Introduzione
Questo articolo tecnico fornisce una descrizione degli aspetti del software e dei dati del progetto di riferimento del rilevatore di fumo CN-0537 che è stato progettato e testato per soddisfare le specifiche dello standard UL 217, edizione 8. Il progetto di riferimento è stato messo a punto analizzando i dati di ricerche sugli incendi raccolti presso le strutture per i test sui fumi di Underwriters Laboratories (UL) e Intertek Group plc. Queste strutture e la procedura di test sono conformi alle specifiche dello standard UL 217 per i rilevatori di fumo residenziali. Il progetto di riferimento utilizza il sensore ottico integrato ADPD188BI (dotato di LED e fotodiodo) e una camera di fumo ottimizzata progettata per rilevare e misurare le particelle di fumo utilizzando un unico dispositivo calibrato. È importante sottolineare che il progetto di riferimento include anche un algoritmo di rilevamento del fumo testato e verificato in base allo standard UL 217, per aiutare i clienti a ridurre i cicli di sviluppo dei loro prodotti e a completare più velocemente i progetti dei prodotti finali. L'hardware del progetto di riferimento compatibile con fattore di forma Arduino, che include il progetto di riferimento del rilevatore di fumo CN-0537 e la scheda di sviluppo del microcontroller ADICUP3029, è mostrato nella figura 1.
Figura 1. Soluzione hardware per il progetto di riferimento del rilevatore di fumo.
Sensore di fumo ADPD188BI
Dagli anni '70, i rilevatori di fumo sono diventati comuni negli edifici commerciali e residenziali. Oggi esistono due tipi fondamentali di rilevatori: il tipo a ionizzazione, che utilizza la materia radioattiva per ionizzare l'aria e verificare un eventuale squilibrio elettrico e il tipo fotoelettrico, che utilizza una sorgente luminosa non puntata su un fotorilevatore e controlla la presenza di corrente del fotorilevatore determinata dalla luce che viene riflessa sul fotodiodo dalle particelle sospese nell'aria.
Sebbene sia consigliata una soluzione combinata di entrambi i tipi, il rilevatore di fumo fotoelettrico è più diffuso grazie alla sua maggiore affidabilità nel rilevamento di comuni incendi domestici e ai tempi di risposta più rapidi nel caso di incendi a combustione lenta.
Il modulo ottico ADPD188BI mostrato nella figura 2 è un sistema fotometrico completo progettato appositamente per applicazioni di rilevamento di fumo. L'utilizzo di ADPD188BI al posto dei tradizionali circuiti discreti dei rilevatori di fumo semplifica notevolmente la progettazione, poiché l'optoelettronica (costituita da due LED e due fotorilevatori) e il front-end analogico (AFE) sono già integrati nel pacchetto. Per effettuare il rilevamento del fumo, ADPD188BI utilizza una tecnica a doppia lunghezza d'onda: due LED integrati emettono luce a due diverse lunghezze d'onda, uno a 470 nm (luce blu) e l'altro a 850 nm (luce infrarossa). Questi LED emettono impulsi in due intervalli di tempo indipendenti e la luce trasmessa viene diffusa sul dispositivo dal particolato presente nell'aria.
Figura 2. Dispositivo ADPD188BI e una sezione trasversale della camera di fumo.
Due fotorilevatori integrati ricevono quindi la luce diffusa e producono livelli proporzionali di corrente d'uscita, che vengono convertiti internamente dall'AFE in un codice digitale. Supponendo che la potenza ottica del LED sia mantenuta costante, un aumento dei valori di uscita di ADPD188BI nel tempo indica un accumulo di particelle sospese nell'aria, come illustrato nella figura 3.
Figura 3. Retrodiffusione della luce dai LED del dispositivo ADPD188BI.
