# 基于 GB 20517-2025 的独立式感烟火灾探测报警器产品设计方案

| 项目 | 内容 |
| --- | --- |
| 文档版本 | V1.0，2026-10-26 |
| 文档用途 | 新产品立项、硬件与结构评审、固件开发、样机验证及送检准备 |
| 首款产品 | 内部电池供电、散射光探测、单点式、B 型固定响应阈值 |
| 基线功能 | 本机声光火警、按键与红外消音、自检、污染故障、电池故障、事件记录与有线导出 |
| 扩展方向 | 有线互联版本、无线联网版本，分别增补电路、固件与适用试验 |
| 方案成熟度 | 系统设计方案；器件型号、原理图、结构尺寸和算法参数需要经样机验证后冻结 |

> 本文依据所附标准原文编制。文中的“标准要求”是产品必须满足的适用条款；“工程目标”和“初值”是研发选择，不是标准规定值。方案用于指导设计，整机符合性须由实际样机、完整适用试验及检验结果确认。

## 1. 设计依据与产品边界

### 1.1 依据文件

1. [GB 20517-2025《独立式感烟火灾探测报警器》](../doc/refs/GB%2020517-2025%20独立式感烟火灾探测报警器.pdf)：主要依据，2025-05-30 发布，2026-06-01 实施。
2. [GB/T 45839-2025《独立式火灾探测报警器组网通用技术要求》](../doc/refs/GB-T%2045839-2025%20独立式火灾探测报警器组网通用技术要求.pdf)：无线通信扩展的依据。
3. 标准引用的 GB/T 9969、GB 12978、GB/T 16838、GB/T 17626.2、GB/T 17626.3、GB/T 17626.6 等，分别用于说明书、检验和试验实施。需要实施这些试验时应取得对应适用版本全文。

下文引用格式为“条款号，标准正文页码 / PDF 页序”。PDF 页序从封面起计数，例如 GB 20517-2025 正文第 3 页对应 PDF 第 9 页。

### 1.2 首款产品定义

建议先开发单点式基础产品，避免在核心光学、声学和污染性能尚未验证时，同时引入通信耗电与系统联调变量。

| 分类或项目 | 方案选择 | 设计理由 |
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| 探测原理 | 940 nm 红外散射光，双发射角度，主探测及参考光路 | 满足光电原理要求，为器件诊断、污染监测提供额外观测量 |
| 工作方式 | 单点式 | 本机独立完成探测、判断、声光报警 |
| 响应阈值 | B 型固定阈值 | 不向用户提供灵敏度等级切换；工厂校准系数受保护 |
| 供电 | 一次锂电池内置、不可由用户更换 | 取消外部供电需求；按不可更换电池的放电制度设计 |
| 遥控消音 | 红外接收 | 兼容家电遥控信号，并直接覆盖标准红外试验条件 |
| 无线通信 | 基线不设置射频联网模块 | 红外遥控消音与平台无线数据通信分别设计、分别声明；型号分类及试验适用性在送检资料中明确 |
| 数据记录 | 本方案主动配置 | 虽为条件适用功能，但有利于售后追溯与故障分析 |
| 维护接口 | 受保护的电池域 UART 工装接口 | 用于校时、事件导出和工厂校准；禁止工装对整机反向供电 |
| 安装 | 顶棚安装、旋转底座、两个独立中文按键 | 自检与消音用途清楚；底座拆卸不暴露可维修电路 |
| 寿命 | 以 10 年为研发目标，暂不作为已验证宣传值 | 实际寿命须按电池曲线、环境、报警次数与老化结果确定 |

关键边界：单点式并不要求增加互联总线。只有声明“互联式”时，才按 5.12 采用有线连接。具有无线平台通信能力也不能替代有线互联要求。若配套收发装置，还应按 5.3.10 和附录 B 单独设计、验证。

