基于烟雾探测器的红外LED的向前散射系统设计

近日，住房和城乡建设部会同中央网信办、教育部、科技部、工信部等16部门联合印发了《关于加快发展数字家庭提高居住品质的指导意见》，明确指出要强化数字家庭工程设施建设，加强智能产品在住宅中的设置，对新建全装修住宅，明确要求户内设置火灾自动报警设备在内的基本消防产品。烟感设备作为消防的一部分，是新建住宅强制性的配套设施，很有可能是智慧消防迈向住宅社区硬性配置的第一步，未来有望成为住宅社区的标配。

 

消防不仅仅是要应对已经发生的火灾，更重要的在于提前预防，消除隐患。而烟雾探测器就是这样的关键设备，一旦出现疑似火灾的迹象便发出警告提醒，为灭火和逃生赢得时间。“然而，据美国消防协会统计，23％的人员死亡来自安装有烟雾探测器的场所，这是因为传统的烟雾探测器往往无法分辨烟雾的类型，容易引发误报，从而被人为停用，最后导致了悲剧的发生。”在2021慕尼黑上海电子展上，ADI市场经理祝臻指出，“此外，传统烟感还存在体积过大、规格不一、调试困难等情况，烟感设备面临技术变革要求。”

误报尴尬背后凸显消防隐患，烟雾探测技术变革正当时

某个冬天的深夜，某智慧小镇的消防中心提示出现火情，烟雾探测声光报警系统信息不断提示xx住户家有烟雾产生。几次电话联系业主未果，物业保安已经紧急找到业主家，下夜班回家刚洗完澡的业主一脸茫然面对保安火警的询问。与业主细查，原来是因为洗澡的雾气弥漫导致走廊中的烟雾探测器误报，一场火警以物业尴尬道歉收场。这是祝臻在慕展现场与业界人士分享的一个真实场景。“尴尬事小安全事大，这种误报导致部分业主人为停用烟雾探测器。”祝臻说道，“越来越多的物业认识到传统烟雾探测设备本身带来的安全隐患。”

“传统烟感器的主要缺陷来源于采用单色LED作为测量光源。”祝臻分享道。经典光电式烟雾报警器以离散方式设计，通过向前散射发挥作用，其中特定波长的LED光（通常在红外范围内）被粒子散射到光电二极管上，如果测量光源（LED）和探测器（光电二极管）之间因存在颗粒而导致的暗光或消光，则说明有烟雾进入报警器中。

具有红外LED的向前散射系统

“使用这种设计制作得烟雾探测装置只能对烟雾的浓度进行区分，而无法识别烟雾类型，不管是燃烧烟雾、水蒸气还是做饭时产生的油烟，只要浓度达到一定阈值，报警器就会产生警报，频繁的误报打扰正是导致人们禁用烟雾报警器的首要原因。”祝臻指出。为了解决这个问题，烟雾探测相关标准的制定上已经发生了一些变化，希望自上而下推动烟雾报警器检测精度的提高：即将在2021年6月发布的最新UL标准中更新了聚氨酯燃烧、闷烧和烹饪滋扰，即汉堡包烟雾干扰报警测试。在该测试中，必须能够区分汉堡包肉饼产生的烟雾和易燃聚氨酯产生的烟雾。

 

现场的模拟水蒸气干扰敏感性检测中，传统方案很快报警，而ADI双光检测方案没有出现误报

为此，ADI推出了一款完全集成烟雾探测器模块ADPD188BI，力求彻底解决经典烟雾报警器存在的这些问题。“ADPD188BI中集成了两颗LED发射器，一颗蓝光发射器、一颗红外发射器。所以它不但能监测烟雾的浓度，同时还可以监测烟雾的颗粒直径，以区分正常烟和火灾烟。”祝臻介绍到。其中蓝色LED波长470nm，红外LED波长850nm，这些LED在两个独立的时隙中发出光脉冲，发射的光被空气中的颗粒物散射回器件上。这种通过双色光波长监测，不仅支持单独测量单个波长，还支持分析比率构成，从而进一步降低了误报率。

APDPD188BI在无烟室中进行汉堡烟雾和易燃聚氨酯烟雾检测的测试结果

如上图所示，ADPD188BI发出的两种信号曲线在两种场景下有很大区别，说明该传感器能够清楚区分这两种烟的类型。可以看出，信号随时间的变化，聚氨酯在220秒后达到报警阈值，时间长度是汉堡烟雾达到报警阈值的1/4（超过1000秒后）。聚氨酯燃烧4分钟后，可检测到临界水平。利用传感器的高信噪比还可清楚区分和记录粒子浓度的变化，例如右图中圈出的部分，在易燃聚氨酯测试中，斜率突然增加。

全集成下的高一致性、小尺寸和低功耗，全方位推进应用落地

市场变化日新月异，对于烟雾传感设备制造商来说，自然希望拿到解决方案后就能尽快投入大规模量产。“然而，传统的分立解决方案由于从传感到信号调理以及后端数据读取分析都是独立的器件完成，导致很难达到高的产品一致性，产品校验成了主要的工序。”祝臻表示，“ADPD188BI是一套利用光学双波长技术进行烟雾探测的完整测光系统，每片芯片出厂前做了单独校准，只需要少量外部组件就可以实现商业产品设计。这带来的最显著的好处是产品性能一致性非常好。”

集成光学设计可极大简化光学设计并提供显著的系统增强功能

在固定电流下，不同LED的发光强度通常有很大的差异，因此过去都是由烟雾报警器制造商执行烟雾报警器校准，校准LED发光强度与电流之间的斜率和偏移，可以确保所有LED保持具有相同的性能表现。在ADPD188BI中，因为LED和整个信号路径都集成到了一起，所以ADI会预先校准传感器模块，这样就可以减少器件之间的差异。此外，ADPD188BI校准系数存储在芯片的非易失性存储器（即eFUSE寄存器）中。通过读取这些系数，可以尽可能地减小芯片之间的差异。这意味着可以在算法中更精确地设置报警阈值，从而降低误报率。由于烟雾报警器制造商可以采用预先校准的模块，在此步骤上也简化了系统设计。

高度集成的另外一个显著的好处是整体电路尺寸更小，使得烟雾探测器可以更小更适应住宅和商业用途建筑。此外，更小的体积以及LED的短脉冲使得此模块比传统检测器功耗更低，红外LED的工作功耗仅为~5μW/Hz，此方案下的烟雾传感电池寿命甚至可达5年以上，显著了降低物业后期的维护成本。

“此外，ADPD188BI可为烟雾探测器提供完整的光学子系统解决方案，由于整个解决方案均由ADI公司制造、测试和验证，供应链更简单，可大大降低客户的风险。”祝臻补充道，“ADI还提供获得了评估许可的烟室以解决环境光、灰尘、昆虫等影响，并完全适用于ADPD188BI的集成光电器件使用反向散射系统。”值得一提的是，ADI还开发了烟雾探测器参考设计以及完整参考算法，包括经过设计和测试的UL 217测试数据设置和算法以满足UL要求，从而加快客户开发周期，降低成本和项目风险。

 

本文总结

据智研咨询数据，2019年中国消防行业市场规模突破3500亿元，预计2022年市场规模将达到4465亿元。同时根据国务院相关的通知，鼓励应用物联网等新技术，提高防火预测及信息获取等能力，初步估算，未来5年全国的烟感器安装规模有望达到7亿。“我相信随着生活水平的提高，这种新型烟感能够提高报警精准度、减低误报率，从根本上解决现有烟感的痛点，有效保障人民生命财产安全，在当前及未来正面临一个非常广阔的市场。”祝臻强调到。
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