La risposta al fumo di ADPD188BI è espressa al meglio come rapporto tra la potenza ottica ricevuta e la potenza ottica trasmessa. Questo parametro, denominato rapporto di trasmissione di potenza (PTR) ed espresso in nW/mW, è un valore molto più significativo rispetto ai codici di output grezzi, perché è indipendente dalle impostazioni hardware effettive utilizzate. Per quanto riguarda i passaggi necessari per configurare il sensore a convertire la sua uscita in valori PTR, fare riferimento alla nota sulle applicazioni disponibile qui.
Compensazione della temperatura dei LED
La risposta del dispositivo ADPD188BI è influenzata dalla temperatura ambientale. Per il canale blu questo parametro risulta ancora più complicato, perché la forma della curva di risposta della temperatura può variare anche a seconda della quantità di corrente del LED utilizzata. Per il canale infrarosso, la curva di risposta della temperatura è indipendente dalla corrente del LED.
Per determinare il valore della risposta relativa è necessaria la capacità di misurare la temperatura ambientale in tempo reale. Nel caso di CN-0537, un sensore di temperatura e umidità monitora le condizioni all'interno della camera, accanto al sensore ADPD188BI. Quando si seleziona un sensore, le dimensioni del componente sono la considerazione principale, poiché lo spazio è prezioso all'interno di una camera.
Con i valori di temperatura in tempo reale all'interno della camera, la compensazione della temperatura avviene all'interno del software, prendendo la risposta relativa per la temperatura d'esercizio della parte e moltiplicandola con i dati grezzi letti dal dispositivo. Questo procedimento ci fornisce i dati con compensazione della temperatura che possono essere utilizzati per calcolare la risposta PTR. I coefficienti della risposta relativa vengono conservati in memoria in tabelle statiche dei dati di compensazione per il LED infrarosso e il LED blu. Dopo che il dispositivo ha letto i dati, l'applicazione legge i dati del sensore di temperatura e della corrente del LED blu per capire quale tabella e coefficiente di risposta relativa viene utilizzato. Viene impiegata la tabella più vicina al livello di corrente del LED e il valore dell'indice viene calcolato come:
Indice = (40 + temperatura) / granularità
dove:
- • indice è l'indice dell'elemento appropriato nella tabella
- • la temperatura è quella attuale
- • la granularità è la differenza di temperatura tra due punti di dati nella tabella della risposta relativa. Ad esempio, se i rapporti sono distanti 5°, la granularità equivale a 5
Questo metodo compensa i dati del dispositivo utilizzando l'interpolazione di ordine zero nella tabella della risposta relativa. Questa operazione viene effettuata per garantire efficienza energetica e temporale. Se è necessaria una maggiore accuratezza, la granularità può essere inferiore ed è possibile eseguire un'interpolazione di primo o secondo ordine, a discapito del consumo energetico e dei cicli del processore.
Panoramica dello standard UL 217 e degli scenari di test
Un po' come per la tecnologia dei rilevatori di fumo, anche le normative sulla sicurezza antincendio residenziale sono rimaste praticamente invariate dagli anni '70, nonostante i progressi nell'elettronica e nei comuni materiali per le abitazioni registrati nel corso dei decenni. Le nuove revisioni degli standard, come la ANSI/UL 217 e la ANSI/UL 268, pubblicate da Underwriters Laboratory (UL), o il NFPA R 72 National Fire Alarm Code, pubblicato dalla National Fire Protection Agency (NFPA, l'Agenzia nazionale antincendio statunitense), mirano a colmare questo divario imponendo requisiti più complessi sui progetti dei moderni rilevatori di fumo.
Ad esempio, oltre ai tradizionali test di sensibilità al fuoco e al fumo, la più recente edizione dello standard UL 217 richiede che i rilevatori di fumo non producano falsi allarmi durante eventi di disturbo, come la cottura di cibi. Quindi i moderni rilevatori di fumo devono essere in grado di distinguere tra un evento di disturbo determinato dalla cottura di cibi e un incendio vero e proprio.
