850 nm（红外光）下。这些 LED 在两个独立的时隙中被脉冲化，并且传输的光被空气中的颗粒物散射回设备上。

 图12. ADPD188BI LED光的反向散射

然后，两个集成的光电探测器接收散射的光并产生成比例的输出电流，该电流在 AFE 内转换成数字代码。假设 LED 光功率保持恒定，则 ADPD188BI 输出值随时间的增加表明空气中颗粒的增加或积聚。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。
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，该数据集是在表1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。

CN-0537参考设计是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。

五、总结
针对 UL-217烟雾探测器的新标准，Analog Devices Inc. 推出的CN0537烟雾探测器参考设计采用了ADPD188BI光学模块，该模块将光电元件和模拟前端 (AFE) 集成在同一封装中，代替传统的分立式烟雾探测器电路，大大简化了硬件设计。

采用CN0537电路的EVAL-CN0537-ARDZ评估板是一块简单易上手的参考设计，除了极具参考价值的硬件设计之外，还提供了适用于UL-217烟雾探测器的新标准的算法解决方案，参考设计中将ADPD188BI模块安装在专门设计用于满足器件和行业要求的专有烟室中，搭配EVAL-ADICUP3029开发平台使用时，采用经过测试和验证的UL-217烟雾探测算法，用户可以评估UL 217标准中包括各种规定，比如减少误报，区分快速运动火灾和焖烧火灾之间的烟雾特性等，极大地提高了精度和安全性。

参考资料
1.https://www.analog.com/cn/products/adpd188bi.html?ADICID=PRLS_CN_P104025#product-overview
2. https://www.analog.com/en/design-center/reference-designs/circuits-from-the-lab/cn0537.html#rd-overview
3. https://wiki.analog.com/resources/eval/user-guides/eval-adicup3029/reference_designs/demo_cn0537
4. Analog Devices Inc. 电路笔记CN0537——带干扰检测功能的UL-217烟雾探测器模块
5. Analog Devices Inc. 用于烟雾检测的集成光学模块ADPD188BI