本技術文章介紹了軟件和數據方面 的CN-0537煙霧參考設計，經過設計和測試，可滿足 UL 217 第 8 版中概述的規格。它是通過分析設計的 研究在承銷商煙霧測試設施收集的火災數據 實驗室（UL）和Intertek Group plc。這些測試設施和測試程序符合UL 217住宅煙霧規范 警報。該參考設計使用 ADPD188BI 集成光學傳感器 （帶 LED 和光電二極管）以及設計用于感應的優化煙室 并使用單個校準設備測量煙霧顆粒。重要的是， 參考設計還包括經過 UL 217 測試和驗證的煙霧探測 算法，以方便客戶縮短其產品開發生命周期和 更快地交付最終產品設計。

ADPD188BI 煙霧傳感器

自 1970 年代以來，煙霧探測器在商業和 住宅。目前存在兩種基本類型的探測器 - 電離 類型，使用放射性物質電離空氣并檢查電不平衡;和光電類型，它使用針對 遠離光電探測器的角度并檢查光電探測器電流是否引起 通過從空氣中的顆粒反射到光電二極管的光。

雖然建議使用兩種類型的組合解決方案，但光電 煙霧探測器更受歡迎，因為它在檢測普通房屋火災方面提高了可靠性，并且對陰燃火災的響應時間更快。

圖2所示的ADPD188BI光學模塊是一個完整的光度測量系統 專為煙霧探測應用而設計。使用ADPD188BI代替傳統的分立式煙霧探測器電路，大大簡化了 設計為光電子學（由兩個LED和兩個光電探測器組成） 模擬前端（AFE）已經集成到封裝中。要執行 煙霧檢測，ADPD188BI采用雙波長技術：兩個集成LED發射兩種不同波長的光;一個在 470 nm（藍光）和 另一個在 850 nm（紅外光）。這些 LED 在兩個獨立的時間內脈沖 插槽，透射光通過微粒散射回設備上 空氣中的物質。

圖2.ADPD188BI和煙室的橫截面。

然后，兩個集成的光電探測器接收散射光并產生成比例的輸出電流水平，這些輸出電流由AFE在內部轉換為 數字代碼。假設LED光功率保持恒定，則 ADPD188BI 輸出值隨時間推移表示空氣中顆粒物的積聚，如 如圖 3 所示。

圖3.來自 ADPD188BI LED 的光反向散射。

ADPD188BI的煙霧響應最好表示為接收到的比值 光功率到發射的光功率。稱為功率傳輸 比率 （PTR），以 nW/mW 表示，此參數是一個更有意義的值 比原始輸出代碼，因為它獨立于實際使用的硬件設置。至于配置傳感器以轉換其輸出所涉及的步驟 有關PTR值，請參閱此處提供的應用說明。

發光二極管溫度補償

ADPD188BI的響應受環境溫度的影響。對于 藍色通道，這更加復雜，因為溫度的形狀 響應曲線也可能因使用的 LED 電流量而異。為 紅外通道，溫度響應曲線與LED電流無關。

為了確定相對響應的值，測量環境的能力 需要實時溫度。在CN-0537上，ADPD188BI旁邊的溫度和濕度傳感器監控腔室內的條件。 選擇傳感器時，組件尺寸是主要考慮因素 因為腔室內的空間非常寶貴。

通過腔室內的實時溫度值，溫度補償在軟件中通過在整個操作過程中獲取相對響應來完成 器件的溫度，并將其乘以從器件讀取的原始數據。 這為我們提供了可用于計算 PTR 響應。相對響應系數保存在內存中的靜態表中 用于紅外 LED 和藍色 LED 補償數據。從 設備，應用程序讀取溫度傳感器和藍色 LED 電流 找出使用哪個表和相對響應系數。表格更接近 使用LED電流電平，指數值計算如下：

哪里：

index 是表中相應元素的索引

溫度是當前溫度

粒度是 相對響應表;例如，如果比率相距 5°，則粒度 將是 5

此方法使用零階插值來補償設備數據 相對響應表。這樣做是為了提高功率和時間效率。如果需要更高的精度，粒度可以更小，并且一階或二階插值 可以做到，但代價是功耗和處理器周期。

UL 217 標準和測試方案概述

與煙霧探測器技術類似，住宅消防安全法規也有 自 1970 年代以來，盡管電子學和 幾十年來常見的家居用品。標準的新修訂，例如 作為 ANSI/UL 217 和 ANSI/UL 268，由美國保險商實驗室 （UL） 發布，或 NFPA R 72國家火災報警代碼，由國家消防局發布 （NFPA），旨在通過對現代提出更復雜的要求來解決這一差距 煙霧探測器設計。UL 217標準文件可以從這里購買。

例如，除了傳統的火災和煙霧敏感性測試外，最新版本的UL 217標準現在要求煙霧探測器不產生 在烹飪等滋擾事件期間誤報。所以現代煙霧探測器必須 能夠區分烹飪滋擾事件和火災事件。

