Introducción
Este artículo técnico brinda una descripción del software y los aspectos de datos del diseño de referencia para detectores de humo CN-0537, los cuales están diseñados y probados para cumplir con las especificaciones descritas en UL 217, Edición 8. El diseño se basa en el análisis de información de investigación sobre incendios recopilada en instalaciones de pruebas de humo pertenecientes a Underwriters Laboratories (UL) e Intertek Group PLC. Estas instalaciones de prueba y el procedimiento de prueba cumplen con las especificaciones UL 217 para alarmas de humo residenciales. El diseño de referencia utiliza el sensor óptico integrado ADPD188BI (con LED y fotodiodo) junto con una cámara de humo optimizada diseñada para detectar y medir partículas de humo utilizando un único dispositivo calibrado. Es importante destacar que el diseño de referencia también incluye un algoritmo de detección de humo verificado y probado por UL 217 para permitir que los clientes reduzcan los ciclos de vida de desarrollo de sus productos y entreguen sus diseños de productos finales de manera más rápida. El hardware de diseño de referencia compatible con el factor de forma de Arduino, que incluye el diseño de referencia para el detector de humo CN-0537 y la placa de desarrollo de microcontrolador ADICUP3029, se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Solución de hardware de diseño de referencia para detector de humo.
Sensor de humo ADPD188BI
Desde la década de 1970, los detectores de humo se han convertido en un elemento común en edificios comerciales y residenciales. En la actualidad, existen dos tipos básicos de detectores: el de ionización, que utiliza material radiactivo para ionizar el aire y comprobar si hay un desequilibrio eléctrico; y el fotoeléctrico, que usa una fuente de luz dirigida hacia un ángulo alejado del fotodetector y verifica la corriente del fotodetector causada por la luz que se refleja de las partículas en el aire al fotodiodo.
Aunque se recomienda una solución combinada de ambos tipos, el detector de humo fotoeléctrico es más popular debido a su confiabilidad mejorada para detectar incendios domésticos comunes y tiempos de respuesta más rápidos a los incendios sin llama.
El módulo óptico ADPD188BI que se muestra en la Figura 2 es un sistema fotométrico completo diseñado específicamente para aplicaciones de detección de humo. La utilización de ADPD188BI en lugar de los circuitos detectores de humo discretos tradicionales simplifica enormemente el diseño, ya que la optoelectrónica (compuesta por dos LED y dos fotodetectores) y la interfaz analógica (AFE) ya están integradas en el paquete. Para realizar la detección de humo, el ADPD188BI utiliza una técnica de longitud de onda doble: dos LED integrados emiten luz en dos longitudes de onda diferentes; uno a 470 nm (luz azul) y el otro a 850 nm (luz infrarroja). Estos LED se pulsan en dos intervalos de tiempo independientes, y la luz transmitida realiza una retrodispersión hacia el dispositivo mediante las partículas en el aire.
Figura 2. ADPD188BI y sección transversal de la cámara de humo.
Luego, dos fotodetectores integrados reciben la luz dispersada y producen niveles proporcionales de corriente de salida, que la AFE convierte internamente en código digital. Suponiendo que la potencia óptica del LED se mantenga constante, un aumento en los valores de salida del ADPD188BI a lo largo del tiempo indica una acumulación de partículas en el aire, tal como se ilustra en la Figura 3.
Figura 3. Retrodispersión de luz de los LED del ADPD188BI.
La respuesta al humo del ADPD188BI se expresa mejor como una relación entre la potencia óptica recibida y la potencia óptica transmitida. Este parámetro, denominado relación de transferencia de potencia (PTR), expresado en nW/mW, es un valor mucho más significativo que los códigos de salida sin procesar porque es independiente de la configuración de hardware real utilizada. En cuanto a los pasos necesarios para configurar el sensor y convertir su salida a valores PTR, consulte la nota de aplicación disponible aquí.
Compensación de temperatura LED
La respuesta del ADPD188BI se ve afectada por la temperatura ambiente. Para el canal azul, esto se complica aún más porque la forma de la curva de respuesta a la temperatura también puede variar, según la cantidad de corriente LED utilizada. Para el canal infrarrojo, la curva de respuesta de temperatura es independiente de la corriente del LED.
