引言
这篇技术文章旨在介绍 CN-0537 烟雾参考设计的软件和数据方面，这款烟雾报警器经过专门设计和测试，满足 UL 217 第 8 版中制定的规格标准。这款产品的设计经过对从 Underwriters Laboratories (UL) 和 Group plc. 的烟雾测试设施处收集到的火灾研究数据进行分析。相关测试设施和测试程序完全遵循住宅用烟雾报警的 UL 217 规格要求。本参考设计使用 ADPD188BI 集成式光学传感器（带 LED 和光电二极管）以及经过专门优化的腔室，旨在使用经校准的单一设备感知和衡量烟雾粒子。此外需要提及的是，本参考设计还包含经过 UL 217 标准测试和验证的烟雾探测算法，来帮助客户缩短其产品开发周期，更快交付最终的产品设计。兼容 Arduino 形状因素的参考设计硬件包括 CN-0537 烟雾探测器参考设计和 ADICUP3029 微控制器开发主板，请参见 图 1。
图 1.烟雾探测器参考设计硬件解决方案。
ADPD188BI 烟雾传感器
自 19 世纪 70 年代以来，烟雾探测器便成为商业和住宅建筑中的常见设备。如今存在两种类型的探测器，分别是使用放射性物质电离空气来检测电子不平衡的电离型探测器；以及光电探测器，这一类型的探测器使用瞄准远离光电探测器的角度，检测由空浮粒子反射到光电二极管的光引起的光电探测器电流。
虽然我们推荐使用结合两种类型探测器的解决方案，但是光电烟雾探测器因其在探测常见房屋火源方面更强的可靠性，以及对闷燃火源更短的响应时间而更受市场青睐。
ADPD188BI 光学模块（请参见 图 2是一套专门在烟雾探测应用场景下使用的完整的光度测量系统。在搭载 ADPD188BI 之后，传统的独立式烟雾探测器电路可大幅简化设计，因为光电子（由两颗 LED 和两个光电探测器组成）和模拟前端 (AFE) 均已集成进包里。为了实现烟雾探测功能，ADPD188BI 使用双波长技术，集成两颗波长不同的 LED 发射灯，一颗波长为 470 纳米（蓝光），另一颗波长为 850 纳米（红外光）。这两颗 LED 以彼此独立的时隙产生脉冲信号，传输的光被空气中的颗粒物质散射回设备。
图 2.ADPD188BI 和腔室剖面图。
然后，两个集成式光电探测器接收到散射光，产生成比例的输出电流，再由 AFE 在内部转换为数字代码。假设 LED 光功率保持恒定，如果 ADPD188BI 输出值随时间推移而增加，则表示空气中悬浮的粒子增加，请参见 图 3中的示意图。
图 3.来自 ADPD188BI LED 的光的反向散射。
最能反映 ADPD188BI 烟雾响应能力的技术参数是光功率收发比。该比值称为“功率传输比”（简称“PTR”），单位为 nW/mW，该参数是比原始输出代码意义大得多的值，因为它不受使用的实际硬件设置的影响。如需了解将传感器配置为将其输出转换为 PTR 值所涉及的步骤，请参阅此处的可用应用注释。
LED 温度补偿
ADPD188BI 的响应能力受环境温度影响。蓝色通道的情况更加复杂，因为温度响应曲线的形状也会不变，具体取决于使用的 LED 电流的多与少。而红外通道的温度响应曲线则不受 LED 电流影响。
若想确定相对响应的值，就需要能够实时测量环境温度。CN-0537 上，在 ADPD188BI 旁边装有一只温湿度传感器，用于监测腔室内部的条件。选择传感器时需要优先考虑组件的尺寸，因为在腔室的空间可谓“寸土寸金”。
