CN112907884B - 一种低误报率的烟雾探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低误报率的烟雾探测方法，尤其针对于复杂应用场合的水蒸气、凝露、灰尘以及其组合场景的判断流程及算法，该方法分为两大部分：第一部分是有烟判断及本底追踪方法，第二部分是烟雾类型检测及误报抑制方法。该探测方法符合实际的复杂使用环境的要求，通过对水蒸气、凝露、灰尘以及其组合场景的综合识别，可以显著降低烟雾探测器的误报概率，具有极大的市场应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及烟雾探测技术领域，尤其涉及一种低误报率的烟雾探测方法。
背景技术
光电式烟雾探测器是根据Mie散射原理搭建的光学信号采集系统，即用发射管发出光束照亮某片区域，如果这片区域里没有烟雾的话接收管接收不到任何信号或者是一个恒定的背景值，如果有烟雾进入检测区域的话，接收管的信号将会发生变化。因此，从接收管和发射管的光路夹角上可以将烟雾探测器分为前向散射、后向散射以及前后向结合散射的类型。从接收管和发射管的数量上可以分为单发单收、双发单收、单发双收、双发双收以及多发多收的情况。目前市场上多见的是单发单收、单发双收以及双发单收的情况。
光电式烟雾传感器具有功耗低、使用简单寿命长等优点，但也有如下问题：
(1)光电式传感器器件的发光和感光效率会随着时间而衰减，这会导致检测阈值不再符合出厂设定，需要校准；
(2)随着时间的推移，烟雾探测器的迷宫以及光学器件表面都会或多或少地累积灰尘。迷宫表面的灰尘会改变迷宫内表面的光学反射系数，引起光学变化；而光学器件表面的灰尘会直接影响发光和感光效率；
(3)高湿度或者高温差的情况会产生凝露，这些凝露会严重干扰原有的光学体系，引起探测器误报；
(4)现有的烟雾探测器厂家一般不建议将探测器安装于或靠近浴室和厨房，因为这两个地方的水蒸气很多，水蒸气会引起设备误报并且也会凝结于设备内部造成凝露造成误报；
(5)家居环境的烟雾探测器场景要比公共场合的要求根为复杂，希望有针对水蒸气低误报甚至不误报的产品。
现有烟雾探测类产品的检测方法尚不能对以上多种情况做出准确判断识别，所以难以降低误报。因此有必要发明一种可以适用于复杂应用场合并有效识别凝露、灰尘、水蒸气及其它烟雾环境的低误报率的烟雾探测方法。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可以有效识别凝露、灰尘、水蒸气及其它烟雾环境的低误报率的烟雾探测方法。
技术方案：为实现上述目的，一种低误报率的烟雾探测方法，包括有烟判断及本底追踪方法；所述有烟判断及本底追踪方法包括以下步骤，
步骤一，工厂本底校准；
步骤二，周期性采集并记录接收信号；
步骤三，判断是否超过接收管信号变化阈值；若满足判断条件则进入下一步骤；若不满足判断条件则回到步骤二；
步骤四，判断是否有烟雾进入；
若满足判断条件，则进入烟雾类型检测及误报抑制方法；
若不满足判断条件，则判断是否为凝露：如果是凝露则记录凝露事件，如果不是凝露则做灰尘过多提示；最后统一更新灰尘或是凝露引起的本底改变；
