智能型光電煙霧探測(cè)器，作為安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的一項(xiàng)成熟且廣泛部署的技術(shù)，集成了高精度的傳感技術(shù)與先進(jìn)的信號(hào)處理算法，旨在早期發(fā)現(xiàn)并準(zhǔn)確識(shí)別空氣中的煙霧顆粒，從而迅速觸發(fā)警報(bào)機(jī)制，保障人員生命財(cái)產(chǎn)安全。嵌入式操作系統(tǒng)(Embedded Operating System，簡(jiǎn)稱：EOS)是指用于嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。

嵌入式操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、任務(wù)調(diào)度，控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動(dòng)。它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達(dá)到系統(tǒng)所要求的功能。在嵌入式領(lǐng)域廣泛使用的操作系統(tǒng)有：嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II、嵌入式Linux、Windows Embedded、VxWorks、Intewell操作系統(tǒng) [4]等，以及應(yīng)用在智能手機(jī)和平板電腦的Android、iOS、華為鴻蒙等。

探測(cè)原理

在《技術(shù)淺談 | 光源數(shù)量對(duì)遮光型探測(cè)器的影響》一文中提及過，智能型光電煙霧探測(cè)器是通過發(fā)射光的強(qiáng)度和通過氣溶膠顆粒后光的強(qiáng)度對(duì)比進(jìn)行分析，進(jìn)而判斷采樣環(huán)境是否超過警戒閾值，進(jìn)而對(duì)環(huán)境進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。

當(dāng)物體大于光的波長(zhǎng)，光才會(huì)被反射出來，探測(cè)器才能感知到物體;當(dāng)物體小于光的波長(zhǎng)，探測(cè)器則無法感知到物體。

由于煙霧顆粒粒徑不同，在觀察直徑較大的煙霧顆粒時(shí)，往往采用紅外光探測(cè);要觀察到更小的對(duì)象，需要采用光波較短的光源探測(cè)(如藍(lán)光)。

采用雙光源的煙霧探測(cè)器可探測(cè)更廣范圍的煙霧顆粒，更能準(zhǔn)確感知煙霧濃度狀態(tài);決定探測(cè)器能否探測(cè)出煙霧顆粒與光源類型無關(guān)，而與探測(cè)光波長(zhǎng)范圍密切相關(guān)。

然而，應(yīng)用光源的不同，對(duì)探測(cè)器適應(yīng)不同環(huán)境有很大的影響。

LED光源特點(diǎn)

A、低功耗的LED光源適應(yīng)能力強(qiáng)，能輕松工作于低溫和高溫寬域溫度范圍;

B、成本低，壽命長(zhǎng);

C、高功耗的LED光源壽命相對(duì)短，對(duì)ABS等材料有加速老化作用;

D、易發(fā)散;

E、到目前為止，LED紅光/紅外光最為成熟，壽命長(zhǎng);藍(lán)光穩(wěn)定性不如前者，功耗也比較高，散熱是需要考慮的問題，通常壽命比紅光/紅外光短。

由此可以看出，為保持長(zhǎng)壽命，應(yīng)選擇低功耗的LED;為觀察更小的對(duì)象，可選擇藍(lán)光;為傳播更遠(yuǎn)，可選擇紅外光。

激光光源優(yōu)勢(shì)

A、光強(qiáng)值大，光損小;

B、紅光/紅外光壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于藍(lán)光壽命;

C、激光光源功耗低，發(fā)熱小;

D、環(huán)境溫度適應(yīng)范圍比LED窄，適用溫度的特性不如LED強(qiáng);

E、光的純凈度較好，利于探測(cè)精密的對(duì)象;

F、聚光效果好。

由此可見，激光光源的選擇優(yōu)點(diǎn)非常多。

近日, 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部會(huì)同中央網(wǎng)信辦、教育部、科技部、工信部等16部門聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快發(fā)展數(shù)字家庭提高居住品質(zhì)的指導(dǎo)意見》，明確指出要強(qiáng)化數(shù)字家庭工程設(shè)施建設(shè)，加強(qiáng)智能產(chǎn)品在住宅中的設(shè)置，對(duì)新建全裝修住宅，明確要求戶內(nèi)設(shè)置火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警設(shè)備在內(nèi)的基本消防產(chǎn)品。煙感設(shè)備作為消防的一部分，是新建住宅強(qiáng)制性的配套設(shè)施，很有可能是智慧消防邁向住宅社區(qū)硬性配置的第一步，未來有望成為住宅社區(qū)的標(biāo)配。