這些新標準的目標是通過減少數量來提高安全性 與火災有關的死亡人數，同時減少日常活動中產生的誤報數量。傳統上，這將需要一個復雜的 具有多種傳感器技術和一定程度的人工智能的解決方案; 但是，使用ADPD188BI使其實現起來更加簡單。ADPD188BI是一款集成光學模塊，具有多個LED傳感器 專為煙霧探測而設計。

要使任何煙霧探測器成為商業產品，它必須通過認證。在美國，這主要是UL 217。該規范重點介紹了火災或煙霧事件的幾個測試場景，每個測試單元都需要通過這些場景。該規范的更新版本將于 2021 年生效，這將需要額外的 要通過的測試，從而使獲得認證變得更加困難。

圖4.CN-0537的物理定向靈敏度測試。

傳感器檢測性能由兩個主要測試類別決定：靈敏度測試和基于場景的測試。敏感性測試側重于 來自不同物理方向和環境條件的警報觸發器。一 其中一項測試的示例來自 UL 42 第 217 節，其中煙霧被送入 以通用速率測量腔室，并測量報警時間和遮蔽水平。 對設備的八個方向和多個單元重復此操作。一 示例設備如圖 4 所示，其中所有八個煙霧接近透視 被標記。這些測量值不能超過50%之間的變化 以及所有角度中最不敏感的單位。為了使此測試更加困難， 相同的裝置也在極端溫度和濕度下進行測試，以驗證它們 保持其一致性。

基于場景的測試涉及不同的火源以及不同的約束 應用于不同的測試。

根據 UL 217 8千版本，引入了一個新方面來添加滋擾來源 與傳統火源。這可以防止簡單的閾值設置 煙霧水平，因為在這種情況下會過早觸發警報。 圖 5 的煙霧剖面顯示了這種情況的一個示例，其中 觀察到初始峰值，并觀察到第二個斜坡趨勢。這是配置文件 滋擾加上有效煙源，最初對滋擾火災進行建模 其次是真正的火災情況，即要發出警報。基于 UL 217規定的規范，合格的探測器直到之后才會報警 煙霧已達到初始水平 L1，但在指定的時間之前， T1 已發生，但尚未達到一定的煙霧水平 L2。這些結合在一起 因素根據這些要求創建警報窗口。這些要求 測試火源之間也不同，但必須由相同的處理 不知道源火的設備。這些方案的匯總表是 表 1 中提供。

圖5.CN-0537的測試角度。

CN-0537 煙霧探測算法設計方法

研究火災數據收集

為了正確模擬零件變異和測試變異，ADI公司設計了 并構建了帶有四個和八個 ADPD188BI 煙霧傳感器的 PCB，安裝在 表面以及必要的MCU電纜，以方便數據收集。 在每次煙霧測試期間，除了一個傳感器外，所有傳感器都配備了一個腔室。

因此，許多傳感器在UL和UL的盡可能多的火災中進行了測試。 天祥的測試設施。因此，每個審判對應于任何一項 UL 217 確定的煙源由多個委員會記錄 并同時通過多個煙霧傳感器。天花板的示意圖 Intertek的煙霧測試設施顯示安裝了ADPD188BI煙霧的PCB 傳感器如圖 6 所示。描述測試設施的總體布局 整個測試設置的各個組件如圖7所示。請注意，pods 1， 2 和 3 位于天花板上，而吊艙 4 和 5 位于墻壁上。

圖6.ADPD188BI PCB 吊艙安裝在天花板上，用于 UL 217 煙霧測試。

圖7.符合 UL 217 標準的煙霧測試設施布局。

了解研究火災數據

我們現在看看在 （漢堡包）滋擾測試火災事件。這些功能可作為隔離煙源的特征，從而有助于煙霧探測器算法的設計

在圖 8 所示的滋擾火災的情況下，UL 217 要求 當相應的遮擋參考時，滋擾火災被撲滅 達到 1.5%，隨后，在引發聚氨酯 （PU） 火災時，會遮擋 可以使用位于17'外的光束收集參考。從圖 8 中可以看到這一點， 在 1100 秒標記附近，藍色 LED 和 IR 的響應 由于滋擾火災被撲滅，PD開始下垂。從那時起 上，響應完全是由于PU火災。

圖8.2020 年 2 月在 Intertek 使用 Pod A 和設備 2 進行的試驗 1 的漢堡 PU 煙霧剖面。請注意，遮光參考以百分比/英尺為單位，而傳感器響應以 nW/mW 為單位。

請注意，在此期間，吊艙始終位于距離火源 10 英尺的地方 測試，因為這是測試的滋擾方面的要求。因為 該測試的火焰PU方面指定為17'，遮擋參考 數據是將來自兩個不同光束的數據拼接在一起以確定的結果 如果滿足要求。還可以觀察到，雖然滋擾 火具有慢燃火的特點，PU火速捕。