其中，接收管信号Preceiver＝Psmoke+Pchamber，Preceiver是接收管接收到的总的光功率，Psmoke是经烟雾散射至接收管的光功率，即烟雾信号，Pchamber是经迷宫内壁反射至接收管的光功率，即本底信号。然而实际应用中Psmoke和Pchamber是同时变化的，不可能通过标定Pchamber将Psmoke完全剥离出来，Preceiver是实际测量的信号，Preceiver发生变化不等于有烟，只有无烟进入时Preceiver才等于本底Pchamber，本底信号会随着烟雾的进入以及积灰、凝露等的影响而变化，因此有没有烟雾进入的判断是至关重要的；步骤三的判断标准为本底值连续多次(一般为3次)超过规定的参数范围，参数包括本底值变化的百分比(一般设为法规规定的慢烟阈值的50％～70％)、绝对值变化以及时间间隙；步骤四的判断标准为数据波动算法，即监测数据波动幅度是否超过一定阈值，典型的可以设置为无烟时同等接收管接收电流下的静态的系统噪声的两倍，这个值可以在本底更新的过程中获得并参考电路的设计理论和测试的噪声水平；
CTR或者PTR扫描法有助于区分凝露和灰尘的累积。采用CTR(电流传输比)或者PTR(功率传输比)扫描法来标定迷宫本底的特性，从而精准区分凝露和灰尘的影响。同时结合先验知识来进一步区分凝露和灰尘，本底短时间内变大以及CTR很大的案例很大概率是凝露而不是灰尘，这里的短时间内是指6小时以内；
进一步地，所述烟雾类型检测及误报抑制方法包括以下步骤，
步骤一，判断是否为凝露；若满足凝露判断条件，则采用滑动窗求导法计算进行烟雾判断；若不满足凝露判断条件，则采用比值法和阈值法进行烟雾判定；
对于步骤一，因为凝露产生的条件不一样，凝露有可能是因为空气潮湿而缓慢产生的，也可能是是由于空气温度骤变产生的，还有可能是伴随水蒸气产生的凝结情况，或是前面情况的组合。由于凝露产生的本底值比灰尘产生的本底值大得多，在烟雾类型的判断之前必须知道是否已有凝露情况；
步骤二，判断是否为水蒸气，若不满足判断条件，则执行火灾烟雾的处理流程并报警，随后返回有烟判断及本底追踪流程的步骤二；若满足判断条件，则记录水蒸气状态并进行凝露判断；
对于步骤二，这里的凝露判断不同于步骤一的凝露判断，因为凝露可能先于水蒸气发生也可能由水蒸气之后引发的凝露；
步骤三，根据步骤二的凝露判断结果，若满足判断条件，则回到步骤一中重新采用滑动窗求导法计算进行烟雾判断；若不满足判断条件，即有水蒸气但没有产生凝露的情况，此时烟雾探测器不报警并返回到有烟判断及本底追踪方法的步骤二；
其中，凝露的判断标准为本底短时间内变大以及符合凝露特征，短时间可以理解为6小时以内，本专利采用CTR(电流传输比)或者PTR(功率传输比)扫描法来标定凝露特征，凝露产生的本底值变化比灰尘大得多，灰尘的本底值变化更新幅度一般设为法规规定的慢烟阈值的50％～70％，而凝露产生的本底值一般几倍于法规的慢烟阈值，具体取决于迷宫的光学设计；
基本的滑动窗求导法的计算公式为yn＝xn-xn-m，xn是当前的样本，xn-m是当前m个样本之前的样本，m是可编程的，m最好不要超过10秒的样本数，在具体实施中可以采用滑动窗求导法，求取单位平均增量；
比值法的计算公式为R＝ΔIblue/ΔIir，这里的R表示比值，ΔIir表示红外发光管点亮时接收管的接收电流的变化量，ΔIblue表示蓝发光管点亮时接收管的接收电流的变化量，变化量指的是测得信号与记录的本底之间的差值，每种光源有对应的本底值；
阈值法的计算方法为红外和蓝发光管点亮时接收管接收电流的变化量ΔIir和ΔIblue与实验设定报警阈值比较。
为改进水蒸气误报的问题，上述探测方法可选择地结合多模态传感器的数据融合以提高检测的鲁棒性。典型的数据融合传感器是温度传感器和湿度传感器，结合温度传感器可以获得环境温度的变化情况，用于辅助判断凝露的产生，比如对温度骤降产生的凝露进行精准判断。该发明独创的是一种利用印制电路板感应电容的方案来获得凝露的情况，作为一种辅助检测方法，该方法具备简单实用及低成本的有点。