借助实时获取到的腔室内部温度值，软件通过提取该部分在不同工作温度下的相对响应，并乘以来自设备的原始数据读数，完成温度补偿。这样，我们便可以得出可用于计算 PTR 响应的温度补偿后数据。相对响应系数保存在红外 LED 和蓝色 LED 补偿数据的静态表中。从设备读取该数据后，应用会读取温度传感器且蓝色 LED 电流会区分使用的是哪个表和相对响应系数。使用的是更靠近 LED 电流水平的表，系数值计算公式如下：
指数 = (40 + 温度)/粒度
其中：
- • 指数是表中相应元素的指数
- • 温度是当前温度
- • 颗粒度用于表示相对响应表中两个数据点之间的温差，如果比值相差 5°，则颗粒度为 5
此方法使用相对响应表中的零阶插值来补偿设备数据。这样可同时保证功率和时间效率。如果需要更高的准确度，则可以使用更小的颗粒度，并且采用一阶或二阶插值来完成，代价是功耗更大且处理器周期更长。
UL 217 标准和测试情景概述
与烟雾探测器技术类似，尽管几十年来电子产品和普通家用材料不断更新换代，但自 1970 年代以来，住宅消防安全法规却几乎保持不变。无论是 Underwriters Laboratory (UL) 发布的 ANSI/UL 217 和 ANSI/UL 268，还是美国消防协会 (NFPA) 颁发的 NFPA R 72 美国消防警报代码，其中修订的新规都旨在通过对新式烟雾探测器设计实施更复杂的要求来填补这一空白。
例如，在传统的火焰和烟雾敏感度测试之外，最新版 UL 217 标准还要求烟雾探测器在烹饪等场景下不能产生误报，避免给用户造成困扰。因此，新式烟雾探测器必须能够区分烹饪造成的假火灾事件和真火灾事件。
这些新标准旨在通过减少火灾造成的死亡人数来提高安全性，同时减少由日常活动造成的误报数量。传统上，这需要采用复杂的解决方案，利用多传感器技术和一定程度的人工智能；然而，借助 ADPD188BI 可让实现这一目标变得十分简单。ADPD188BI 是一款集成光学模块，带有多个专门用于烟雾探测的 LED 传感器。
任何烟雾探测器必须先通过认证才能成为商用产品。在美国主要采用 UL 217 认证标准。此标准重点关注火灾和烟雾事件的多个测试情景，需要通过测试的每个单位。此标准的更新版本将于 2021 年生效，届时，将要求产品通过更多测试，这让获得认证变得更加困难。
图 4.CN-0537 物理朝向敏感度测试。
传感器探测性能由两大主要测试类别决定，分别是：敏感度测试和情景测试。敏感度测试关注于不同物理朝向和环境条件下，警报触发器的差异。UL 217 第 42 章中有这样一个测试示例：让烟雾以普通速率进入腔室，然后测量警报时间和遮光度。在多个单位，针对设备的 8 个朝向重复上述测试步骤。示例设备请参见 图 4，其中会标注所有 8 个烟雾来向。所有方向获得的测量结果，最大和最小敏感单位之间的差异不得超过 50%。为了升级测试难度，还会在极限温度和湿度下测试相同的单位，以验证探测器能够保持一致怀。
情景测试涉及不同火源，以及应用于不同测试的不同限制条件。
表 1。UL 217 目标水平简要描述
UL 217 第 8 版引入一项新测试环节，即在传统火源的基础上添加干扰源。此举旨在避免对烟雾水平的阈值设置过于简单，导致在此类情景下触发误报。图 5 中的烟雾水平曲线图显示的即是此类情景的一个示例，可以看到初期的高峰和第二段的爬升趋势。这是干扰加有效烟雾源的曲线图，其中初段为干扰源的建模，之后则是应该触发警报的真实火源情况。根据 UL 217 制定的规格标准，合格的探测器应在烟雾浓度达到初段水平 L1 之后，探测到情况发生的指定时间 T1 之前，在烟雾浓度尚未达到 L2 之前触发警报。根据上述规定，这些因素共同构成了警报窗口期。此外，虽然上述要求在不同测试火源之间有所不同，但必须由同一台设备在不知道火源的情况下处理。关于此类情景的摘要表，请参见 表 1。