Para determinar el valor de la respuesta relativa, se debe poder medir la temperatura ambiente en tiempo real. En el CN-0537, un sensor de temperatura y humedad monitorea las condiciones dentro de la cámara, junto al ADPD188BI. Al seleccionar un sensor, el tamaño del componente es la consideración principal dado que el espacio es un bien escaso dentro de la cámara.
Con los valores de temperatura en tiempo real dentro de la cámara, la compensación de temperatura se realiza mediante software. Para ello, se toma la respuesta relativa en la temperatura de operación de la pieza y se la multiplica con los datos en bruto leídos desde el dispositivo. Esto nos da los datos compensados de temperatura que se pueden usar para calcular la respuesta de la PTR. Los coeficientes de respuesta relativa se guardan en tablas estáticas en la memoria para los datos de compensación del LED azul y el LED infrarrojo. Después de leer los datos del dispositivo, la aplicación lee el sensor de temperatura y la corriente del LED azul para determinar qué tabla y qué coeficiente de respuesta relativa se utilizará. Se utiliza la tabla más cercana al nivel de corriente del LED, y el valor del índice se calcula de la siguiente forma:
Índice = (40 + temperatura) / granularidad
donde:
- • el índice es el índice del elemento correspondiente en la tabla;
- • la temperatura es la temperatura actual;
- • la granularidad es la diferencia de temperatura entre dos puntos de datos en la tabla de respuesta relativa; por ejemplo, si las relaciones tienen una separación de 5 grados, la granularidad sería 5.
Este método compensa los datos del dispositivo mediante la interpolación de orden cero en la tabla de respuesta relativa. Esto se hace para lograr eficiencia de tiempo y energía. Si se necesita una mayor precisión, la granularidad puede ser menor y se puede realizar una interpolación de primer o segundo orden, a expensas del consumo de energía y los ciclos del procesador.
Descripción general de los escenarios de prueba y el Estándar UL 217
De manera similar a la tecnología de los detectores de humo, las regulaciones de seguridad contra incendios residenciales también se han mantenido prácticamente iguales desde la década de 1970, a pesar de los avances en la electrónica y los materiales domésticos comunes a lo largo de las décadas. Las nuevas revisiones de los estándares, como ANSI/UL 217 y ANSI/UL 268, publicados por Underwriters Laboratory (UL), o el Código Nacional de Alarmas contra Incendios NFPA R 72, publicado por la Agencia Nacional de Protección contra Incendios (NFPA), tienen como objetivo abordar esta brecha, ya que establecen requisitos más complejos para los diseños de detectores de humo modernos.
Por ejemplo, además de las pruebas tradicionales de sensibilidad al fuego y al humo, la última edición del estándar UL 217 ahora requiere que los detectores de humo no produzcan una falsa alarma durante eventos molestos, como cocinar. Por lo tanto, los detectores de humo modernos deben poder distinguir entre un evento molesto en la cocina y una situación de incendio.
El objetivo de estos nuevos estándares es aumentar la seguridad al disminuir el número de muertes relacionadas con incendios y, al mismo tiempo, reducir el número de falsas alarmas generadas a partir de la actividad diaria. Tradicionalmente, esto requeriría una solución complicada con múltiples tecnologías de sensores y un nivel de inteligencia artificial. No obstante, el empleo del ADPD188BI hace que esto sea significativamente más sencillo de implementar. El ADPD188BI es un módulo óptico integrado con múltiples sensores LED diseñados específicamente para la detección de humo.
Para que cualquier detector de humo se convierta en un producto comercial, debe pasar una certificación. En los Estados Unidos, eso implica principalmente la norma UL 217. La especificación destaca varios escenarios de prueba para incendios o eventos de humo, que todas las unidades probadas deben pasar. En 2021, entrará en vigencia una versión actualizada de esta especificación, lo que requerirá la aprobación de pruebas adicionales, y esto hará que sea más difícil obtener la certificación.
Figura 4. Pruebas de sensibilidad a la orientación física de CN-0537.