”近日, 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部會(huì)同中央網(wǎng)信辦、教育部、科技部、工信部等16部門聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快發(fā)展數(shù)字家庭提高居住品質(zhì)的指導(dǎo)意見》，明確指出要強(qiáng)化數(shù)字家庭工程設(shè)施建設(shè)，加強(qiáng)智能產(chǎn)品在住宅中的設(shè)置，對(duì)新建全裝修住宅，明確要求戶內(nèi)設(shè)置火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警設(shè)備在內(nèi)的基本消防產(chǎn)品。煙感設(shè)備作為消防的一部分，是新建住宅強(qiáng)制性的配套設(shè)施，很有可能是智慧消防邁向住宅社區(qū)硬性配置的第一步，未來有望成為住宅社區(qū)的標(biāo)配。

誤報(bào)尷尬背后凸顯消防隱患，煙霧探測(cè)技術(shù)變革正當(dāng)時(shí)

某個(gè)冬天的深夜，某智慧小鎮(zhèn)的消防中心提示出現(xiàn)火情，煙霧探測(cè)聲光報(bào)警系統(tǒng)信息不斷提示xx住戶家有煙霧產(chǎn)生。幾次電話聯(lián)系業(yè)主未果，物業(yè)保安已經(jīng)緊急找到業(yè)主家，下夜班回家剛洗完澡的業(yè)主一臉茫然面對(duì)保安火警的詢問。與業(yè)主細(xì)查，原來是因?yàn)橄丛璧撵F氣彌漫導(dǎo)致走廊中的煙霧探測(cè)器誤報(bào)，一場(chǎng)火警以物業(yè)尷尬道歉收?qǐng)觥＿@是祝臻在慕展現(xiàn)場(chǎng)與業(yè)界人士分享的一個(gè)真實(shí)場(chǎng)景。“尷尬事小安全事大，這種誤報(bào)導(dǎo)致部分業(yè)主人為停用煙霧探測(cè)器?！? 祝臻說道，“越來越多的物業(yè)認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)煙霧探測(cè)設(shè)備本身帶來的安全隱患。”

“傳統(tǒng)煙感器的主要缺陷來源于采用單色LED作為測(cè)量光源。”祝臻分享道。經(jīng)典光電式煙霧報(bào)警器以離散方式設(shè)計(jì)，通過向前散射發(fā)揮作用，其中特定波長(zhǎng)的 LED 光(通常在紅外范圍內(nèi))被粒子散射到光電二極管上，如果測(cè)量光源(LED)和探測(cè)器(光電二極管)之間因存在顆粒而導(dǎo)致的暗光或消光，則說明有煙霧進(jìn)入報(bào)警器中。

具有紅外LED的向前散射系統(tǒng)

“使用這種設(shè)計(jì)制作得煙霧探測(cè)裝置只能對(duì)煙霧的濃度進(jìn)行區(qū)分，而無法識(shí)別煙霧類型，不管是燃燒煙霧、水蒸氣還是做飯時(shí)產(chǎn)生的油煙，只要濃度達(dá)到一定閾值，報(bào)警器就會(huì)產(chǎn)生警報(bào)，頻繁的誤報(bào)打擾正是導(dǎo)致人們禁用煙霧報(bào)警器的首要原因。” 祝臻指出。為了解決這個(gè)問題，煙霧探測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定上已經(jīng)發(fā)生了一些變化,希望自上而下推動(dòng)煙霧報(bào)警器檢測(cè)精度的提高：即將在2021年6月發(fā)布的最新UL標(biāo)準(zhǔn)中更新了聚氨酯燃燒、悶燒和烹飪滋擾，即漢堡包煙霧干擾報(bào)警測(cè)試。在該測(cè)試中，必須能夠區(qū)分漢堡包肉餅產(chǎn)生的煙霧和易燃聚氨酯產(chǎn)生的煙霧。

現(xiàn)場(chǎng)的模擬水蒸氣干擾敏感性檢測(cè)中，傳統(tǒng)方案很快報(bào)警，而ADI雙光檢測(cè)方案沒有出現(xiàn)誤報(bào)