图 5.CN-0537 测试朝向。
CN-0537 烟雾探测算法设计方法
研究收集到的火焰数据
为了正确建立部件变量和测试变量，ADI 设计并构建出表面装有 4 个和 8 个 ADPD188BI 烟雾传感器的 PCB，以及必要的线缆连接到 MCU 以促进数据收集。其中只有一个传感器在每项烟雾测试过程中装配有腔室。
结果是，许多传感器在 UL 和 Intertek 的测试设施中都经过许多现实中的火源测试。这样做的好处是，每一个对应 UL 217 认证规定的烟雾源的试验都会同时被多块主板和多个烟雾传感器记录。Intertek 的烟雾测试设施中天花板的插图中，显示的是装有 ADPD188BI 烟雾传感器的 PCB，具体请参见 图 6。描述整体测试环境中不同组件的测试设施整体布局图，请参见 图 7。请注意，槽口 1、2 和 3 位于天花板上，而槽口 4 和 5 位于墙面。
图 6.ADPD188BI PCB 槽口安装在天花板用于进行 UL 217 烟雾测试。
图 7.符合 UL 217 标准的烟雾测试设施布局图。
了解研究火焰数据
下面我们介绍在干扰测试火源（制作汉堡）的情况下，在典型烟雾曲线图中观察到的一些关键特征。这些特征在隔绝烟雾源方面起到关键作用，因此有助于烟雾探测器算法的设计。
在 图 8中所显示的干扰情况下，根据 UL 217 规定，当相应的遮光参考达到 1.5% 并因此开始引发聚氨酯 (PU) 可燃物火灾，可使用 17 英尺远的光束收集遮光参考来区分干扰火焰。请参见 图 8，其中在 1100 秒标记点附近，蓝色 LED 和红外 PD 的响应由于分辨出干扰火焰而同时开始下降。从该点向后，所有响应都是因为 PU 火灾。
图 8.2020 年 2 月在 Intertek 使用槽口 A 和设备 2 进行的试验 1 中收集到的汉堡 PU 烟雾曲线图。请注意，遮光参考以“百分比/英寸”为单位，其中传感器响应的单位是 nW/mW。
注意，本测试过程中，槽口始终位于火源 10 英尺距离远，因为这是本测试干扰方面的要求。由于本测试的燃烧 PU 方面指定为 17 英尺远，因此遮光参考数据是来自于两个不同光束的拼接数据的结果，来确定是否达到要求。我们还可以观察到，虽然干扰火源具有缓慢燃烧火源的特点，PU 火源的起火速度却很快。
算法限制与设计
在处理 ADPD188BI 传感器用于进行烟雾探测之前，需要计算传感器偏差并从 PTR 数据中移除偏差。每台设备的传感器偏差都不相同，这是由腔室公差、长期 LED/PD 偏移、堆积灰尘或其他污垢等原因导致的。此外，传感器自身的长期行为还受到多种因素的影响，例如环境湿度、温度、服役年限等。长期使用后，传感器偏差也不会变化，因此，需要长期跟踪。因此，任何在没有火灾事件时假设零均值数据并采用 ADPD188BI 的烟雾探测器算法，都需要定期计算传感器偏差，然后从捕获的数据中移除偏差。
此外，优化算法计算数量，进而优化算法耗费的系统功率也是重要的设计决策。ADPD188BI 提供的可选窗口平均预处理功能会影响此决定。此步骤以增加系统功率为代价，提高数据的 SNR，在应用任何烟雾探测算法之前执行。在研究中，我们不必在算法中整合此步骤即可满足 UL 217 标准。此外，我们还在设计中大约每隔 6 秒钟捕获到的样本，因此能大幅优化算法计算耗费的系统功率。有兴趣想要整合此功能的客户，可以参阅本 文档。
正如前文所述，快速起火和缓慢燃烧烟雾曲线，两者截然不同的本质是设计该烟雾探测算法的诱因。ADI 的烟雾探测器算法的基础是，将时序数据作为 PTR 样本进行处理，并在观察到时序数据时，甄别出哪些是需要发出警报的特定关键事件的用例。ADI 提供大约 1500 种算法调优参数组合，满足 UL 217 的参考光束遮光度和警报时间要求，并根据所考虑的烟雾源在不同的成功范围内满足要求。
