Introduction
Cet article technique fournit une description des aspects des logiciels et des données du modèle de référence de détecteur de fumée CN-0537, qui est conçu et testé pour répondre aux spécifications décrites dans la norme UL 217, édition 8. Celui-ci a été conçu en analysant les données de recherche sur les incendies, collectées lors sur les sites de tests de détecteur de fumée d'Underwriters Laboratories (UL) et d'Intertek Group plc. Ces sites de test et la procédure de test suivie sont conformes aux spécifications de la norme UL 217 pour les détecteurs de fumée résidentiels. Le modèle de référence utilise le capteur optique intégré ADPD188BI (avec LED et photodiode) ainsi qu'une chambre à fumée optimisée conçue pour détecter et mesurer les particules de fumée à l'aide d'un seul appareil calibré. Il est important de noter que le modèle de référence comprend également un algorithme de détection de fumée testé et vérifié selon la norme UL 217 pour aider les clients à réduire leurs cycles de développement de produits et à livrer plus rapidement leurs modèles de produits finaux. Le modèle de référence compatible avec le facteur forme Arduino, qui comprend le modèle de référence du détecteur de fumée CN-0537 et la carte de développement du microcontrôleur ADICUP3029, est illustré dans la Figure 1.
Figure 1. Solution matérielle de modèle de référence de détecteur de fumée.
Détecteur de fumée ADPD188BI
Depuis les années 70, les détecteurs de fumée sont devenus monnaie courante dans les bâtiments commerciaux et résidentiels. Deux principaux types de détecteurs existent aujourd'hui : le type à ionisation, qui utilise des matières radioactives pour ioniser l'air et vérifie un déséquilibre électrique ; et le type photoélectrique, qui utilise une source lumineuse dirigée à un angle éloigné d'un photodétecteur et vérifie le courant du photodétecteur provoqué par la lumière réfléchie par les particules en suspension dans l'air vers la photodiode.
Bien qu'une solution combinée des deux types soit recommandée, le détecteur de fumée photoélectrique est plus populaire en raison de sa plus grande fiabilité au niveau de la détection des incendies domestiques courants et de leurs temps de réponse plus rapides aux feux couvants.
Le module optique ADPD188BI illustré dans la Figure 2 est un système photométrique complet spécialement conçu pour les applications de détection de fumée. L'utilisation de l'ADPD188BI à la place des circuits détecteurs de fumée traditionnels et discrets simplifie grandement la conception car l'optoélectronique (constituée de deux LED et de deux photodétecteurs) et le frontal analogique (AFE) sont déjà intégrés dans le boîtier. Pour détecter la fumée, l'ADPD188BI utilise une technique à double longueur d'onde : deux LED intégrées émettent de la lumière à deux longueurs d'onde différentes ; une à 470 nm (lumière bleue) et l'autre à 850 nm (lumière infrarouge). Ces LED sont pulsées dans deux tranches de temps indépendantes, et la lumière transmise est renvoyée sur l'appareil par les particules dans l'air.
Figure 2. ADPD188BI et une coupe transversale de la chambre à fumée.
Deux photodétecteurs intégrés reçoivent alors la lumière diffusée et produisent des niveaux proportionnels de courant de sortie, qui sont convertis en interne par l'AFE en code numérique. En supposant que la puissance optique de la LED reste constante, une augmentation des valeurs de sortie ADPD188BI au fil du temps indique une accumulation de particules en suspension dans l'air, comme illustré dans la Figure 3.
Figure 3. Rétrodiffusion de la lumière des LED ADPD188BI.
La réponse à la fumée de l'ADPD188BI s'exprime au mieux sous la forme d'un rapport entre la puissance optique reçue et la puissance optique transmise. Appelé rapport de transfert de puissance (PTR), exprimé en nW/mW, ce paramètre est une valeur beaucoup plus pertinente que les codes de sortie bruts car il est indépendant des paramètres matériels réels utilisés. En ce qui concerne les étapes de configuration du détecteur pour convertir sa sortie en valeurs PTR, veuillez vous référer à la note d'application disponible ici.
Compensation de température LED
La réponse de l'ADPD188BI est affectée par la température ambiante. Pour le canal bleu, cela est encore plus compliqué car la forme de la courbe de réponse en température peut également varier, en fonction de la quantité de courant LED utilisée. Pour le canal infrarouge, la courbe de réponse en température est indépendante du courant LED.