有益效果：本发明的一种低误报率的烟雾探测方法，通过识别本底改变并区分是灰尘还是凝露的影响，从而精准判断并预测。此外，利用算法来判断是否烟雾或者水蒸气进入，并考虑检测水蒸气的同时产生的凝露问题。该探测方法符合实际的复杂使用环境的要求，可以显著降低烟雾探测器的误报概率，具有极大的市场应用前景。
附图说明
图1为有烟判断及本底追踪方法示意图；
图2为烟雾类型检测及误报抑制方法示意图；
图3为NTC温度传感器结构示意图；
图4为湿度传感器电容结构示意图；
图5为传统迷宫结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明中所提到的烟雾，如无特殊说明，指的是能够进入到烟雾探测器的颗粒物，包括火灾烟雾、水蒸气和粉尘等颗粒物。误报指的是烟雾探测器对非火灾烟雾颗粒的错误的报警动作或事件。硬件设备使用两发一收的蓝和红外双光源前后向散射结合的设计。
低误报率的烟雾探测方法，尤其针对于复杂应用场合的水蒸气、凝露、灰尘以及其组合场景的判断流程及算法，该方法分为两大部分：第一部分是有烟判断及本底追踪方法，第二部分是烟雾类型检测及误报抑制方法。
方法的第一部分：烟雾探测器开始工作后会按照一定的时间间隔周期性地采集并判断信号是否超过变化阈值，需要使用有烟判断算法稳定地判断是否有烟雾进入探测器。如果没有烟雾进入探测器迷宫，探测器会周期性地检测凝露及积灰的情况并记录本底的变化，CTR或者PTR扫描法能够帮助区分凝露及积灰的情况，并作为后续有烟处理的判据。
方法的第二部分：如果有烟雾进入探测器迷宫，探测器进入烟雾类型检测和误报抑制流程。与传统方法的不同，该方法首先在逻辑流程上考虑到实际场景中水蒸气与凝露的组合可能性，然后针对不同情况使用不同的算法来保证对烟雾类型的判断，从而做到针对水蒸气和凝露低误报甚至不误报的要求。凝露可能先于水蒸气产生也可能由水蒸气产生或者综合产生，这些都会影响对烟雾的判断，因此首先要剔除或者降低由凝露、水蒸气或其组合产生的影响，做到低误报甚至不误报。
在此引入PTR(Power Transfer Rate，功率传输比)的概念，单位为nW/mW，这是一种衡量光学系统转换效率的通用方法，即发射管每发射出1mW能量，经迷宫和烟雾散射后到达接收管的能量(以nW为单位)。因为每个电路板的器件参数存在误差，器件老化程度也有所不同，使用功率传输比作为度量单位可以有效地规避系统电气参数的影响。有时候也会提及CTR(Current Transfer Rate，电流传输比)的概念，单位为nA/mA，即每1mA发射管驱动电流会形成多少nA的接收管感应电流。不同点在于PTR是一个综合考量单位，而CTR只是电流的传输比，换算到PTR的话还要考虑器件供电电压、转换效率等因素。考虑到实际的烟雾探测器的处理器运算能力及成本的考虑，我们一般使用CTR来代替PTR以简化计算。
为了方便讨论，我们把凝露分为三种：一是空气高湿度情况下的结露；二是高温差产生的冷凝；三是水蒸气进入后产生的冷凝。情况一是指空气中湿度大，水分子颗粒不大，一般达不到烟雾报警颗粒的大小，但是会在迷宫内部结露，所以是一个相对慢的过程；情况二多发于温度变化比较大的场景，比如房间打开空调、房间开窗通气等场景，探测器内外有温差产生凝露，所以凝露可能较快；情况三是直接的水蒸气场景，凝露一般很快，具体速度取决于烟雾探测器迷宫内外温差情况。情况三与情况一的不同点在于水分子已经凝结为大颗粒的水蒸气，如果不妥善处理会引起烟雾探测器误报。
灰尘累积到迷宫和光学器件表面引起的光学改变、情况一和情况二的凝露以及光学器件自身随时间的老化问题都可以归结为本底的静态变化，情况三的凝露产生是一种本底的动态变化，有可能在此期间仍有水蒸气的进入。本发明的本底跟踪方法能兼顾到各个因素的影响。主要的考虑点如下：