### 1.3 必须正确理解的条款

| 易混淆问题 | 标准原文对应结论 | 本方案处理 |
| --- | --- | --- |
| A/B 型含义 | 4.2：A 型响应阈值可调，B 型响应阈值固定 | 本方案为 B 型；不是按高低灵敏度命名 |
| 是否强制记录事件 | 5.4.4 以“如报警器有数据记录功能”为前提 | 选配后完整满足不少于 20 条、年月日时分秒、校时及导出要求 |
| 72 h 报警是否依靠内置电池 | 6.4.1.1：接稳压电源，设为额定工作电压 | 用于音响器件耐久验证；电池能力另外按 5.14、6.11 验证 |
| 红外触发是否必须解码完整遥控协议 | 6.2.1.3 使用 38 kHz、940 nm、持续 3 ms 的信号 | 以有效载波包络触发，不能只接受配对遥控器或完整 NEC 帧 |
| 污染试验是否全程禁止火警 | 6.25.1.4 明确准许期间发出火灾报警信号 | 不以识别粉尘为由关闭火警通道；按试验分支评价 |
| 粉尘后是否一律须在 100 s 内报污染 | 6.25.1.5、6.25.1.6 还规定了无持续报警时的阈值复测、模拟污染路径 | 按完整流程验证，不能遗漏后半段 |
| 内部电池是否必须不可更换 | 5.3.1 限定内部电池；5.14 同时规定可更换与不可更换两种情况 | 本款选择不可更换，是工程选型；内部电池可更换款也可另行设计 |
| 球规尺寸能否直接等同于旧版网眼尺寸 | 5.3.4 要求直径 1.3±0.05 mm 球体不能侵入探测室 | 检查网孔、缝隙和完整结构，不能仅凭单个网孔标称值判断 |

## 2. 标准要求与系统指标

### 2.1 核心合规指标

| 编号 | 标准要求 | 对应设计与验证 |
| --- | --- | --- |
| R01 | 仅内部电池供电，光电探测（5.3.1、5.3.2） | 内置电池；散射光腔；无外部供电入口 |
| R02 | 红色报警确认灯、黄色传感部件污染灯；污染灯保持至污染排除；6 m 正前方、≤500 lx 清晰可见（5.3.3） | 红、黄 LED 独立驱动；整机透光结构验证 |
| R03 | 防止 1.3±0.05 mm 球体侵入探测室（5.3.4） | 进烟格栅、防虫网及装配间隙球规检查 |
| R04 | 表面具有自检、消音按键，中文标注清晰耐久（5.3.5） | 独立双键，模内文字或耐久标识 |
| R05 | 外部连接线开路、短路不影响本机；用户可拆换部件受限；出厂设置受保护（5.3.6～5.3.8） | 接口限流隔离、结构封闭、参数区保护 |
| R06 | 达到烟参数预定值，发出与其他状态有明显区别的火警声光（5.4.1） | 火警通道独立仲裁，真实进烟验证 |
| R07 | 无线遥控及按键均可消音；火警发出后 60 s 内不应消音；一般消音周期 5～15 min（5.4.2） | 固定 10 min；两种输入共用同一时间门控 |
| R08 | 自检检查音响与指示灯，不输出火警触发信号，外部辅助设备不动作（5.4.3） | 自检输出路径与真实火警事件分离 |
| R09 | 配置记录功能时，至少 20 条火警和完整日期时间，时间可修正、数据可导出（5.4.4） | 128 条火警专用环形区，RTC，UART 导出 |
| R10 | 额定电压及电池故障临界电压下，3 m 自由声场初始≤45 dB(A)，3～10 s 逐步升至 80～105 dB(A)（5.5） | 可控幅度声驱动，6 s 渐强目标，双电压实测 |
| R11 | 额定电压下至少 50 次正常/火警转换，随后连续报警 72 h 后声压满足要求（5.6、6.4） | 外接稳压测试电源，完整驱动与腔体耐久验证 |
| R12 | B 型 m_min≥0.15 dB/m；m_max/m_rep≤1.33；m_rep/m_min≤1.5（5.10） | 固定阈值，逐台校准、批量一致性验证 |
| R13 | 方位 8 次与同方位重复 6 次，各自 m_max/m_min≤1.6（5.8、5.9） | 环形进烟、位置公差控制，烟箱验证 |
| R14 | 上电先测电池，检测周期≤24 h；不能正常工作前报电池故障（5.11.1） | 启动首检，正常每 6 h 检查；欠压阈值按剩余能力确定 |
| R15 | 电池故障声音可消音 7±1 h，期间真实烟雾仍应触发火警（5.11.2） | 独立 7 h 电池故障消音计时器 |
| R16 | 不可更换电池按 250 倍平均工作电流放电 336 h；随后声压、故障后 7 d 提示及至少 4 min 火警等符合要求（5.14） | 12 µA 待机预算、容量和脉冲能力验证、末端电量实测 |
| R17 | 气流、环境光、气候、机械、EMC 条件下无不应有的报警；相关响应阈值比≤1.6（5.15～5.19） | 光学遮光、结构、PCB 防护及整机环境试验 |
| R18 | 在 SH1～SH4 各试验火结束前报警（5.20、6.24） | 最高实测阈值的 4 只样品，按最不利方位验证 |
| R19 | 具备传感部件污染报警，按 6.25 完整流程验证（5.21） | 污染诊断、黄色保持指示、可复现的物理模拟方法 |
| R20 | 中文说明书、出厂检验、产品及检验标志符合要求（5.2、5.3.9、第 7、8 章） | 文件与产品配置一致，抽检规则及生产追溯 |