Pour déterminer la valeur de la réponse relative, la capacité de mesurer la température ambiante en temps réel est requise. Sur le CN-0537, un capteur de température et d'humidité surveille les conditions à l'intérieur de la chambre, à côté de l'ADPD188BI. Lors de la sélection d'un détecteur, la taille du composant est le principal point à prendre en compte car l'espace est limité à l'intérieur d'une chambre.
Avec les valeurs de température en temps réel à l'intérieur de la chambre, la compensation de température est effectuée par logiciel en prenant la réponse relative à travers la température de fonctionnement de la pièce et en la multipliant avec les données brutes lues à partir de l'appareil. Cela nous donne les données compensées en température qui peuvent être utilisées pour calculer la réponse PTR. Les coefficients de réponse relatifs sont conservés dans des tableaux statiques en mémoire pour la LED IR et les données de compensation de la LED bleue. Une fois les données lues à partir de l'appareil, l'application lit le capteur de température et le courant de la LED bleue pour déterminer quelle table et quel coefficient de réponse relatif sont utilisés. Le tableau le plus proche du niveau de courant LED est utilisé et la valeur d'index est calculée comme suit :
Indice = (40 + température) / granularité
où :
- • index est l'index de l'élément approprié dans le tableau
- • la température est la température actuelle
- • la granularité est la différence de température entre deux points de données dans le tableau de réponse relative ; par exemple, si les ratios sont espacé de 5°, la granularité serait de 5
Cette méthode compense les données de l'appareil à l'aide d'une interpolation d'ordre zéro dans le tableau de réponse relative. Ceci est fait dans un souci d'efficacité en termes d'énergie et de temps. Si une plus grande précision est nécessaire, la granularité peut être réduite et une interpolation de premier ou de second ordre peut être effectuée, au détriment de la consommation d'énergie et des cycles du processeur.
Présentation de la norme UL 217 et des scénarios de test
De même que la technologie utilisée par les détecteurs de fumée, les réglementations en matière de sécurité incendie résidentielle sont quasiment restées inchangées depuis les années 70, malgré les progrès en termes d'électronique et de matériaux ménagers couramment utilisés au fil des décennies. Les nouvelles révisions des normes, telles que ANSI/UL 217 et ANSI/UL 268, publiées par Underwriters Laboratory (UL), ou le NFPA R 72 National Fire Alarm Code, publié par la National Fire Protection Agency (NFPA), visent à combler ces lacunes, en imposant des exigences plus complexes sur les modèles de détecteurs de fumée modernes.
Par exemple, en plus des tests traditionnels de sensibilité au feu et à la fumée, la dernière édition de la norme UL 217 exige désormais que les détecteurs de fumée ne déclenchent pas de fausse alarme en cas d'événements intempestifs, comme la cuisson d'aliments. Les détecteurs de fumée modernes doivent donc être capables de faire la distinction entre un événement intempestif causé par la cuisson d'aliments et un événement d'incendie.
L'objectif de ces nouvelles normes consiste à renforcer la sécurité en diminuant le nombre de décès liés aux incendies tout en réduisant le nombre de fausses alarmes générées par les activités quotidiennes. Traditionnellement, cela nécessiterait une solution compliquée avec plusieurs technologies de capteurs et un certain niveau d'intelligence artificielle ; cependant, l'utilisation de l'ADPD188BI simplifie considérablement la mise en œuvre. L'ADPD188BI est un module optique intégré doté de plusieurs capteurs LED spécialement conçus pour la détection de fumée.
Pour qu'un détecteur de fumée puisse être lancé sur le marché, il doit obtenir une certification. Aux États-Unis, il s'agit principalement de la norme UL 217. Cette norme met en évidence plusieurs scénarios de test d'incendies ou d'événements de fumée, que chaque unité testée doit réussir. Une version mise à jour de cette norme entrera en vigueur en 2021, ce qui nécessitera la réussite de tests supplémentaires, rendant ainsi plus difficile l'obtention de la certification.
Figure 4. Tests de sensibilité à l'orientation physique du CN-0537.