(1)正常的灰尘和光学器件老化导致的本底变化是比较缓慢的，更新周期不需要很快，但考虑到一天24小时可能出现的温度变化引起的光学器件温漂的影响，可以以1～12小时的时间间隔来更新本底的缓慢变化，典型的时间间隔为3小时或者6小时，每次更新的幅度不能超过最小响应阈值，典型值为0.025dB/m或更小；
(2)凝露对本底的影响是比较大的，无论是缓慢的累积还是由温差引起的快速累积，这可以通过与前面的本底以及产品出厂的本底进行对比来判断是否是疑似凝露的情况；
(3)基于(2)的判断，接收信号变化较大的情况只能说是疑似凝露，也可能此时有烟雾(包括水蒸气)进入迷宫，所以需要首先判断是不是烟雾。简单的方法是看一定时间段信号的波动情况，因为没有烟雾的情况下信号的交流波动与电路的噪声相当或者与信号幅度成比例，而有烟雾进入时烟雾会流动引起较大的信号波动，所以很容易地使用波动阈值来区分有烟和无烟的场景；
(4)对凝露以及凝露的同时是否有烟进入的情况需要特别谨慎，因此我们又引入了一种PTR或CTR扫描法来进一步确认。产品出厂时会进行产品自检校准迷宫本底信号，我们一般会把它理解为对应特定发射管电流的PTR值或者CTR值，为了方便计算和描述，我们选取CTR值以减少运算量和系统成本。产品使用过程中一般不会调整发射管电流，但是产品出厂校准时我们可以测试尽可能多的发射管电流(尽量选取发射管驱动电流线性区的两个电流值，包括使用的电流)，计算并记录其CTR值，如果发射管电流是变量x，接收管是变量y的话，我们可以拟合出一条直线y＝ax+b，记录各电流的设定值以及拟合直线的系数a和b到设备的非易失型存储器里，a值等效于CTR。当有凝露发生时，凝露会造成较大的反光系数，从而导致a变化很大，如果没有烟雾进入的时候，a较出厂设定有较大的变化但短时间维持恒定不变，这可以作为区分凝露和灰尘引起本底变化的依据。假设我们选取n个电流值进行测试，x＝[x1,x2,...,xn]测得接收管的值为y＝[y1,y2,...,yn]，n≥2，如果没有烟雾进入迷宫时，接收管接收信号y近似线性的，而且系数a接近于工厂校准数据，即使有积灰情况，积灰引起的a变换是非常缓慢的。因此没有烟雾进入而且a变化很大多半可以判断为凝露情况。如果有烟雾进入时，不管有没有积灰和凝露情况，数据的波动都相对较大，超过相同接收管接收电流情况下系统静态噪声，典型阈值为两倍。因此系数a可作为本底类型的判断标准，数据波动大小可以作为有没有烟雾进入的判据。
对CTR进行详细解释：CTR＝Ipd(nA)/Iled(mA)，Ipd是接收管监测到的电流信号，单位为nA，Iled是发射管发出的电流，单位为mA。实际操作考虑到运算量的问题也可以用两个发射器电流及其对应的CTR(如果发射器电流已知，CTR与接收器接收的电流成固定系数关系)来快速计算。因此，系数a反映的是光学系统的电流传输比情况，与CTR成系数关系。
(5)如果有凝露存在需要记录原本底和凝露事件后再更新本底。所以设备会记录至少四条跟本底有关的数据，一是出厂本底，二是凝露之前的原本底，三是现在用的本底，四是凝露事件标志。这里说的本底更新周期不等于流程里的接收信号的采集和记录周期，默认的本底更新周期是慢速过程，而信号采集默认是1Hz，即每秒一个数据，接受信号的数据是指接收管接收的信号，包括本底信号和烟雾信号。灰尘累积引发的本底变化是慢速的过程，符合慢速的更新条件。凝露引起的本底变化有可能如灰尘累积一样是慢速的过程，也可能是快速产生的，因此如果发现接受信号的幅度发生较大的变化的情况，需要综合考虑是否有烟进入的情况以及本底的变化幅度，从而准确知道是不是凝露引起的本底变化。