為此，ADI推出了一款完全集成煙霧探測(cè)器模塊ADPD188BI，力求徹底解決經(jīng)典煙霧報(bào)警器存在的這些問題?！癆DPD188BI中集成了兩顆LED發(fā)射器，一顆藍(lán)光發(fā)射器、一顆紅外發(fā)射器。所以它不但能監(jiān)測(cè)煙霧的濃度，同時(shí)還可以監(jiān)測(cè)煙霧的顆粒直徑，以區(qū)分正常煙和火災(zāi)煙?！弊Ｕ榻榻B到。其中藍(lán)色LED波長(zhǎng)470 nm，紅外LED波長(zhǎng)850 nm，這些LED在兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)隙中發(fā)出光脈沖，發(fā)射的光被空氣中的顆粒物散射回器件上。這種通過雙色光波長(zhǎng)監(jiān)測(cè)，不僅支持單獨(dú)測(cè)量單個(gè)波長(zhǎng)，還支持分析比率構(gòu)成，從而進(jìn)一步降低了誤報(bào)率。

APDPD188BI在無煙室中進(jìn)行漢堡煙霧和易燃聚氨酯煙霧檢測(cè)的測(cè)試結(jié)果

如上圖所示，ADPD188BI發(fā)出的兩種信號(hào)曲線在兩種場(chǎng)景下有很大區(qū)別，說明該傳感器能夠清楚區(qū)分這兩種煙的類型?？梢钥闯?，信號(hào)隨時(shí)間的變化，聚氨酯在220秒后達(dá)到報(bào)警閾值，時(shí)間長(zhǎng)度是漢堡煙霧達(dá)到報(bào)警閾值的1/4(超過1000秒后)。聚氨酯燃燒4分鐘后，可檢測(cè)到臨界水平。利用傳感器的高信噪比還可清楚區(qū)分和記錄粒子濃度的變化，例如右圖中圈出的部分，在易燃聚氨酯測(cè)試中，斜率突然增加。

全集成下的高一致性、小尺寸和低功耗，全方位推進(jìn)應(yīng)用落地

市場(chǎng)變化日新月異，對(duì)于煙霧傳感設(shè)備制造商來說，自然希望拿到解決方案后就能盡快投入大規(guī)模量產(chǎn)?！叭欢?，傳統(tǒng)的分立解決方案由于從傳感到信號(hào)調(diào)理以及后端數(shù)據(jù)讀取分析都是獨(dú)立的器件完成，導(dǎo)致很難達(dá)到高的產(chǎn)品一致性，產(chǎn)品校驗(yàn)成了主要的工序。” 祝臻表示，“ADPD188BI 是一套利用光學(xué)雙波長(zhǎng)技術(shù)進(jìn)行煙霧探測(cè)的完整測(cè)光系統(tǒng)，每片芯片出廠前做了單獨(dú)校準(zhǔn)，只需要少量外部組件就可以實(shí)現(xiàn)商業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。這帶來的最顯著的好處是產(chǎn)品性能一致性非常好?！?

集成光學(xué)設(shè)計(jì)可極大簡(jiǎn)化光學(xué)設(shè)計(jì)并提供顯著的系統(tǒng)增強(qiáng)功能

在固定電流下，不同LED的發(fā)光強(qiáng)度通常有很大的差異，因此過去都是由煙霧報(bào)警器制造商執(zhí)行煙霧報(bào)警器校準(zhǔn)，校準(zhǔn)LED發(fā)光強(qiáng)度與電流之間的斜率和偏移，可以確保所有LED保持具有相同的性能表現(xiàn)。在ADPD188BI中，因?yàn)長(zhǎng)ED和整個(gè)信號(hào)路徑都集成到了一起，所以ADI會(huì)預(yù)先校準(zhǔn)傳感器模塊，這樣就可以減少器件之間的差異。此外，ADPD188BI校準(zhǔn)系數(shù)存儲(chǔ)在芯片的非易失性存儲(chǔ)器(即eFUSE寄存器)中。通過讀取這些系數(shù)，可以盡可能地減小芯片之間的差異。這意味著可以在算法中更精確地設(shè)置報(bào)警閾值，從而降低誤報(bào)率。由于煙霧報(bào)警器制造商可以采用預(yù)先校準(zhǔn)的模塊，在此步驟上也簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

高度集成的另外一個(gè)顯著的好處是整體電路尺寸更小, 使得煙霧探測(cè)器可以更小更適應(yīng)住宅和商業(yè)用途建筑。此外，更小的體積以及LED的短脈沖使得此模塊比傳統(tǒng)檢測(cè)器功耗更低，紅外LED的工作功耗僅為~5 μW/Hz，此方案下的煙霧傳感電池壽命甚至可達(dá)5年以上，顯著了降低物業(yè)后期的維護(hù)成本。