Les performances des détecteurs sont déterminées à partir de deux catégories de tests principales : les tests de sensibilité et les tests basés sur des scénarios. Les tests de sensibilité se concentrent sur la variance des déclencheurs d'alarme à partir de différentes orientations physiques et conditions environnementales. Un exemple d'un de ces tests est tiré de la section 42 de la norme UL 217, où la fumée est introduite dans une chambre à un taux commun et le temps d'alarme et le niveau d'obscurcissement sont mesurés. Ce test est répété avec huit orientations différentes de l'appareil et sur plusieurs unités. Un exemple d'appareil est illustré dans la Figure 4, où les huit perspectives d'approche de la fumée sont labellisées. Ces mesures ne peuvent excéder 50 % de variation entre les unités les plus et les moins sensibles dans toutes les perspectives. Pour rendre ce test encore plus difficile, les mêmes unités sont également testées à des températures et humidités extrêmes pour vérifier qu'elles conservent leur cohérence.
Les tests basés sur des scénarios impliquent différentes sources d'incendie ainsi que différentes contraintes appliquées à différents tests.
Tableau 1. Brève description des niveaux cibles de la norme UL 217
Dans le cadre de la norme UL 217 8e édition, un nouvel aspect a été introduit pour ajouter des sources intempestives aux sources d'incendie traditionnelles. Cela empêche de régler simplement le seuil des niveaux de fumée, car les alarmes seraient déclenchées prématurément dans un tel scénario. Un exemple de ce scénario est illustré dans le profil de fumée de la figure 5, où un pic initial est observé et une deuxième tendance à la montée est constatée. Il s'agit du profil d'une source de fumée gênante et valide, où un incendie intempestif est initialement modélisé, suivi d'une véritable condition d'incendie où une alarme est censée être déclenchée. Sur la base des spécifications mandatées par la norme UL 217, les détecteurs qualifiés ne déclencheront pas d'alarme tant que la fumée n'aura pas atteint un niveau initial, L1, mais avant qu'un laps de temps spécifié, T1, ne se soit produit et qu'un certain niveau de fumée, L2, n'ait été atteint. Ces facteurs combinés créent une fenêtre d'alarme sur la base de ces exigences. Ces exigences sont également différentes selon les sources de tests d'incendie, mais elles doivent être traitées par le même appareil sans connaître une source d'incendie. Un tableau récapitulatif de ces scénarios est fourni dans le Tableau 1.
Figure 5. Perspective de test du CN-0537.
CN-0537 Méthodologie de conception d'algorithmes de détection de fumée
Collecte de données de recherche sur les incendies
Afin de modéliser correctement à la fois la variation de pièce et la variation de test, ADI a conçu et construit des PCB avec quatre et huit capteurs de fumée ADPD188BI montés en surface ainsi que le câblage nécessaire à un MCU pour faciliter la collecte de données. Tous les détecteurs, à l'exception d'un, étaient équipés d'une chambre lors de chaque test de fumée.
En conséquence, de nombreux détecteurs ont été testés sur autant d'incendies que possible dans les sites de test d'UL et d'Intertek. Par conséquent, chaque test correspondant à l'une des sources de fumée identifiées par la norme UL 217 en vue d'une certification est enregistré par plusieurs cartes et par plusieurs détecteurs de fumée simultanément. Une illustration du plafond du site de test des détecteurs de fumée d'Intertek montrant les circuits imprimés montés avec des capteurs de fumée ADPD188BI est fournie dans la Figure 6. La disposition générale du site de test décrivant divers composants de la configuration d'essai globale est illustrée dans la Figure 7. Notez que les modules 1, 2 et 3 sont situés au plafond, tandis que les modules 4 et 5 sont situés sur les murs.
Figure 6. Modules de circuits imprimés ADPD188BI montés au plafond pour les tests de détecteurs de fumée dans le cadre de la norme UL 217.
Figure 7. Disposition du site de test des détecteurs de fumée conformément à la norme UL 217.
Comprendre les données de recherche sur les incendies
Nous examinons maintenant certaines caractéristiques clés présentes dans un profil de fumée typique observé en cas d'un test d'incendie intempestif (hamburger). Ces caractéristiques servent de signatures pour isoler la source de fumée, facilitant ainsi la conception de l'algorithme du détecteur de fumée.
Dans le cas de l'incendie intempestif illustré dans la Figure 8, la norme UL 217 exige que l'incendie intempestif soit éteint lorsque la référence d'obscurcissement correspondante atteint 1,5 % et par la suite, lors du démarrage d'un incendie de polyuréthane (PU), une référence d'obscurcissement peut être collectée à l'aide du faisceau situé à 17 pouces de distance. Ceci est visible dans la Figure 8, où vers 1 100 secondes, la réponse de la LED bleue et de l'IR PD commence à s'affaisser en raison de l'extinction du feu intempestif. À partir de ce moment, la réponse est entièrement due à l'incendie de PU.