如果系统存储空间允许的话，可以记录过去一段时间的本底。举例说明，如果每6小时更新一次本底的话，记录一年需要1460个数据的存储空间。这不但有助于本底追踪算法，也有助于后续算法做处理。
只有在完成上述对本底追踪并准确判断是否有凝露的情况下才能对真正的烟雾的进行判断。这里的烟雾实质上包括了水蒸气，所以该发明的目的之一也是需要避免水蒸气报警。主要的考虑点如下：
(1)如果没有凝露发生，常规的做法是将采样值减去本底后的变化量以及多波长的变化量比值作为判断依据，水蒸气的阈值和比值跟火灾烟雾有明显的不同。这里的多波长是指至少两种不同波长而且波长相差较大的发射管波长，比如常用的红外光和蓝光，具体计算公式为：R＝ΔIblue/ΔIir，这里的R表示比值，ΔIir表示红外发光管点亮时接收管的接收电流的变化量，ΔIblue表示蓝发光管点亮时接收管的接收电流的变化量。R值反映的是烟雾颗粒的平均粒径大小，火灾烟雾的粒径一般在100nm到600nm之间，而非火灾烟雾如水蒸气和粉尘一般在1um以上甚至更大，因此通过试验获得的R值虽然难以准确地区分具体的烟雾类型，但可以容易地区分出火灾烟雾颗粒和非火灾颗粒，具体R值的阈值与光学器件排布及迷宫有关，需要由试验获得。
(2)如果有凝露发生，需要考虑两种情况：一是凝露早于烟雾产生，这时的做法类似于前面的方法(1),算法判断是不是有水蒸气进入；二是凝露出现于水蒸气进入之后，本来没有凝露，随着水蒸气的进入逐渐累积凝露造成本底升高，这时需要有特殊的处理方法，见下面方法(3)。
(3)如果凝露后于水蒸气产生，这时鉴于先验知识已经知道了有水蒸气存在，算法会观察接收管接收的信号是不是已经超过信号变化阈值，如果超过了阈值并判断出凝露情况后将不再使用减本底的方法，而是采用滑动窗口求导的办法来获得信号的变化量，从而判断是不是混有火灾烟。具体的做法参考后面具体实施例的滑动窗求导算法。
进一步提高烟雾探测器的鲁棒性，我们可以采用多传感器融合的方法，考虑到成本和系统功耗的因素，我们将以最简单的方式实现辅助的温度和湿度传感器。他们不是必须的，但可以提高系统检测的鲁棒性。
如图3所示，温度传感器采用低成本的NTC或者RTD传感器，精度不需要很高，±5℃以内的误差都可以接受，主要用于采集环境温度的变化，用于辅助检测水蒸气或者火灾情况的检测。具体使用场景是如果有水蒸气进入时可以使用温度传感器来观察一下温度的变化，从而辅助水蒸气的检测。另外如果获知环境温度情况，可以用于补偿光学器件的温漂影响，这需要向光学器件供应商索取光学器件的温度响应曲线或者自己对多个批次的多台产品样机做高低温测试并记录平均温度曲线；
NTC即负温度系数电阻，它的电阻值随温度的升高而降低，利用这一特性可以用于温度测量，它的体积小使用方便，是很多低成本测温的首选传感器。R_ntc表示NTC电阻，通过上拉电阻R1接至电源VCC，R_ntc的电阻随温度变化会导致u1点的电压发生变化，通过测量u1的电压我们可以换算出R_ntc在当前温度下的电阻值从而查表获得温度值。采集u1电压需要使用运放缓冲接至数模转换器ADC，一般的集成电路和处理器里都会集成运放和数模转换器，这里不再赘述。
如图4所示，湿度传感器是检测两个导线间的电容变化，这样导线不需要裸露也可以刷防水胶，避免传统的采用裸露铜导线来检测两个导线间的阻抗变化，避免铜导线在潮湿的环境下极易被腐蚀生锈的问题；探测水汽浓度的凝露检测装置由一个安放于迷宫上方或进气通路上的电容传感器来完成的，该方案在PCB电路板上布线完成双电极的电容器。电容的计算公式如下所示，因此电容的大小与电极板针对面积和介电常数成正比，与距离成反比。