“此外，ADPD188BI可為煙霧探測(cè)器提供完整的光學(xué)子系統(tǒng)解決方案，由于整個(gè)解決方案均由ADI公司制造、測(cè)試和驗(yàn)證，供應(yīng)鏈更簡(jiǎn)單，可大大降低客戶的風(fēng)險(xiǎn)?！? 祝臻補(bǔ)充道，“ADI還提供獲得了評(píng)估許可的煙室以解決環(huán)境光、灰塵、昆蟲等影響，并完全適用于ADPD188BI的集成光電器件使用反向散射系統(tǒng)?！敝档靡惶岬氖牵珹DI還開發(fā)了煙霧探測(cè)器參考設(shè)計(jì)以及完整參考算法，包括經(jīng)過設(shè)計(jì)和測(cè)試的UL 217測(cè)試數(shù)據(jù)設(shè)置和算法以滿足UL要求，從而加快客戶開發(fā)周期，降低成本和項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。

很早以前，嵌入式這個(gè)概念就已經(jīng)存在了。在通信方面，嵌入式系統(tǒng)在20世紀(jì)60年代就用于對(duì)電子機(jī)械電話交換的控制，當(dāng)時(shí)被稱為“存儲(chǔ)式程序控制系統(tǒng)”(Stored Program Control)。嵌入式計(jì)算機(jī)的真正發(fā)展是在微處理器問世之后。1971年11月，Intel公司成功地把算術(shù)運(yùn)算器和控制器電路集成在一起，推出了第一款微處理器Intel 4004，其后各廠家陸續(xù)推出了許多8位、16位的微處理器，包括Intel 8080/8085、8086，Motorola 的6800、68000，以及Zilog的Z80、Z8000等。以這些微處理器作為核心所構(gòu)成的系統(tǒng)，廣泛地應(yīng)用于儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人、家用電器等領(lǐng)域。微處理器的廣泛應(yīng)用形成了一個(gè)廣闊的嵌入式應(yīng)用市場(chǎng)，計(jì)算機(jī)廠家開始大量地以插件方式向用戶提供OEM產(chǎn)品，再由用戶根據(jù)自己的需要選擇一套適合的CPU板、存儲(chǔ)器板以及各式I/O插件板，從而構(gòu)成專用的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并將其嵌入到自己的系統(tǒng)設(shè)備中。為靈活兼容考慮，出現(xiàn)了系列化、模塊化的單板機(jī)。流行的單板計(jì)算機(jī)有Intel公司的iSBC系列、Zilog公司的MCB等。

后來人們可以不必從選擇芯片開始來設(shè)計(jì)一臺(tái)專用的嵌入式計(jì)算機(jī)，而是只要選擇各功能模塊，就能夠組建一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。用戶和開發(fā)者都希望從不同的廠家選購(gòu)最適合的OEM產(chǎn)品，插入外購(gòu)或自制的機(jī)箱中就形成新的系統(tǒng)，這樣就希望插件是互相兼容的，也就導(dǎo)致了工業(yè)控制微機(jī)系統(tǒng)總線的誕生。1976年Intel公司推出Multibus，1983年擴(kuò)展為帶寬達(dá)40MB/s的MultibusⅡ。1978年由Prolog設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單STD總線廣泛應(yīng)用于小型嵌入式系統(tǒng)。

消防不僅僅是要應(yīng)對(duì)已經(jīng)發(fā)生的火災(zāi)，更重要的在于提前預(yù)防，消除隱患。而煙霧探測(cè)器就是這樣的關(guān)鍵設(shè)備，一旦出現(xiàn)疑似火災(zāi)的跡象便發(fā)出警告提醒，為滅火和逃生贏得時(shí)間?！叭欢瑩?jù)美國(guó)消防協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，23%的人員死亡來自安裝有煙霧探測(cè)器的場(chǎng)所，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的煙霧探測(cè)器往往無法分辨煙霧的類型，容易引發(fā)誤報(bào)，從而被人為停用，最后導(dǎo)致了悲劇的發(fā)生。” 在2021慕尼黑上海電子展上，ADI市場(chǎng)經(jīng)理祝臻指出，“此外，傳統(tǒng)煙感還存在體積過大、規(guī)格不一、調(diào)試?yán)щy等情況，煙感設(shè)備面臨技術(shù)變革要求?！?