L'obiettivo di questi nuovi standard è aumentare la sicurezza diminuendo il numero di decessi dovuti a incendi e riducendo al contempo il numero di falsi allarmi generati dalle attività quotidiane. Tradizionalmente, questi nuovi standard richiederebbero una soluzione complicata con varie tecnologie di sensori e un certo livello di intelligenza artificiale, ma l'uso del dispositivo ADPD188BI rende tutto molto più semplice. ADPD188BI è un modulo ottico integrato con più sensori LED appositamente progettati per il rilevamento del fumo.
Per diventare un prodotto commerciale, qualsiasi rilevatore di fumo deve superare una procedura di certificazione. Negli Stati Uniti, tale procedura fa riferimento principalmente allo standard UL 217. Questo standard propone diversi scenari di test con eventi caratterizzati da incendi o fumo e ogni unità testata deve superare tali test. Una versione aggiornata di questo standard entrerà in vigore nel 2021 e ciò richiederà il superamento di ulteriori test, rendendo così più difficile l'ottenimento della certificazione.
Figura 4. Test di sensibilità all'orientamento fisico di CN-0537.
Le prestazioni di rilevamento dei sensori sono determinate da due principali categorie di test: test di sensibilità e test basati su scenari. I test di sensibilità si concentrano sulla variazione degli attivatori di allarme in base a diversi orientamenti fisici e condizioni ambientali. Un esempio di uno di questi test è indicato alla Sezione 42 dello standard UL 217, dove il fumo viene immesso in una camera a una velocità comune e vengono misurati il tempo di allarme e il livello di oscuramento. La procedura viene ripetuta con otto orientamenti diversi del dispositivo e con più unità. Un dispositivo di esempio è mostrato nella figura 4, dove sono indicate tutte e otto le angolazioni di ingresso del fumo. Queste misurazioni non possono superare il 50% di variazione tra l'unità più sensibile e quella meno sensibile per tutte le angolazioni. Per rendere il test ancora più difficile, le stesse unità vengono testate anche a temperature e umidità estreme, per verificare che le misurazioni si mantengano costanti.
I test basati su scenari prevedono diverse origini di incendio e diversi vincoli applicati ai vari test.
Tabella 1. Breve descrizione dei livelli obiettivo dello standard UL 217
Nello standard UL 217, edizione 8, è stato introdotto un nuovo aspetto per aggiungere alle tradizionali origini di incendio delle origini di disturbo. Ciò impedisce la semplice impostazione di soglie per i livelli di fumo, poiché, in tale scenario, gli allarmi verrebbero attivati prematuramente. Un esempio di questo scenario è mostrato dal profilo del fumo della figura 5, dove si osserva un picco iniziale e una seconda tendenza in aumento. Questo è il profilo di un'origine di fumo di disturbo insieme a un'origine valida, in cui viene inizialmente creato un incendio di disturbo seguito da una condizione di incendio reale in cui è prevista l'attivazione di un allarme. In base alle specifiche richieste dallo standard UL 217, i rilevatori certificati non emetteranno alcun allarme fino a quando il fumo non avrà raggiunto un livello iniziale, L1, ma prima che sia trascorso un determinato periodo di tempo, T1, e che venga raggiunto un determinato livello di fumo, L2. La combinazione di questi fattori crea una finestra di allarme derivante dai requisiti indicati. Tali requisiti sono diversi anche in base alle origini degli incendi di prova, ma devono essere gestiti dallo stesso dispositivo senza che questo abbia conoscenza dell'origine dell'incendio. Una panoramica di questi scenari è riportata nella tabella 1.
Figura 5. Angolazioni di test di CN-0537.