平行板电容的计算公式可以用来理解电容的变化与各参数的关系，C＝εS/4πkd＝εδS/d，ε：介质介电电常数(相对介电常数)；δ：δ＝1/4πk真空中的绝对介电常数＝8.86×10-12F/m，k：静电力常量，k＝8.9880×109，单位:Nm/C(牛顿·m2/C2)，S：两极板正对面积，d：两极板间垂直距离；
通过PCB走线的方法可以通过走线长度尽量增大对应的S面积，尽量减少两组走线间的距离。
图示的电极1和电极2是由电路板的走线，它们可以交错地走线形成F型或者梳齿状的形态，总体外观可以是矩形的也可以是圆形的或者环形的，具体配合烟雾探测器的迷宫和产品外观形状，比如可以内嵌到迷宫内部、环绕传感器，环绕迷宫或者布置于烟雾通路上用于感应环境中的水汽变化或者凝露现象。这是一种低成本的解决方案，分辨率不高，只要能辅助测试就好，一般可区分出5档或更高的湿度等级就好。
传统的迷宫设计如图5所示，至少有一个发射管1和一个接收管2焊接或通过某种方式连接到电路板4上。发射管发出的光线沿a所示的方向射向烟雾采集空间5，如果没有烟雾存在，接收管2在光线接收方向b上不会有信号变化；反之如果有烟雾存在，烟雾颗粒在光路b方向上的散射光会进入到接收管2，引起信号变化。信号采集及处理电路位于电路板4上，可以根据阈值来判断是否有火灾发生。进一步的改进版本可能有多个发射管或者多个接收管构成前向散射、后向散射或者组合型的光路设计。
而接收管接收到的信号组成可以用如下公式来描述：Preceiver＝Psmoke+Pchamber；Preceiver是接收管接收到的总的光功率；Psmoke是经烟雾散射至接收管的光功率，即烟雾信号；Pchamber是经迷宫上盖或者侧壁反射至接收管的光功率，即本底信号。没有烟进入迷宫时Pchamber的值为零或者为一个较小的恒定值，这是由迷宫设计决定的。我们也许会简单地认为只要有烟雾进来就直接减去Pchamber这个本底值就好，但事实并不是这样。当真正有烟雾进入迷宫后Pchamber将会变为Pc'hamber，因为入射光经烟雾发生了散射再照射到迷宫内壁上，原来固有的反射系数和角度均可能发生了变化，导致本底信号Pchamber发生了变化，因此当有烟雾进入探测器迷宫时，Pchamber和Psmoke将会同时发生变化，实际操作很难完全将Psmoke剥离出来，但是如果确认没有烟雾进入时Preceiver＝Pchamber，这是可以用来监控本底的变化并对本底进行补偿的依据。
由灰尘和器件老化引起的本底变化速度较慢，如果在设计上控制本底的变化范围远小于设备最大输入动态范围，比如小于动态范围的20％甚至低于10％的话，在实际设计中完全可以简单地使用接收管的信号减去本底信号的变化量来做运算。以使用红外和蓝光双波长的双发单收探测器为例，ΔIir表示红外发光管点亮时接收管的接收电流的变化量，ΔIblue表示蓝发光管点亮时接收管的接收电流的变化量，比值R可以表示为R＝ΔIblue/ΔIir。
凝露引起的本底变化范围相对于器件老化和灰尘累积要大得多，因为水珠会形成强烈的内部反射，如果同时有烟雾进入会更复杂，如果仍然使用上述的简单方法进行运算必将导致较大的误差，引起系统误判。因此本底追踪算法既要更新并补偿由灰尘累积和光学器件老化导致的缓慢本底变化，也要判断是否有凝露问题，凝露会大大增加迷宫的本底值影响烟雾探测器的检测阈值，需要谨慎处理。凝露的产生条件也有不一样的，设备处于空气湿度大或者温差大的地方都会产生凝露，另外有水蒸气进入设备后也会产生结露，产生的机理不一样导致的处理方式也不一样，因此针对凝露有非常小心的判断处理过程。针对有凝露情况下的烟雾类型判断问题，本发明引入了滑动窗求导法来提高系统的鲁棒性，详见后面介绍。
