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(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(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榉窒淼馈＝浀涔怆娛綗熿F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?！癆DPD188BI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?！叭欢?，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(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。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(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測試數據設置和算法以滿足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。“然而，據美國消防協(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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