El rendimiento de detección del sensor se determina a partir de dos categorías de prueba principales: pruebas de sensibilidad y pruebas basadas en escenarios. Las pruebas de sensibilidad se centran en la variación de las activaciones de alarma a partir de diferentes orientaciones físicas y condiciones ambientales. Como ejemplo de alguna de estas pruebas, podemos mencionar la Sección 42 de UL 217. En este caso, el humo se alimenta en una cámara a una velocidad común y se miden el tiempo de alarma y el nivel de oscurecimiento. Esto se repite en ocho orientaciones del dispositivo y en varias unidades. Se muestra un dispositivo de ejemplo en la Figura 4, donde están etiquetadas las ocho perspectivas de aproximación del humo. Estas mediciones no pueden exceder el 50 % de variación entre las unidades más y menos sensibles en todas las perspectivas. Para hacer que esta prueba sea aún más difícil, las mismas unidades también se prueban a temperaturas y humedades extremas para verificar que mantengan respuestas uniformes.
Las pruebas basadas en escenarios involucran diferentes fuentes de incendio, así como diferentes restricciones aplicadas a diferentes pruebas.
Tabla 1. Breve descripción de los niveles objetivo de UL 217
Conforme la 8.a Edición de UL 217, se incorporó un nuevo aspecto a fin de incluir las fuentes molestas en las fuentes de incendio tradicionales. Esto evita una configuración de umbral simple contra los niveles de humo, ya que las alarmas se activarían prematuramente en tal escenario. Se puede ver un ejemplo de esta situación en el perfil de humo de la Figura 5, donde se observa un pico inicial y una segunda tendencia de aumento. Este es el perfil de un evento molesto más una fuente de humo válida, donde inicialmente se modela un incendio molesto seguido de una condición de incendio real en la que se debe activar una alarma. En función de las especificaciones exigidas por UL 217, los detectores calificados no emitirán una alarma hasta que el humo haya alcanzado un nivel inicial (L1), pero antes de que haya ocurrido una cantidad de tiempo especificada (T1) y no se haya alcanzado un determinado nivel de humo (L2). Estos factores combinados crean una ventana de alarma a partir de estos requisitos. Estos requisitos también son diferentes entre las fuentes de incendio de prueba, pero deben ser manejados por el mismo dispositivo sin conocimiento de una fuente de incendio. Se indica un resumen de estos escenarios en la Tabla 1.
Figura 5. Perspectiva de prueba de CN-0537.
Metodología de diseño para el algoritmo de detección de humo de CN-0537
Recopilación de información de investigación sobre incendios
Para modelar correctamente tanto la variación de la pieza como la variación de la prueba, ADI diseñó y construyó PCB con cuatro y ocho sensores de humo ADPD188BI montados en la superficie, junto con el cableado necesario hacia una MCU para facilitar la recopilación de datos. Todos los sensores, excepto uno, estaban equipados con una cámara durante cada prueba de humo.
Como resultado, se probaron varios sensores en tantos incendios como fue posible en las instalaciones de prueba de UL e Intertek. En consecuencia, cada prueba correspondiente a cualquiera de las fuentes de humo identificadas por UL 217 para la certificación se registra a través de múltiples placas y múltiples sensores de humo simultáneamente. Se podrá encontrar una ilustración del techo de la instalación de prueba de humo de Intertek que muestra las PCB montadas con sensores de humo ADPD188BI en la Figura 6. La disposición general de la instalación de prueba con varios componentes de la configuración de prueba general se muestra en la Figura 7. Tenga en cuenta que las cápsulas 1, 2 y 3 están ubicadas en el techo, mientras que las cápsulas 4 y 5 están ubicadas en las paredes.
Figura 6. Cápsulas de PCB de ADPD188BI montadas en el techo para pruebas de humo según UL 217.
Figura 7. Disposición de la instalación de prueba de humo compatible con UL 217.
Cómo comprender la información de investigación sobre incendios
Ahora analizamos determinadas características clave presentes en un perfil de humo típico observado durante una prueba de incendio para un evento molesto (cocción de hamburguesas). Estas características sirven como distintivos para aislar la fuente de humo, lo que ayuda a diseñar el algoritmo del detector de humo.
En el caso de un incendio molesto que se muestra en la Figura 8, UL 217 exige que el incendio molesto se extinga cuando la referencia de oscurecimiento correspondiente alcance el 1,5 % y posteriormente, al iniciarse un incendio de poliuretano (PU), se puede recopilar una referencia de oscurecimiento utilizando el haz ubicado a 5 metros (17 pies) de distancia. Esto puede verse en la Figura 8, donde alrededor de la marca de 1100 segundos, la respuesta tanto del LED azul como del PD IR comienza a disminuir debido a la extinción del incendio molesto. A partir de ese momento, la respuesta se debe completamente al incendio de PU.