CN-0537 烟雾探测算法性能结果
算法调优
在此部分中，我们将介绍从应用 CN-0537 烟雾探测算法来研究在经过 UL 认证的实验室收集到的火焰数据，获取到的性能结果。这一流程还涉及调化 CN-0537 烟雾探测算法参数，以便提供大量调优参数组合供客户选择，这些组合均满足 UL 217 标准，但拥有不同程度的成功范围。汉堡干扰情景（请参见 图 9将作为示例烟雾源，用来描述该算法的整体性能。
图 9.汉堡 PU 测试的参考光束遮光度。
在 图 9中，上下两条波形线代表 UL 217 汉堡 PU 测试中规定的参考光束遮光度。此外，图中还显示当算法发出警报时，参数光束的遮光度。图中，x 轴表示调优参数的组合指数。
当给定 x 轴指数后，即对所有数据文件应用相应的调优参数组合，并且对获得的结果进行分类。如 图 9所示，虽然所有调优参数组合都能使算法符合 UL 217 标准，但警报时间遮光度与目标遮光度之间的差距实则非常小。不仅如此，还可以观察到，虽然某一调优参数组合可能为一些烟雾源提供足够的差距，但对其他烟雾源的触发条件则可能十分接近。因此，在选择调优参数时必须考虑到所有烟雾源。
例如，我们从 图 9中看到 UL 217 规定，算法须在参考光速遮光度在 5% 以下，且在 1.5% 以上时触发警报。当给定一个调优参数组合时，例如指数为 500。在所有闷燃汉堡和 PU 测试中，在所有算法发出警报的汉堡和 PU 火焰数据集中，最大遮光度大约为 4.7%，在规定的水平之内。与之类似，在所有算法发出警报的汉堡干扰火焰数据集中，最小遮光度约为 2%。这种变化主要是由于技术人员在进行测试时的变化或由于从一个测试到另一个测试的烟雾分布本身的固有随机性。
UL 217 测试结果
通过使用研究火焰数据集，遵循算法设计和调优方法，该算法已通过 UL 217 合规性测试。Intertek 使用 CN-0537 烟雾探测算法的测试结果摘要可参见 表 2，如需获取详细报告，请点击 此处。请注意，尽管 EVAL-CN0537-ALGO 已经过测试并通过 UL 217 第 8 版火焰测试认证，但其主要还是旨在帮助客户专注于构建终端产品这样的大型任务上。换言之，即使已在使用 ADI 开发出的算法，客户的终端产品仍然要作为整体，通过 UL 217 标准认证。此外，还需注意一点，通过测试和认证的只是 UL 217 的烟雾探测器的相关规定，并不包含 UL 217 其他部分的规定，例如关注于机械部分、电池寿命等方面的规定。
表 2。CN-0537 烟雾探测算法 Intertek 认证测试与结果
ADI 解决方案选项
为满足不同客户的需求，我们提供很多种解决方案组合，汇总于 图 10。硬件兼容 Arduino 形状因素且经过专门设计，可有效缩短嵌入式烟雾探测算法的原型和评估阶段。硬件包含 EVALCN0537-ARDZ 参考设计（请参见 CN-0537 电路说明），支持 EVAL-ADICUP3029 微控制器主板。数据包（EVAL-CNO537- 数据）提供在经过 UL 217 认证的设施获取到的丰富烟雾数据集，可供希望自主研发算法并开发 CN-0537 源代码（探测算法除外）的客户使用。算法包 (EVAL-CN0537-ALGO) 包含数据包中的所有内容，以及经过 UL 测试和验证的烟雾探测算法及相关联的算法项目文件。
图 10.CN-0537 参考设计产品组合。
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