R12 中 `m_rep` 是样品响应阈值的算术平均值。一致性比值评价不少于 10 只；少于 10 只时按条款只评价响应阈值要求。B 型阈值下限不是推荐设定点，标准也未在 5.10 给出可独立保证火灾灵敏度的上限，必须同时通过试验火。

### 2.2 工程目标与待标定参数

| 项目 | 建议目标或初值 | 冻结依据 |
| --- | --- | --- |
| 额定电源 | 1 节 3.0 V 一次锂锰电池 | 电池供货规格、放电曲线和脉冲性能 |
| 电池规格候选 | CR17450 规格，标称容量约 2400 mAh，具体料号待定 | 尺寸仅供布局；容量以所选供应商保证条件为准 |
| 正常平均电流 | ≤12 µA，包含所有正常周期任务 | 整机实测积分，含 RTC、LED、漏电和周期性电池检测 |
| 寿命目标 | 10 年，满足温度与使用次数假设时 | 不能用标称容量÷静态电流直接宣称 |
| B 型烟箱目标阈值 | 初始探索范围 0.18～0.25 dB/m，非出厂验收值 | SH1～SH4、粉尘、环境和批量分布共同确定 |
| 常规/快速光学采样 | 4 s / 1 s | 烟箱及缓慢阴燃火试验；不得仅用软件延时推导符合性 |
| 火警消音周期 | 固定 600 s | 满足 300～900 s；不向用户开放调整 |
| 电池故障消音周期 | 固定 25200 s，即 7 h | 独立于火警消音 |
| 声压设计目标 | 初始≤42 dB(A)，约 6 s 升至 85～95 dB(A)，均在 3 m 测量 | 为标准上下限预留余量，覆盖低电压和声腔离散 |
| 电池故障检测 | 上电立即；正常每 6 h；火警及异常负载时增测 | 上电首检不允许被长初始化延后 |
| 事件记录 | 至少保存最近 128 条火灾报警事件 | 单独保留火警容量，防止诊断日志挤占 |
| RTC | 年月日时分秒；初始精度目标≤±5 min/年 | 温度、晶振偏差实测；与安全计时独立 |
| 批量内部控制 | 方位、重复性及环境阈值比目标≤1.4 | 内部预留量，最终仍按标准限值判定 |

## 3. 硬件原理框图

### 3.1 整机框图

图中实线为信号或供电关系，虚线为扩展版本。该图为功能原理框图，不是已经完成元件参数计算的电路原理图。

```mermaid
flowchart TB
    BAT["内部一次锂电池\n3.0 V，容量按实测冻结"] --> PROT["反接保护 / 限流\n电池焊片及储能电容"]
    PROT --> SYS["低漏电系统电源\n模拟支路滤波 / 欠压复位"]
    PROT --> BOOST["可关断升压\n报警时启用"]
    PROT --> VM["可切断分压及负载测试\n电池电压 / 内阻趋势"]
    SYS --> MCU["低功耗 MCU\nADC / 定时器 / 比较器\n独立看门狗 / RTC"]
    SYS --> AFE["光学模拟前端\nTIA / 可控增益 / 暗电流采样"]
    MCU --> LEDDRV["双路恒流脉冲驱动"]
    LEDDRV --> IR1["940 nm 发射 LED 1"]
    LEDDRV --> IR2["940 nm 发射 LED 2"]
    IR1 --> CH["遮光进烟迷宫\n双角度散射光路 / 防虫网"]
    IR2 --> CH
    CH --> PD["主光电二极管"]
    CH --> REF["参考光电二极管\n发射及光路健康监测"]
    PD --> AFE
    REF --> AFE
    AFE --> MCU
    VM --> MCU
    TEMP["温度测量\n补偿及诊断"] --> MCU
    XTAL["32.768 kHz 时基\nRTC 保持"] --> MCU
    MCU <--> MEM["低待机非易失存储\n参数双副本 / 火警日志"]
    KEY1["自检按键"] --> MCU
    KEY2["消音按键"] --> MCU
    IRRX["940 nm / 38 kHz 红外接收\n火警或故障时上电"] --> MCU
    MCU --> LIGHT["红色火警灯\n黄色污染灯"]
    MCU --> LOW["低幅度起声通路\n包络控制 / 瞬态抑制"]
    MCU --> HIGH["高幅度压电驱动\n包络控制 / 双通路互锁"]
    BOOST --> HIGH
    LOW --> PIEZO["压电音响器件及声腔"]
    HIGH --> PIEZO
    MCU <--> PORT["受保护 UART 维护口\n校时 / 记录导出 / 工厂工具"]
    MCU -.-> WIRED["有线互联版本\n总线保护及收发器"]
    MCU -.-> RADIO["无线联网版本\n独立电源开关及通信模块"]
```

