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ADI雙光源煙霧探測方案助力掘金千億智慧消防市場

2021-05-28 來源:EEWORLD

如何杜絕誤報確保可靠監測?ADI雙光源煙霧探測方案助力掘金千億智慧消防市場


近日, 住房和城鄉建設部會同中央網信辦、教育部、科技部、工信部等16部門聯合印發了《關于加快發展數字家庭提高居住品質的指導意見》,明確指出要強化數字家庭工程設施建設,加強智能產品在住宅中的設置,對新建全裝修住宅,明確要求戶內設置火災自動報警設備在內的基本消防產品。煙感設備作為消防的一部分,是新建住宅強制性的配套設施,很有可能是智慧消防邁向住宅社區硬性配置的第一步,未來有望成為住宅社區的標配。


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消防不僅僅是要應對已經發生的火災,更重要的在于提前預防,消除隱患。而煙霧探測器就是這樣的關鍵設備,一旦出現疑似火災的跡象便發出警告提醒,為滅火和逃生贏得時間。“然而,據美國消防協會統計,23%的人員死亡來自安裝有煙霧探測器的場所,這是因為傳統的煙霧探測器往往無法分辨煙霧的類型,容易引發誤報,從而被人為停用,最后導致了悲劇的發生。” 在2021慕尼黑上海電子展上,ADI市場經理祝臻指出,“此外,傳統煙感還存在體積過大、規格不一、調試困難等情況,煙感設備面臨技術變革要求。” 


誤報尷尬背后凸顯消防隱患,煙霧探測技術變革正當時


某個冬天的深夜,某智慧小鎮的消防中心提示出現火情,煙霧探測聲光報警系統信息不斷提示xx住戶家有煙霧產生。幾次電話聯系業主未果,物業保安已經緊急找到業主家,下夜班回家剛洗完澡的業主一臉茫然面對保安火警的詢問。與業主細查,原來是因為洗澡的霧氣彌漫導致走廊中的煙霧探測器誤報,一場火警以物業尷尬道歉收場。這是祝臻在慕展現場與業界人士分享的一個真實場景。“尷尬事小安全事大,這種誤報導致部分業主人為停用煙霧探測器。” 祝臻說道,“越來越多的物業認識到傳統煙霧探測設備本身帶來的安全隱患。”


“傳統煙感器的主要缺陷來源于采用單色LED作為測量光源。”祝臻分享道。經典光電式煙霧報警器以離散方式設計,通過向前散射發揮作用,其中特定波長的 LED 光(通常在紅外范圍內)被粒子散射到光電二極管上,如果測量光源(LED)和探測器(光電二極管)之間因存在顆粒而導致的暗光或消光,則說明有煙霧進入報警器中。

 

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具有紅外LED的向前散射系統


“使用這種設計制作得煙霧探測裝置只能對煙霧的濃度進行區分,而無法識別煙霧類型,不管是燃燒煙霧、水蒸氣還是做飯時產生的油煙,只要濃度達到一定閾值,報警器就會產生警報,頻繁的誤報打擾正是導致人們禁用煙霧報警器的首要原因。” 祝臻指出。為了解決這個問題,煙霧探測相關標準的制定上已經發生了一些變化,希望自上而下推動煙霧報警器檢測精度的提高:即將在2021年6月發布的最新UL標準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警測試。在該測試中,必須能夠區分漢堡包肉餅產生的煙霧和易燃聚氨酯產生的煙霧。


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現場的模擬水蒸氣干擾敏感性檢測中,傳統方案很快報警,而ADI雙光檢測方案沒有出現誤報


為此,ADI推出了一款完全集成煙霧探測器模塊ADPD188BI,力求徹底解決經典煙霧報警器存在的這些問題。“ADPD188BI中集成了兩顆LED發射器,一顆藍光發射器、一顆紅外發射器。所以它不但能監測煙霧的濃度,同時還可以監測煙霧的顆粒直徑,以區分正常煙和火災煙。”祝臻介紹到。其中藍色LED波長470 nm,紅外LED波長850 nm,這些LED在兩個獨立的時隙中發出光脈沖,發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監測,不僅支持單獨測量單個波長,還支持分析比率構成,從而進一步降低了誤報率。

 

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APDPD188BI在無煙室中進行漢堡煙霧和易燃聚氨酯煙霧檢測的測試結果


如上圖所示,ADPD188BI發出的兩種信號曲線在兩種場景下有很大區別,說明該傳感器能夠清楚區分這兩種煙的類型。可以看出,信號隨時間的變化,聚氨酯在220秒后達到報警閾值,時間長度是漢堡煙霧達到報警閾值的1/4(超過1000秒后)。聚氨酯燃燒4分鐘后,可檢測到臨界水平。利用傳感器的高信噪比還可清楚區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,全方位推進應用落地


市場變化日新月異,對于煙霧傳感設備制造商來說,自然希望拿到解決方案后就能盡快投入大規模量產。“然而,傳統的分立解決方案由于從傳感到信號調理以及后端數據讀取分析都是獨立的器件完成,導致很難達到高的產品一致性,產品校驗成了主要的工序。” 祝臻表示,“ADPD188BI 是一套利用光學雙波長技術進行煙霧探測的完整測光系統,每片芯片出廠前做了單獨校準,只需要少量外部組件就可以實現商業產品設計。這帶來的最顯著的好處是產品性能一致性非常好。”

 

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集成光學設計可極大簡化光學設計并提供顯著的系統增強功能


在固定電流下,不同LED的發光強度通常有很大的差異,因此過去都是由煙霧報警器制造商執行煙霧報警器校準,校準LED發光強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。在ADPD188BI中,因為LED和整個信號路徑都集成到了一起,所以ADI會預先校準傳感器模塊,這樣就可以減少器件之間的差異。此外,ADPD188BI校準系數存儲在芯片的非易失性存儲器(即eFUSE寄存器)中。通過讀取這些系數,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置報警閾值,從而降低誤報率。由于煙霧報警器制造商可以采用預先校準的模塊,在此步驟上也簡化了系統設計。


高度集成的另外一個顯著的好處是整體電路尺寸更小, 使得煙霧探測器可以更小更適應住宅和商業用途建筑。此外,更小的體積以及LED的短脈沖使得此模塊比傳統檢測器功耗更低,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5年以上,顯著了降低物業后期的維護成本。


“此外,ADPD188BI可為煙霧探測器提供完整的光學子系統解決方案,由于整個解決方案均由ADI公司制造、測試和驗證,供應鏈更簡單,可大大降低客戶的風險。” 祝臻補充道,“ADI還提供獲得了評估許可的煙室以解決環境光、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。”值得一提的是,ADI還開發了煙霧探測器參考設計以及完整參考算法,包括經過設計和測試的UL 217測試數據設置和算法以滿足UL要求,從而加快客戶開發周期,降低成本和項目風險。

 

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本文總結


據智研咨詢數據,2019年中國消防行業市場規模突破3500億元,預計2022年市場規模將達到4465億元。同時根據國務院相關的通知,鼓勵應用物聯網等新技術,提高防火預測及信息獲取等能力,初步估算,未來5年全國的煙感器安裝規模有望達到7億。 “我相信隨著生活水平的提高,這種新型煙感能夠提高報警精準度、減低誤報率,從根本上解決現有煙感的痛點,有效保障人民生命財產安全,在當前及未來正面臨一個非常廣闊的市場。”祝臻強調到。


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