Figure 8. Un profil de fumée émanant d'un incendie PU de hamburger pour le test 1, réalisé chez Intertek en février 2020 à l'aide du module A et de l'appareil 2. Notez que la référence d'obscurcissement est indiquée en unités de pourcentage/pied, tandis que la réponse du capteur est indiquée en nW/mW.
À noter que les modules sont toujours situés à 10 pouces de la source d'incendie lors de ce test, car il s'agit de l'exigence de l'aspect intempestif du test. Étant donné que l'aspect PU enflammé de ce test est spécifié à 17 pouces, les données de référence d'obscurcissement sont le résultat de l'épissage des données de deux faisceaux différents pour déterminer si les exigences ont été satisfaites. On peut également observer que si le feu intempestif a les caractéristiques d'un feu à combustion lente, le feu PU prend rapidement.
Contraintes et conception de l'algorithme
Avant de traiter les données du détecteur ADPD188BI pour la détection de fumée, le biais du détecteur doit être calculé et supprimé des données PTR. La polarisation du détecteur est propre à chaque appareil et résulte des tolérances de la chambre, des dérives à long terme des LED/PD, de l'accumulation de poussière ou d'autres saletés, etc. De plus, son comportement à long terme est affecté par divers facteurs tels que l'humidité ambiante, la température, l'ancienneté, etc. Le biais du détecteur varie également sur une longue période et, par conséquent, nécessite un suivi à long terme. Par conséquent, tout algorithme de détecteur de fumée qui suppose des données moyennes nulles en l'absence d'un incendie et qui utilise ADPD188BI doit calculer périodiquement le biais du capteur et le supprimer par la suite des données capturées.
De plus, l'optimisation du nombre de calculs de l'algorithme et, par conséquent, l'optimisation de la puissance du système dépensée sur l'algorithme représente également une décision majeure concernant le modèle. Une fonction de prétraitement moyen fenêtré en option fournie par ADPD188BI entre en ligne de compte dans cette décision. Cette étape améliore le SNR dans les données au détriment de la puissance du système et est effectuée avant d'appliquer tout algorithme de détection de fumée. Dans notre étude, nous avons pu atteindre la conformité à la norme UL 217 sans incorporer cette étape dans notre algorithme. De plus, dans notre modèle, nous avons utilisé des échantillons capturés à des intervalles d'environ 6 secondes, optimisant ainsi considérablement la puissance du système utilisée pour les calculs d'algorithmes. Les clients intéressés qui souhaitent intégrer cette fonctionnalité peuvent consulter ce document.
Comme expliqué précédemment, la nature contrastée des profils de fumée à embrasement rapide et à combustion lente sert de motivation pour la conception de l'algorithme de détection de fumée. L'algorithme du détecteur de fumée d'ADI se base sur le traitement d'échantillons PTR en tant que données de séries chronologiques et sur l'identification des instances dans le temps où une alarme doit être déclenchée lorsque certains événements clés des données de séries chronologiques sont observés. ADI fournit environ 1 500 combinaisons de paramètres de réglage d'algorithme qui répondent aux exigences de niveau d'obscurcissement du faisceau de référence et de durée d'alarme conformément à la norme UL 217 avec des niveaux de marge de réussite variables en fonction de la source de fumée considérée.
CN-0537 Résultats des performances des algorithmes de détection de fumée
Réglage de l'algorithme
Dans cette section, nous discutons des résultats de performance obtenus en appliquant l'algorithme de détection de fumée CN-0537 à la recherche de données sur les incendies collectées dans des laboratoires agréés UL. Ce processus impliquait également de régler les paramètres de l'algorithme de détection de fumée CN-0537 de manière à ce qu'un grand nombre de combinaisons de paramètres de réglage soient disponibles pour les clients, qui se sont avérées conformes à la norme UL 217, mais avec des degrés de marge de réussite variables. Le scénario intempestif dû à un hamburger dans la Figure 9 servira d'exemple de source de fumée pour décrire les aspects de performance de l'algorithme en général.
Figure 9. Niveau d'obscurcissement du faisceau de référence pour le test de l'incendie PU (hamburger).