Metodologia di progettazione dell'algoritmo di rilevamento del fumo per CN-0537
Raccolta dei dati degli incendi oggetto della ricerca
Per creare correttamente un modello sia per la variazione della parte che per la variazione del test, ADI ha progettato e costruito dei PCB dotati di quattro e otto sensori di fumo ADPD188BI montati sulla superficie della scheda insieme ai cablaggi necessari per i collegamenti a una MCU per facilitare la raccolta dei dati. Tutti i sensori tranne une sono stati dotati di una camera di fumo durante ciascuno dei test.
Di conseguenza, sono stati testati molti sensori su tutti gli incendi possibili presso le strutture di test di UL e Intertek. Di conseguenza, ogni test corrispondente a una qualsiasi delle sorgenti di fumo identificate dallo standard UL 217 per l'ottenimento della certificazione viene registrata da più schede e da più sensori di fumo contemporaneamente. Un'illustrazione del soffitto della struttura di test per il fumo di Intertek che mostra i PCB montati con i sensori di fumo ADPD188BI è riportata nella figura 6. La disposizione generale della struttura di test con i vari componenti della configurazione complessiva del test è riportata nella figura 7. Si noti che gli involucri dei rilevatori 1, 2 e 3 sono collocati sul soffitto, mentre gli involucri 4 e 5 sono posizionati sulle pareti.
Figura 6. Involucri dei PCB del dispositivo ADPD188BI montati a soffitto per il test del fumo in base allo standard UL 217.
Figura 7. Disposizione dell'impianto per il test del fumo in base allo standard UL 217.
Analisi dei dati degli incendi oggetto della ricerca
Esaminiamo ora alcune caratteristiche chiave presenti in un tipico profilo del fumo osservato nel caso di un incendio di test di disturbo (hamburger). Queste caratteristiche servono come indicazioni per l'identificazione della fonte del fumo, aiutando così la progettazione dell'algoritmo del rilevatore di fumo.
Nel caso dell'incendio di disturbo mostrato nella figura 8, lo standard UL 217 impone che l'incendio di disturbo venga estinto quando il corrispondente riferimento di oscuramento raggiunge l'1,5% e successivamente, all'inizio di un incendio di poliuretano (PU), è possibile raccogliere un riferimento di oscuramento utilizzando il raggio situato a 17 piedi (circa 5,18 m) di distanza. Ciò è visibile nella figura 8, in cui intorno all'indicazione dei 1.100 secondi, la risposta sia del LED blu che del fotodiodo a infrarossi inizia a diminuire a causa dell'estinzione dell'incendio di disturbo. Da quel momento in poi, la risposta è interamente dovuta all'incendio del poliuretano.
Figura 8. Un profilo del fumo per hamburger e poliuretano per il test 1 condotto presso Intertek nel febbraio 2020 utilizzando l'involucro A e il dispositivo 2. Si noti che il riferimento di oscuramento è in unità di percentuale/piede, mentre la risposta del sensore è in nW/mW.
Si noti che gli involucri si trovano sempre a 10 piedi (circa 3 metri) di distanza dall'origine dell'incendio durante questo test, poiché questo è il requisito dell'aspetto di disturbo del test. Dato che, in base alle specifiche, il poliuretano in fiamme di questo test deve trovarsi a 17 piedi (circa 5,18 metri), i dati di riferimento per quanto riguarda l'oscuramento sono il risultato dell'unione dei dati di due diversi raggi che consentono di determinare se i requisiti sono stati soddisfatti. Si può inoltre osservare che, mentre l'incendio di disturbo ha le caratteristiche di un fuoco a combustione lenta, l'incendio del poliuretano divampa molto più rapidamente.
