智能型光電煙霧探測器，作為安全監(jiān)測領域的一項成熟且廣泛部署的技術，集成了高精度的傳感技術與先進的信號處理算法，旨在早期發(fā)現(xiàn)并準確識別空氣中的煙霧顆粒，從而迅速觸發(fā)警報機制，保障人員生命財產安全。嵌入式操作系統(tǒng)(Embedded Operating System，簡稱：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的底層驅動軟件、系統(tǒng)內核、設備驅動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標準化瀏覽器等。
嵌入式操作系統(tǒng)負責嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、任務調度，控制、協(xié)調并發(fā)活動。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到系統(tǒng)所要求的功能。在嵌入式領域廣泛使用的操作系統(tǒng)有：嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II、嵌入式Linux、Windows Embedded、VxWorks、Intewell操作系統(tǒng) [4]等，以及應用在智能手機和平板電腦的Android、iOS、華為鴻蒙等。
探測原理
在《技術淺談 | 光源數(shù)量對遮光型探測器的影響》一文中提及過，智能型光電煙霧探測器是通過發(fā)射光的強度和通過氣溶膠顆粒后光的強度對比進行分析，進而判斷采樣環(huán)境是否超過警戒閾值，進而對環(huán)境進行安全監(jiān)測。
當物體大于光的波長，光才會被反射出來，探測器才能感知到物體;當物體小于光的波長，探測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，往往采用紅外光探測;要觀察到更小的對象，需要采用光波較短的光源探測(如藍光)。
采用雙光源的煙霧探測器可探測更廣范圍的煙霧顆粒，更能準確感知煙霧濃度狀態(tài);決定探測器能否探測出煙霧顆粒與光源類型無關，而與探測光波長范圍密切相關。
然而，應用光源的不同，對探測器適應不同環(huán)境有很大的影響。
LED光源特點
A、低功耗的LED光源適應能力強，能輕松工作于低溫和高溫寬域溫度范圍;
B、成本低，壽命長;
C、高功耗的LED光源壽命相對短，對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;藍光穩(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，為保持長壽命，應選擇低功耗的LED;為觀察更小的對象，可選擇藍光;為傳播更遠，可選擇紅外光。
激光光源優(yōu)勢
A、光強值大，光損小;
B、紅光/紅外光壽命遠遠大于藍光壽命;
C、激光光源功耗低，發(fā)熱小;
D、環(huán)境溫度適應范圍比LED窄，適用溫度的特性不如LED強;
E、光的純凈度較好，利于探測精密的對象;
F、聚光效果好。
由此可見，激光光源的選擇優(yōu)點非常多。
近日, 住房和城鄉(xiāng)建設部會同中央網(wǎng)信辦、教育部、科技部、工信部等16部門聯(lián)合印發(fā)了《關于加快發(fā)展數(shù)字家庭提高居住品質的指導意見》，明確指出要強化數(shù)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(qū)硬性配置的第一步，未來有望成為住宅社區(qū)的標配。
”近日, 住房和城鄉(xiāng)建設部會同中央網(wǎng)信辦、教育部、科技部、工信部等16部門聯(lián)合印發(fā)了《關于加快發(fā)展數(shù)字家庭提高居住品質的指導意見》，明確指出要強化數(shù)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(qū)硬性配置的第一步，未來有望成為住宅社區(qū)的標配。
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(zhèn)的消防中心提示出現(xiàn)火情，煙霧探測聲光報警系統(tǒng)信息不斷提示xx住戶家有煙霧產生。幾次電話聯(lián)系業(yè)主未果，物業(yè)保安已經緊急找到業(yè)主家，下夜班回家剛洗完澡的業(yè)主一臉茫然面對保安火警的詢問。與業(yè)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(yè)尷尬道歉收場。這是祝臻在慕展現(xiàn)場與業(yè)界人士分享的一個真實場景?！皩擂问滦“踩麓?，這種誤報導致部分業(yè)主人為停用煙霧探測器?！? 祝臻說道，“越來越多的物業(yè)認識到傳統(tǒng)煙霧探測設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作為測量光源?！弊Ｕ榉窒淼?。經典光電式煙霧報警器以離散方式設計，通過向前散射發(fā)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。
具有紅外LED的向前散射系統(tǒng)
“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(qū)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(fā)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(fā)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(qū)分漢堡包肉餅產生的煙霧和易燃聚氨酯產生的煙霧。
現(xiàn)場的模擬水蒸氣干擾敏感性檢測中，傳統(tǒng)方案很快報警，而ADI雙光檢測方案沒有出現(xiàn)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(fā)射器，一顆藍光發(fā)射器、一顆紅外發(fā)射器。所以它不但能監(jiān)測煙霧的濃度，同時還可以監(jiān)測煙霧的顆粒直徑，以區(qū)分正常煙和火災煙?！弊Ｕ榻榻B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(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監(jiān)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。
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(fā)出的兩種信號曲線在兩種場景下有很大區(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(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(guī)模量產。“然而，傳統(tǒng)的分立解決方案由于從傳感到信號調理以及后端數(shù)據(jù)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(tǒng)，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(xiàn)商業(yè)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?！?
集成光學設計可極大簡化光學設計并提供顯著的系統(tǒng)增強功能
在固定電流下，不同LED的發(fā)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(zhí)行煙霧報警器校準，校準LED發(fā)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(xiàn)。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(shù)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(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(tǒng)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(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(yè)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(tǒng)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(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?，ADI還開發(fā)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(shù)據(jù)設置和算法以滿足UL要求，從而加快客戶開發(fā)周期，降低成本和項目風險。
很早以前，嵌入式這個概念就已經存在了。在通信方面，嵌入式系統(tǒng)在20世紀60年代就用于對電子機械電話交換的控制，當時被稱為“存儲式程序控制系統(tǒng)”(Stored Program Control)。嵌入式計算機的真正發(fā)展是在微處理器問世之后。1971年11月，Intel公司成功地把算術運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成的系統(tǒng)，廣泛地應用于儀器儀表、醫(yī)療設備、機器人、家用電器等領域。微處理器的廣泛應用形成了一個廣闊的嵌入式應用市場，計算機廠家開始大量地以插件方式向用戶提供OEM產品，再由用戶根據(jù)自己的需要選擇一套適合的CPU板、存儲器板以及各式I/O插件板，從而構成專用的嵌入式計算機系統(tǒng)，并將其嵌入到自己的系統(tǒng)設備中。為靈活兼容考慮，出現(xiàn)了系列化、模塊化的單板機。流行的單板計算機有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計一臺專用的嵌入式計算機，而是只要選擇各功能模塊，就能夠組建一臺專用計算機系統(tǒng)。用戶和開發(fā)者都希望從不同的廠家選購最適合的OEM產品，插入外購或自制的機箱中就形成新的系統(tǒng)，這樣就希望插件是互相兼容的，也就導致了工業(yè)控制微機系統(tǒng)總線的誕生。1976年Intel公司推出Multibus，1983年擴展為帶寬達40MB/s的MultibusⅡ。1978年由Prolog設計的簡單STD總線廣泛應用于小型嵌入式系統(tǒng)。
消防不僅僅是要應對已經發(fā)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(xiàn)疑似火災的跡象便發(fā)出警告提醒，為滅火和逃生贏得時間?！叭欢?，據(jù)美國消防協(xié)會統(tǒng)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(tǒng)的煙霧探測器往往無法分辨煙霧的類型，容易引發(fā)誤報，從而被人為停用，最后導致了悲劇的發(fā)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(tǒng)煙感還存在體積過大、規(guī)格不一、調試困難等情況，煙感設備面臨技術變革要求?！?
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