Dans la Figure 9, les limites supérieure et inférieure pour les niveaux d'obscurcissement du faisceau de référence mandatés par la norme UL 217 pour un test d'incendie PU dû à un hamburger sont indiquées. Le niveau d'obscurcissement du faisceau de référence lorsque l'algorithme déclenche l'alarme est également indiqué. L'axe des x dans cette figure décrit l'indice de combinaison des paramètres de réglage.
Ainsi, pour un indice d'axe x donné, la combinaison correspondante de paramètres de réglage a été appliquée à tous les fichiers de données et les résultats obtenus ont été classés en catégories. Comme illustré dans la Figure 9, alors que toutes les combinaisons de paramètres de réglage rendent l'algorithme conforme à la norme UL 217, la marge entre le niveau d'obscurcissement de l'heure de l'alarme et le niveau d'obscurcissement cible peut être infime. En outre, on peut observer que si une combinaison de paramètres de réglage peut fournir une marge suffisante pour certaines sources de fumée, elle peut entraîner des quasi-collisions dans d'autres cas. Par conséquent, la sélection des paramètres de réglage doit être effectuée en tenant compte de toutes les sources de fumée.
À titre d'exemple, nous voyons sur la Figure 9 que la norme UL 217 stipule que l'algorithme déclenche une alarme en dessous du niveau d'obscurcissement du faisceau de référence de 5 % et au-dessus de 1,5 %. Pour une combinaison de paramètres de réglage donnée, par exemple, l'indice 500 et parmi tous les tests d'incendie de burger couvants et PU, le niveau d'obscurcissement le plus élevé parmi tous les ensembles de données d'incendie de burger et de PU pour lesquels l'algorithme a déclenché une alarme était d'environ 4,7 % ; c'est-à-dire dans le niveau stipulé. De même, le plus faible niveau d'obscurcissement parmi tous les ensembles de données sur les incendies intempestifs de hamburgers auxquels l'alarme a été déclenchée était d'environ 2 %. Cette variation est principalement le résultat des variations dans la conduite du test, qui proviennent soit du technicien, soit du caractère aléatoire inhérent au profil de fumée lui-même d'un test à l'autre.
Résultats du test de conformité à la norme UL 217
Après la conception et le réglage de l'algorithme à l'aide d'un ensemble de données de recherche sur les incendies, l'algorithme a été testé en vue d'assurer sa conformité à la norme UL 217. Un résumé des résultats des tests d'Intertek utilisant l'algorithme de détection de fumée CN-0537 peut être consulté dans le Tableau 2, et le rapport détaillé est disponible ici. Notez que, bien que EVAL-CN0537-ALGO soit testé et vérifié pour réussir les tests d'incendie conformément à la norme UL 217 8e édition, il est principalement destiné à permettre aux clients de se concentrer sur la tâche plus vaste de création de leur produit final. En d'autres termes, même en utilisant l'algorithme développé par ADI, les clients doivent toujours faire certifier leur produit final dans son intégralité selon la norme UL 217. Notez également que seuls les aspects des détecteurs de fumée relevant de la norme UL 217 ont été testés et vérifiés et non les autres parties de la norme UL 217, telles que celles qui se concentrent sur les aspects mécaniques, l'autonomie de la batterie, etc.
Tableau 2. Tests et résultats de certification Intertek pour l'algorithme de détection de fumée CN-0537
Options de solutions ADI
Pour répondre aux besoins de différents clients, différentes offres sont à votre disposition. Elles sont résumées dans la Figure 10. Le matériel est compatible avec le facteur forme Arduino et conçu pour accélérer le prototypage et l'évaluation de l'algorithme de détection de fumée incorporé. Le matériel comprend le modèle de référence EVALCN0537-ARDZ, qui est décrit dans la note de circuit CN-0537 et la carte de microcontrôleur EVAL-ADICUP3029 prise en charge. Le package Données (EVAL-CNO537- DATA) procure un jeu de données étendu sur la fumée en provenance de sites certifiés UL-217 pour ceux qui souhaitent développer leur propre algorithme, et le code source CN-0537 - sans l'algorithme de détection. Le package Algorithme (EVAL-CN0537-ALGO) comprend tout ce que contient le package Données ainsi qu'un algorithme de détection de fumée testé et certifié UL avec les fichiers de projet d'algorithme associés.
Figure 10. Offres de modèle de référence CN-0537.
Voir les produits connexes
