安全，應該說是人們生活中最“硬核”的剛需。很多安全設備平日里幾乎是“透明”的，大家感覺不到它們的存在，而一旦遇到事兒，它們卻必須能夠派上用場，頗有些“養兵千日，用兵一時”的味道。因此，如何能夠保證這些安全設備靠得住，關鍵時刻不掉鏈子，尤為重要。

煙霧探測器就是這樣一種典型的安全設備，它通過感測物品燃燒所散發的煙霧，及時對火災進行報警，以保護人身和財產的安全。

早期的煙霧探測器是一種電離系統，它的工作原理是在兩個導電板之間摻加少量放射性材料，對空氣進行離子化，使得電流流動，當煙霧進入探測器的腔室時，會造成電流流動的減少，由此觸發警報。由于這種探測器需要等到煙霧擴散到探測器腔室時才能感應到，不利于及時發現萌發初期的火情，所以很多國家都已經禁止使用電離式的煙霧探測器。

為了規避電離式探測器的弊端，現在主流的煙霧探測器采用的大都是光電模式。其原理是探測器通過LED發射一個光信號，如果周邊環境中有煙霧，會將LED光折射到探測器中的光電二極管，由于煙霧中的顆粒會對光信號造成散射和衰減，比較發射端和接收端光信號的變化即可對煙霧進行探測。顯然與電離模式相比，光電模式的煙霧探測器更為“主動”，能夠獲得更大的火災預警提前量。

典型的光電模式煙霧探測器架構

煙霧探測器的挑戰

依照光電模式的原理，人們設計的典型煙霧探測器通常是一個包括LED、光電二極管、微控制器、模擬信號鏈、揚聲器，以及其他相關傳感器的系統。不過在使用中，這種傳統的光電煙霧探測器也逐漸暴露出了自身的一些弱點，主要包括：

1易誤報

傳統的光電煙霧探測器準確度不夠高，難于區分煙霧中的不同粒子類型，廚房烹飪產生煙霧或者浴室的蒸汽都可能觸發誤報，頻繁的誤報可能會使用戶將探測器關閉，這無疑是危險的——據統計，在安裝了煙霧探測器的建筑物內，有23%的火災死亡是在煙霧探測器未工作或因頻繁誤警而被禁用的情況下發生的。因此新的法規中，針對煙霧探測器對不同粒子的“辨識”能力提出了更高的要求，比如需要能夠區別出漢堡包烤焦和聚氨酯燃燒所產生煙霧之間的細微差別。

2體積大

由于大多是基于分立元器件方案，所以傳統的光電煙霧探測器外形比較大。而在未來的智能樓宇和家居中，使用的電子設備越來越多，有時候還需要將煙霧探測功能集成到其他樓宇控制系統中——如與疏散或緊急照明系統集成在一起——這時候，小尺寸就成了一個更關鍵的因素。

3功耗高

這對于越來越多的具備低功耗無線物聯網功能的應用來說，顯然是一個硬傷。高功耗也意味著需要更頻繁地更換電池，會增加系統運維成本。

4部署難

煙霧探測系統的應用，不可避免地需要大量校準工作，同時在開發、安裝、維護中，還要考慮到其他配套組件的因素，這都增加了系統部署的復雜性和難度。

對照上述這些傳統光電煙霧探測系統的“短板”，我們不難描繪出一個適應當下及未來需要、更“靠譜兒”的煙霧探測器的樣子，它應該具備下面這些特性：

更高的性能，可以有效降低誤報頻率

更緊湊的外形，既美觀又便于與其他功能和系統集成

更低功耗，免去頻繁更換電池的麻煩

更完備的配套開發工具和組件，簡化開發和維護工作，降低使用門檻

符合最新的法規要求

……

ADI解決方案

這樣的解決方案好不好找？想要滿足上述的要求，既需要方案設計者有深厚的技術功底，還要對應用需求、安全法規有透徹的了解，確實不容易。不過盡管有難度，能夠符合上面這些設計需求的光電煙霧探測器方案，最終還是被我們找到了！這就是Analog Devices（ADI）的ADPD188BI集成光學模塊。ADPD188BI通過新的測量系統，滿足未來對安全性、成本和可靠性的所有要求。

ADPD188BI集成光學模塊

ADPD188BI是一個外形非常緊湊的高度集成的系統，在一個3.8mm x 5mm x 0.9mm的定制化封裝中，集成了一套完整的雙波長煙霧探測光電測量系統的信號鏈，包括一個模擬前端、光電二極管、藍光和紅外LED，以實現煙霧和氣霧劑檢測。其工作原理是：由LED發射幾微秒的短脈沖，當光信號被粒子散射回光電二極管，跨阻放大器將產生的電流轉換為電壓，帶通濾波器濾除直流分量，積分器濾除來自高達80dB的燈或太陽輻射的環境光的直流分量，之后由模數轉換器將電壓轉換為數字信號，傳輸給微控制器按照特定的算法去做計算分析。