Figura 8. Un perfil de humo de PU/hamburguesa para la prueba 1 realizada en Intertek en febrero de 2020; se usó la cápsula A y el dispositivo 2. Tenga en cuenta que la referencia de oscurecimiento está en unidades de porcentaje/pie, mientras que la respuesta del sensor está en nW/mW.
Tenga en cuenta que las cápsulas siempre están ubicadas a 3 metros (10 pies) de distancia de la fuente de incendio durante esta prueba, dado que este es el requisito del aspecto molesto de la prueba. Debido a que el aspecto del PU en llamas de esta prueba se especifica en 5 metros (17 pies), los datos de referencia de oscurecimiento son el resultado de combinar información de dos haces diferentes para determinar si se cumplieron los requisitos. También se puede observar que, si bien el incendio molesto tiene las características de un incendio de combustión lenta, el incendio de PU es rápido.
Diseño y limitaciones del algoritmo
Antes de procesar los datos del sensor ADPD188BI para la detección de humo, debe calcularse el sesgo del sensor y eliminarse de los datos de la PTR. El sesgo del sensor es único para cada dispositivo y es el resultado de las tolerancias de la cámara, los desvíos del LED/PD a largo plazo y la acumulación de polvo u otro tipo de suciedad, entre otros. Además, su comportamiento a largo plazo se ve afectado por varios factores como la humedad ambiental, la temperatura, el envejecimiento, etc. El sesgo del sensor también varía durante un período de tiempo prolongado y, por lo tanto, requiere un seguimiento extenso. En consecuencia, cualquier algoritmo de detector de humo que asuma datos de media cero en ausencia de un evento de incendio y emplee el ADPD188BI necesita calcular periódicamente el sesgo del sensor y luego, eliminarlo de los datos capturados.
Además, el hecho de optimizar el número de cálculos del algoritmo y, como consecuencia, optimizar la potencia del sistema que se consume en el algoritmo también es una decisión de diseño importante. Una función de preprocesamiento promedio en ventana opcional y proporcionada por ADPD188BI influye en esta decisión. Este paso mejora la SNR en los datos a expensas de la energía del sistema y se realiza antes de aplicar cualquier algoritmo de detección de humo. En nuestro estudio, pudimos lograr cumplir con UL 217 sin incorporar este paso en nuestro algoritmo. Además, en nuestro diseño, utilizamos muestras capturadas en intervalos de aproximadamente 6 segundos, optimizando así en gran medida la potencia del sistema empleada para los cálculos de algoritmos. Los clientes interesados que deseen incorporar esta función pueden consultar este documento.
Como se explicó anteriormente, la naturaleza contrastante de los perfiles de humo de desarrollo rápido y combustión lenta sirve como motivación para diseñar el algoritmo de detección de humo. El algoritmo del detector de humo de ADI se basa en el procesamiento de muestras de PTR como datos de series de tiempo y en la identificación de instancias en el tiempo cuando es necesario hacer sonar una alarma a medida que se observan ciertos eventos clave en los datos de series de tiempo. ADI proporciona alrededor de 1500 combinaciones de parámetros de ajuste de algoritmos que cumplen con los requisitos de tiempo de alarma y nivel de oscurecimiento del haz de referencia de UL 217 dentro de diferentes niveles de margen de éxito según la fuente de humo en consideración.
Resultados de rendimiento para el algoritmo de detección de humo de CN-0537
Ajuste del algoritmo
En esta sección, analizamos los resultados de rendimiento obtenidos al aplicar el algoritmo de detección de humo de CN-0537 para investigar los datos de incendio recopilados en laboratorios aprobados por UL. Este proceso también involucró el ajuste de los parámetros del algoritmo de detección de humo de CN-0537 de manera que los clientes puedan elegir entre un gran conjunto de combinaciones de parámetros de ajuste, las cuales cumplen con UL 217, pero tienen diferentes grados de margen de éxito. El diagrama de eventos molestos por cocción de hamburguesas que se muestra en la Figura 9 servirá como ejemplo de fuente de humo para describir los aspectos de rendimiento del algoritmo en general.
Figura 9. Nivel de oscurecimiento del haz de referencia para la prueba de PU/hamburguesa.