Progettazione e vincoli dell'algoritmo
Prima di elaborare i dati del sensore ADPD188BI per il rilevamento del fumo, è necessario calcolare ed eliminare dai dati PTR il bias del sensore. Il bias del sensore è unico per ogni dispositivo ed è il risultato delle tolleranze della camera, delle derive a lungo termine di LED/fotodiodo, dell'accumulo di polvere o altra sporcizia e così via. Inoltre, il comportamento a lungo termine del sensore è influenzato da vari fattori come umidità ambientale, temperatura, invecchiamento, ecc. In più, il bias del sensore varia in un intervallo di tempo prolungato, quindi richiede il monitoraggio per un lungo periodo. Di conseguenza, qualsiasi algoritmo di un rilevatore di fumo che presuma dati a media zero in assenza di un evento di incendio e utilizzi il dispositivo ADPD188BI deve calcolare periodicamente il bias del sensore e successivamente rimuoverlo dai dati acquisiti.
Inoltre, l'ottimizzazione del numero di calcoli dell'algoritmo e, di conseguenza, l'ottimizzazione della potenza del sistema impiegata per l'algoritmo è anch'essa un'importante decisione progettuale. Una funzione opzionale di pre-elaborazione della media in finestra fornita da ADPD188BI influisce su questa decisione. Questo passaggio migliora l'SNR nei dati a scapito della potenza del sistema e viene eseguito prima di applicare qualsiasi algoritmo di rilevamento del fumo. Nel nostro studio, siamo stati in grado di ottenere la conformità allo standard UL 217 senza integrare questo passaggio nell'algoritmo. Inoltre, nel nostro progetto, abbiamo utilizzato campioni acquisiti a intervalli di circa 6 secondi, ottimizzando notevolmente la potenza del sistema impiegata per i calcoli dell'algoritmo. I clienti interessati a integrare questa funzione, possono fare riferimento a questo documento.
Come spiegato in precedenza, la natura contrastante dei profili di fumo di incendi a combustione rapida e a combustione lenta serve da motivazione per la progettazione dell'algoritmo di rilevamento del fumo. L'algoritmo del rilevatore di fumo ADI si basa sull'elaborazione di campioni PTR come dati di serie temporali e sull'identificazione dei casi nel tempo in cui è necessario attivare l'allarme, poiché vengono osservati determinati eventi chiave nei dati delle serie temporali. ADI fornisce circa 1500 combinazioni di parametri per l'ottimizzazione dell'algoritmo che soddisfano i requisiti dello standard UL 217 per il livello di oscuramento del raggio di riferimento e per i tempi di allarme con vari livelli di margine di successo a seconda dell'origine del fumo presa in esame.
Risultati delle prestazioni dell'algoritmo di rilevamento del fumo per CN-0537
Ottimizzazione dell'algoritmo
In questa sezione, analizziamo i risultati delle prestazioni ottenute dall'applicazione dell'algoritmo di rilevamento del fumo CN-0537 alla ricerca dei dati sugli incendi raccolti presso i laboratori approvati da UL. Questo processo ha comportato anche l'ottimizzazione dei parametri dell'algoritmo di rilevamento del fumo CN-0537, in modo che i clienti possano scegliere tra un ampio set di combinazioni di parametri di ottimizzazione che hanno ottenuto la conformità allo standard UL 217, anche se con vari gradi di margine di successo. Il grafico del disturbo generato dall'hamburger nella figura 9 fungerà da origine di fumo esemplificativa per descrivere gli aspetti prestazionali dell'algoritmo in generale.
Figura 9. Livello di oscuramento del raggio di riferimento per il test con hamburger e poliuretano.
Nella figura 9, sono indicati i limiti superiore e inferiore per i livelli di oscuramento del raggio di riferimento richiesti dallo standard UL 217 per un test con hamburger e poliuretano. Viene anche mostrato il livello di oscuramento del raggio di riferimento quando l'algoritmo genera l'allarme. L'asse x in questa figura descrive l'indice di combinazione dei parametri di ottimizzazione.