ADPD188BI集成光學模塊系統框圖

模擬前端（AFE）是ADPD188BI的核心，它是一顆ASIC，包含一個控制模塊、一個配備20位脈沖蓄能器的14位模數轉換器 （ADC） 和三個可獨立控制的靈活 LED 驅動器。控制電路包括靈活的LED信號傳輸和同步檢測功能。該模擬前端具有抑制調制干擾導致信號失調和破壞（通常由環境光所致）的優異特性，同時可以通過1.8V I2C接口或SPI接口進行數據輸出和功能配置。

突出的性能優勢

這樣的設計，為ADPD188BI帶來了諸多性能上的優勢。具體來講，有以下幾點：

1性能高，誤報少由于ADPD188BI采用了兩個LED光源（藍光和紅外），可獲得高動態范圍和高SNR，波長不同的LED意味著有兩個不同的折射角，測量值更可靠，可以區分出煙霧顆粒的大小，更精準地分辨出煙霧的類型，從而減少誤報。這樣的煙霧探測器可以應用在廚房和浴室等更多傳統方案“不適用”的場景中。

2更小尺寸

ADI這個煙霧探測器解決方案使用Mie散射方法，LED更接近光電二極管，從而減小了整個電路板系統的尺寸。從圖4中可以看出，傳統方案的平均寬度約為50mm（右），而ADPD188BI只需3.80mm（左）。

ADI煙霧探測器解決方案小型化優勢明顯

這種高集成、小型化的結構，簡化了腔室設計，也提升了制造流程的效率。同時由于條件固定以及物理外形的減小，也讓系統校準變得更容易，為用戶帶來便利。

值得一提的是，通過巧妙的設計，ADPD188BI專門優化的封裝方式，讓發射和接收系統“分處兩室”，分別放置且密封于獨立的空間內，可防止LED發出的光線在進入煙霧探測腔之前直接照射到光電二極管，確保系統的可靠性。

ADPD188BI小型化封裝方式示意圖

3低功耗

整個ADPD188BI系統的高集成度，可以明顯改善電源管理，實現更低的功耗。此外，LED短脈沖也有利于功耗的進一步優化，從而延長電池供電設備的使用壽命，為支持更多功能——如其他傳感器和無線通信——提供更大的空間。

配套設計資源

除了自身過硬的性能優勢，ADI還為用戶提供了與ADPD188BI配套的設計資源，以利于最終的方案和產品能夠滿足設計規范和安全法規的要求。

比如圖6所示的，是經ADI設計并由Accumold制造的EVAL-CHAMBER煙室，它可以確保最大的氣流量，以利于發揮出光電煙霧探測器的性能優勢。

與ADPD188BI配套使用的EVAL-CHAMBER煙室

為了對“ADPD188BI光學模塊+EVAL-CHAMBER煙室”的完整組合方案做評估以及合規測試，ADI還提供了一套評估系統。該系統由EVAL-ADPD188BIZ-S2評估板、EVAL-ADPDUCZ微控制器板、可選的EVAL-CHAMBER煙室和具有圖形用戶界面（GUI）的Wavetool評估軟件組成。

EVAL-ADPD188BIZ-S2評估板

帶有EVAL-CHAMBER煙室和EVAL-ADPD188BIZ-S2的評估系統

開發者可以通過Wavetool評估軟件對評估系統進行配置、實時頻率和時域分析，以及通過用戶數據報協議（UDP）與用戶開發系統連接。可視化的界面，讓測試結果一目了然。

在無背景響應（上）和煙霧出現時（下）Wavetool評估軟件的顯示

結 語

根據國際能源署（IEA）的預測，隨著城市化水平的提升，全球樓宇建筑面積將以每年約3%的速度增加，這一增長在中國和其他發展中國家更為顯著，煙霧探測的應用范圍在不斷擴大。與此同時，樓宇中使用的合成材料也越來越多，這對于煙霧探測的可靠性和精準性也提出了新的要求。這些趨勢也在推動煙霧探測相關法規的升級，也構成了進入這一領域的一道門檻。想要邁過去，你就需要一個“靠譜兒”的煙霧探測方案做支點。

現在，這樣的方案就擺在你眼前，一站式滿足未來你對煙霧探測器安全性、成本和可靠性的全面要求。? ? ? ?
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