图1是有烟判断及本底追踪流程，如图所示，指令1工厂校准的本底值是初始化常数值，作为后面的参考；指令2会实时地采集并记录接收信号值Preceiver，这里不会特别采集本底值Pchamber，只有确定无烟时Preceiver才等于Pchamber，本底的概念可以理解为过去一段时间的无烟信号平均基线值；设备在采集数据同时也会检查接收信号的变化，指令3会在指令2运行的同时检查接收信号的变化是否超过设定阈值，如果超过一定范围并且连续几次测试都证实接收信号发生改变则会输出信号变化超过阈值，阈值默认选取0.025dB/m或其等效的ADC读数和PTR值；如果符合条件则进入指令4判断是否有烟雾进入。判断是否有烟雾进入是非常关键的一步，既要观察阈值是否超出范围又要看是否有数据抖动；指令5对是否有烟雾进行选择，如果有烟雾则进入指令11进入图2的烟雾类型检测及误报抑制流程；如果无烟雾仅仅是本底升高则进入指令6凝露判断逻辑，凝露会引起本底升高，但只看本底不能确定是不是有凝露，还要结合数据的抖动情况以及PTR/CTR扫描法来进一步的确认，这是本发明的核心重点之一；指令7对有无凝露进行分支处理；如果没有凝露只是积灰过多者进入指令8进行积灰处理，有的设备会对积灰过多进行提示，这是可选项；然后继续进入指令10更新本底的动作，为后面的检测做准备；如果指令7判断有凝露，则进入指令9进行凝露事件的处理，这里需要记录凝露事件并记录原本底，并进入指令10更新本底的流程，最终回到指令2的系统状态机循环。本底有几个变量：一是工厂出厂本底，这个是常数；二是当前设备用的本底，在指令10更新；三是指令9记录的在凝露事件之前的本底，用于参考。
对指令10的额外解释如下：
1)执行10虽然在每个采样周期都会运行一次，但不是每次都会更新本底，只有符合条件才会更新；
2)对于非凝露情况，本底更新的约束条件有两个：一是信号变化超出阈值，默认阈值是0.025dB/m或其等效的数值，这个已在指令3中确定，每次更新幅度不超过0.01dB/m；二是结合更新周期，更新周期为1～12小时，典型地取3或6小时，每个更新周期总更新幅度不超过设定阈值，典型为0.03dB/m；
3)上述1)和2)的阈值可能是有符号的，考虑到实际使用的复杂情况，有时候接收信号也会变小；
4)对于凝露情况，这时候的本底变化大于非凝露本底变化阈值。进一步确定凝露需要结合CTR/PTR扫描法进行确认。
这里在流程图实施例内没有标记出来的是凝露事件的消除，不管前面有没有凝露产生只要进入指令8就会消除凝露事件。
图2是烟雾类型检测及误报抑制流程，如图所示，指令11是烟雾检测流程的开始；首先我们需要在指令12检查是否已经是凝露情况，探测器针对有无凝露的处理方法是不一样的；如果没有凝露则进入指令13，使用常规的比值法和阈值法判断火灾烟雾和水蒸气；否则使用指令17采用滑动窗求导法判断烟雾，然后再给到指令14做处理；指令14对指令13的输出进行判断，首先要排除该烟雾是不是水蒸气，如果是水蒸气则进入指令16进行进一步的处理，否则执行指令15进行火灾烟的报警处理流程；水蒸气进入的过程中可能会引起凝露问题导致本底升高，干扰设备的判断，所以当获知水蒸气进入后需要进一步监控本底的变化情况，做出相应的处理，如果凝露出现则需要使用滑动窗求导法来计算信号增量，引导探测器作出正确判断。