算法約束和設計

在處理用于煙霧檢測的ADPD188BI傳感器數據之前，傳感器偏置 需要計算并從 PTR 數據中刪除。傳感器偏置是 每個器件都是腔室公差、長期 LED/PD 漂移、 灰塵或其他污垢堆積等。此外，其長期行為受到以下因素的影響 各種因素，如環境濕度、溫度、老化等。傳感器偏置也 在很長一段時間內變化，因此需要長時間跟蹤 時間。因此，任何假設平均數據為零的煙霧探測器算法 沒有火災事件并采用ADPD188BI需要定期計算 傳感器偏置，隨后將其從捕獲的數據中移除。

此外，優化算法計算的數量，因此， 優化算法消耗的系統功耗也是一個重要因素 設計決策。可選的窗口平均預處理功能由 ADPD188BI是這一決定的因素。此步驟提高了數據中的信噪比 系統功率費用，并在應用任何煙霧檢測之前執行 算法。在我們的研究中，我們能夠在不將此步驟納入算法的情況下實現 UL 217 合規性。此外，在我們的設計中，我們利用了大約6秒間隔捕獲的樣本，從而大大優化了系統。 用于算法計算的功率。有興趣的客戶誰想要 要合并此功能，請參閱此文檔。

如前所述，快速捕獲和緩慢燃燒的煙霧剖面的對比性質是設計煙霧探測的動機 算法。ADI的煙霧探測器算法基于處理PTR樣本 作為時間序列數據，并在需要報警時及時識別實例 在觀察到時間序列數據中的某些關鍵事件時發出聲音。ADI提供 大約 1500 種符合 UL 217 標準的算法調整參數組合 參考光束遮擋水平和報警時間要求在不同范圍內 成功率取決于所考慮的煙源。

CN-0537 煙霧檢測算法性能結果

算法調優

在本節中，我們將討論通過應用 CN-0537 煙霧探測算法，用于研究在 UL 認證下收集的火災數據 實驗室。此過程還涉及調整CN-0537煙霧檢測 算法參數使得一大組調諧參數組合 可供客戶選擇，已通過 UL 217 合規性，但成功率不同。漢堡滋擾陰謀 圖9中將作為示例煙源來描述性能 一般算法的各個方面。

圖9.漢堡PU測試的參考光束遮蔽水平。

在圖9中，參考光束遮蔽水平的上限和下限 顯示了 UL 217 規定的漢堡 PU 測試。遮蔽級別 還顯示了算法引發警報時的參考光束。這里的 x 軸 圖描述了調諧參數的組合索引。

因此，對于給定的 x 軸索引，調整參數的相應組合已應用于所有數據文件，并且獲得的結果是 分類。如圖 9 所示，而調優參數的所有組合 使算法符合UL 217，報警時間之間的余量 遮蔽水平和目標遮蔽水平可以非常接近。此外 可以觀察到，雖然調整參數的組合可能會提供 對于某些煙源有足夠的余量，它們可能會導致關閉呼叫 別人。因此，調整參數的選擇必須通過會計進行 適用于所有煙源。

例如，我們從圖 9 中看到，UL 217 規定算法 報警低于參考光束遮擋水平 5% 和高于 1.5%。對于一個 給定調諧參數組合 — 例如，索引 500 和所有陰燃 漢堡和PU測試——所有漢堡和PU火災中最大的遮蔽度 算法發出警報的數據集約為 4.7%;也就是說，在 規定的水平。同樣，所有漢堡中最小的遮擋程度 發出警報的滋擾火災數據集約為2%。這 變化主要是由于進行測試時的變化是由 技術人員或由于煙霧剖面本身固有的隨機性來自一個 測試到另一個。

UL 217 測試結果

在使用研究火災數據集進行算法設計和調整后，該算法通過了 UL 217 合規性測試。天祥測試結果摘要 使用CN-0537煙霧檢測算法如表2所示，以及 詳細報告可在此處獲得。請注意，盡管 EVAL-CN0537-ALGO 是 經過測試和驗證，通過了 UL 217 8千版本防火測試，主要用于 方便客戶專注于創建最終產品的更大任務。 換句話說，即使使用ADI開發的算法，客戶 仍然需要根據UL對其最終產品進行全面認證 217標準。另請注意，只有 UL 217 的煙霧探測器方面 經過測試和驗證，而不是 UL 217 的其他部分，例如那些重點部分 在機械方面，電池壽命等。

ADI解決方案選項

為了滿足不同客戶的需求，提供了多種解決方案。 可用并在圖 10 中進行了總結。硬件是Arduino外形 兼容，旨在加速原型設計和評估 嵌入式煙霧檢測算法。硬件由EVALCN0537-ARDZ參考設計組成，該設計在CN-0537電路筆記和 支持EVAL-ADICUP3029微控制器板。數據 （EVAL-CNO537- DATA） 軟件包提供廣泛的煙霧數據集，通過 UL 217 認證 為希望開發自己的算法和CN-0537的人提供的設施 不包括檢測算法的源代碼。算法 （EVAL-CN0537-ALGO） 軟件包包括數據包中的所有內容以及經過 UL 測試和驗證的煙霧檢測算法以及相關的算法項目文件。

審核編輯：郭婷