Quindi, per un dato indice dell'asse x, la corrispondente combinazione di parametri di ottimizzazione è stata applicata a tutti i file di dati e i risultati ottenuti sono stati classificati. Come mostrato nella figura 9, mentre tutte le combinazioni dei parametri di ottimizzazione rendono l'algoritmo conforme allo standard UL 217, il margine tra il livello di oscuramento del tempo di allarme e il livello di oscuramento target può essere estremamente ristretto. Inoltre, si può osservare che, mentre una combinazione di parametri di ottimizzazione potrebbe fornire un margine sufficiente per alcune origini di fumo, potrebbe comportare richieste ravvicinate per altre. Di conseguenza, la selezione dei parametri di ottimizzazione deve essere effettuata tenendo conto di tutte le origini del fumo.
Ad esempio, nella figura 9 vediamo che lo standard UL 217 stabilisce che l'algoritmo attivi l'allarme al di sotto del livello di oscuramento del raggio di riferimento del 5% e al di sopra dell'1,5%. Per una data combinazione di parametri di ottimizzazione – ad esempio indice pari a 500 e tra tutti i test con hamburger e poliuretano a combustione lenta – il livello di oscuramento più elevato tra tutti i set di dati di incendio di hamburger e poliuretano in cui l'algoritmo ha generato un allarme è stato di circa il 4,7%, cioè, entro il livello stabilito dallo standard. Analogamente, il livello di oscuramento più basso tra tutti i set di dati sugli incendi di disturbo da hamburger a cui è stato attivato l'allarme è stato pari a circa il 2%. Questa variazione è principalmente il risultato delle variazioni nella conduzione del test da parte del tecnico o per la casualità intrinseca nel profilo del fumo stesso tra un test e l'altro.
Risultati dei test in base allo standard UL 217
Dopo la progettazione e l'ottimizzazione con un set di dati di ricerca sugli incendi, l'algoritmo è stato testato per verificarne la conformità allo standard UL 217. Un riepilogo dei risultati dei test di Intertek svolti utilizzando l'algoritmo di rilevamento del fumo CN-0537 è disponibile nella tabella 2, mentre il rapporto dettagliato è disponibile qui. Si noti che, sebbene il pacchetto EVAL-CN0537-ALGO sia testato e verificato per superare i test antincendio previsti dallo standard UL 217, edizione 8, è principalmente destinato ad aiutare i clienti nel compito più ampio di creare il loro prodotto finale. In altre parole, anche quando utilizzano l'algoritmo sviluppato da ADI, i clienti devono comunque far certificare il loro prodotto finale nella sua interezza in base a quanto previsto dallo standard UL 217. Si noti, inoltre, che sono stati testati e verificati solo gli aspetti riguardanti il rilevatore di fumo contenuti nello standard UL 217 e non le altre sezioni di tale normativa, come quelle dedicate agli aspetti meccanici, alla durata della batteria e così via.
Tabella 2. Test e risultati della certificazione Intertek per l'algoritmo di rilevamento del fumo CN-0537
Opzioni delle soluzioni ADI
Per soddisfare le esigenze di clienti diversi, sono disponibili numerose offerte di soluzioni, che sono riassunte nella figura 10. L'hardware è compatibile con il fattore di forma Arduino ed è progettato per accelerare la prototipazione e la valutazione dell'algoritmo di rilevamento del fumo integrato. L'hardware è composto dal progetto di riferimento EVALCN0537-ARDZ, che è descritto nella nota sul circuito CN-0537, e dalla scheda del microcontroller di supporto EVAL-ADICUP3029. Il pacchetto dati (EVAL-CNO537- DATA) fornisce un ampio set di dati sui fumi raccolti presso strutture certificate UL 217 per coloro che desiderano sviluppare il proprio algoritmo e il codice sorgente CN-0537, con l'esclusione dell'algoritmo di rilevamento. Il pacchetto dell'algoritmo (EVAL-CN0537-ALGO) include tutto ciò che è presente nel pacchetto dati con in più un algoritmo di rilevamento del fumo certificato e verificato da UL con i file di progettazione dell'algoritmo associati.
Figura 10. Offerte del progetto di riferimento CN-0537.
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