对常规的比值法和阈值法判断火灾类型和水蒸气的方法原理总结如下：由灰尘和器件老化引起的本底变化速度较慢，如果在设计上控制本底的变化范围远小于设备最大输入动态范围，比如小于动态范围的20％甚至10％的话，在实际设计中完全可以简单地使用接收管的信号减去本底信号的变化量来做运算。以使用红外和蓝光双波长的双发单收探测器为例，ΔIir表示红外发光管点亮时接收管的接收电流的变化量，ΔIblue表示蓝发光管点亮时接收管的接收电流的变化量，比值R可以表示为R＝ΔIblue/ΔIir。变化量的阈值可以从实验室火灾烟和各种模拟试样中获取，比值R用于区分火灾烟和非火灾烟，R值反映的是颗粒平均粒径的大小，因为火灾烟雾颗粒大部分在100～600nm之间，而非火灾烟雾颗粒如水蒸气和灰尘等都大于1um，所以只要对火灾烟和非火灾烟进行试验很容易找到R值的阈值点。这里需要指出的是指令14准确点说应该是非火灾颗粒，这里直接说成水蒸气是因为水蒸气颗粒分布范围比较广，有可能接近1um，而灰尘颗粒比较大，一般大于2um，所以针对灰尘颗粒的R值区分度很高，只要关心水蒸气就好。
滑动窗求导法用于有凝露环境下的烟雾判断方法，如前面所述，凝露引起的本底变化大于非凝露引起的本底变化，当本底信号很大时，烟雾信号相对于本底信号的变化会变得更小，更严重的是如果凝露与水蒸气同时发生的时候，凝露也会随着水蒸气的进入而进一步累积，因此机械地减本底的操作将不再适用，因为本底很大而且也有可能与烟雾信号同时变化。因此改进的滑动窗求导法是利用求导的办法获得“单位平均增量”，从而较稳定地判断烟雾类型。以使用红外和蓝光双波长的双发单收探测器为例，IRn表示红外发光管点亮时接收管的接收信号，Bn表示蓝发光管点亮时接收管的接收信号，n表示第n个样本。那么针对红外和蓝光发射管的平均接收管信号增量为：
比值R可以表示为R＝ΔBunit/ΔIRunit。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种低误报率的烟雾探测方法，其特征在于：包括有烟判断及本底追踪方法；所述有烟判断及本底追踪方法包括以下步骤，
步骤一，工厂本底校准；
步骤二，周期性采集并记录接收信号；
步骤三，判断是否超过接收管信号变化阈值；若满足判断条件则进入下一步骤；若不满足判断条件则回到步骤二；
步骤四，判断是否有烟雾进入；
若满足判断条件，则进入烟雾类型检测及误报抑制方法；
若不满足判断条件，则判断是否为凝露：如果是凝露则记录凝露事件，如果不是凝露则做灰尘过多提示；最后统一更新灰尘或是凝露引起的本底改变；
其中，接收管信号Preceiver＝Psmoke+Pchamber，Preceiver是接收管接收到的总的光功率，Psmoke是经烟雾散射至接收管的光功率，即烟雾信号，Pchamber是经迷宫内壁反射至接收管的光功率，即本底信号；
所述烟雾类型检测及误报抑制方法包括以下步骤，
步骤一，判断是否为凝露；若满足凝露判断条件，则采用滑动窗求导法计算进行烟雾判断；若不满足凝露判断条件，则采用比值法和阈值法进行烟雾判定；
步骤二，判断是否为水蒸气，若不满足判断条件，则执行火灾烟雾的处理流程并报警，随后返回有烟判断及本底追踪流程的步骤二；若满足判断条件，则记录水蒸气状态并进行凝露判断；
步骤三，根据步骤二的凝露判断结果，若满足判断条件，则回到步骤一中重新采用滑动窗求导法计算进行烟雾判断；若不满足判断条件，即有水蒸气但没有产生凝露的情况，此时烟雾探测器不报警并返回到有烟判断及本底追踪方法的步骤二；
其中，滑动窗求导法的计算公式为yn＝xn-xn-m，xn是当前的样本，xn-m是当前m个样本之前的样本；
比值法的计算公式为R＝ΔIir/ΔIblue，这里的R表示比值，ΔIir表示红外发光管点亮时接收管的接收电流的变化量，ΔIblue表示蓝发光管点亮时接收管的接收电流的变化量，变化量指的是测得信号与记录的本底之间的差值，每种光源有对应的本底值；
阈值法的计算方法为发光管点亮时接收管接收电流的变化量ΔIir和ΔIblue与实验设定报警阈值比较。
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