En la Figura 9, se muestran los límites superiores e inferiores para los niveles de oscurecimiento del haz de referencia exigidos por UL 217 para una prueba de PU/hamburguesa. También se muestra el nivel de oscurecimiento del haz de referencia cuando el algoritmo genera una alarma. El eje x de esta figura describe el índice de combinación de los parámetros de ajuste.
Entonces, para un índice del eje x dado, se ha aplicado la combinación correspondiente de parámetros de ajuste a todos los archivos de datos y se han categorizado los resultados obtenidos. Como se muestra en la Figura 9, si bien todas las combinaciones de parámetros de ajuste generan un algoritmo que cumple con UL 217, el margen entre el nivel de oscurecimiento del tiempo de alarma y el nivel de oscurecimiento objetivo puede ser muy estrecho. Además, se puede observar que, si bien una combinación de parámetros de ajuste puede proporcionar un margen suficiente para algunas fuentes de humo, puede generar alarmas potenciales para otras. Por lo tanto, la selección de los parámetros de ajuste debe realizarse teniendo en cuenta todas las fuentes de humo.
A modo de ejemplo, en la Figura 9 observamos que UL 217 estipula que el algoritmo emite alarmas por debajo del nivel de oscurecimiento del haz de referencia del 5 % y por encima del 1,5 %. Para una determinada combinación de parámetros de ajuste (supongamos, índice 500 y entre todas las pruebas de PU/hamburguesa humeante), el mayor nivel de oscurecimiento entre todos los conjuntos de datos para incendios por PU/hamburguesas en el que el algoritmo emitió la alarma fue aproximadamente del 4,7 %; es decir, un valor dentro del nivel estipulado. Del mismo modo, el nivel de oscurecimiento más pequeño entre todos los conjuntos de datos de incendios molestos por hamburguesas en los que se activó la alarma fue aproximadamente del 2 %. Esta variación es principalmente el resultado de las variaciones en la realización de la prueba por parte del técnico o debido a la aleatoriedad inherente en el perfil de humo en sí de una prueba a otra.
Resultados de la prueba de UL 217
Tras el diseño del algoritmo y el ajuste utilizando un conjunto de datos de investigación de incendios, el algoritmo se sometió a pruebas para ver si cumplía con UL 217. Se puede ver un resumen de los resultados de las pruebas de Intertek con el algoritmo de detección de humo de CN-0537 en la Tabla 2, y el informe detallado está disponible aquí. Tenga en cuenta que, aunque EVAL-CN0537-ALGO ha sido probado y verificado para pasar las pruebas de incendio de la octava edición de UL 217, su objetivo principal es permitirles a los clientes centrarse en la tarea más amplia de crear su producto final. En otras palabras, incluso cuando se utiliza el algoritmo que ADI ha desarrollado, los clientes deben tener su producto final certificado en su totalidad según el estándar UL 217. Además, se debe tener en cuenta que solo se han probado y verificado los aspectos del detector de humo según UL 217 y no otras secciones del estándar UL 217, como las que se centran en los aspectos mecánicos, la duración de la batería, etc.
Tabla 2. Resultados y pruebas de certificación de Intertek para el algoritmo de detección de humo de CN-0537
Opciones de soluciones de ADI
Para abordar las necesidades de diferentes clientes, se encuentran disponibles una serie de ofertas de soluciones, las cuales se resumen en la Figura 10. El hardware es compatible con el factor de forma Arduino y está diseñado para acelerar la creación de prototipos y la evaluación del algoritmo de detección de humo integrado. El hardware está compuesto por el diseño de referencia EVALCN0537-ARDZ-EVAL que se describe en la nota de circuito CN-0537 y en la placa con microcontrolador EVAL-ADICUP3029 de soporte. El paquete de datos (EVAL-CNO537-DATA) brinda un extenso conjunto de datos relativos al humo, que se ha obtenido en instalaciones con certificación UL 217, para quienes deseen desarrollar su propio algoritmo y el código fuente de CN0537, sin incluir el algoritmo de detección. El paquete del algoritmo (EVAL-CN0537-ALGO) incluye todo el paquete de datos y agrega un algoritmo de detección de humo probado y verificado por UL, además de archivos de proyecto de algoritmos asociados.
Figura 10. Ofertas de diseños de referencia para CN-0537.
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