不支持 Mermaid 的阅读器可按以下主链理解：`内部电池 → 保护及低功耗电源 → MCU`；`MCU → 脉冲 LED → 进烟光腔 → 光电二极管 → 模拟前端 → MCU`；`MCU → 渐强音响驱动 / 红黄灯`；按键、红外、电池检测、RTC、存储及维护接口接入 MCU。

### 3.2 硬件分块及器件选型要求

| 模块 | 建议实现 | 选型或设计约束 |
| --- | --- | --- |
| MCU | 低功耗 MCU，优先具备低功耗 RTC、ADC、比较器、定时器、I²C、UART、独立看门狗 | 建议 Flash≥64 KB、RAM≥8 KB；根据实际代码留≥30%余量；支持参数写保护、低压检测和复位原因读取 |
| 光学发射 | 两颗 940 nm LED，角度不同，顺序发光 | 脉冲电流和光强分档；稳定恒流；关断漏电计入预算 |
| 光学接收 | 主 PD、参考 PD，低噪声 TIA 与可控增益 | 输入偏置、温漂和启动稳定时间要实测；ADC 有效分辨率应覆盖清洁、火警、污染及饱和区 |
| 电池 | 高脉冲能力一次锂锰电池，带焊片、工厂装配 | 禁止充电；审核高低温、长期内阻、自放电和运输资料；不得未经计算直接并联一次电池 |
| 电源 | MCU/AFE 直供或低静态电流稳压；模拟支路单独滤波 | 全器件覆盖实际电池电压；升压、红外和维护接口关断时无隐蔽漏电 |
| 音响 | 压电片、声腔、可控幅度驱动、可关断升压 | 输出幅度控制范围目标≥45 dB；额定/故障电压均满足声压，72 h 不失效 |
| 红外 | 940 nm 光学窗口、38 kHz 解调接收器 | 必须能识别标准 3 ms 载波脉冲；核查 AGC 对长载波的抑制，不能只看“38 kHz”标签 |
| 指示灯 | 高效率红、黄 LED，独立限流或恒流 | 按装配后的透光效果验证 6 m / 500 lx；黄色污染灯按保持点亮设计 |
| 时钟 | MCU RTC+32.768 kHz 晶体，或外置低功耗 RTC | 跨复位保持、闰年、无效时间检测；整机完全断电后需标记时间无效并重新校时 |
| 存储 | FRAM 或满足耐久/掉电约束的 EEPROM/Flash | 待机电流、擦写时间、写入能量、保持年限均需计入；采用 CRC 与提交标记 |
| 维护口 | GND、TX、RX、工装检测，不提供整机供电引脚 | 串联限流、低漏电 ESD、断电不反灌；工装与产品电源隔离 |

器件名称在本阶段按性能选型，不把某个通用烟感芯片或无线模块的宣传参数当作整机符合性的证据。若改用集成烟感 AFE，仍要保留真实光路、渐强声学、污染和整机功耗的验证。

### 3.3 光学与模拟前端

推荐采用环形进烟、内部消光、分层遮光结构。两颗发射管顺序驱动，以同一主接收器获取不同散射角度的信号；参考接收器获取已知参考光路的信号，用于发射衰减、光路异常及污染趋势诊断。参考光路是否能反映污染取决于实际结构，不能仅靠增加第二只 PD 就声称可检测所有污染。

一次采样流程：

1. 唤醒 MCU，开启 AFE，等待实测所需的稳定时间。
2. 发射管关闭，采暗电流和环境光基线 `D0`；同时检查环境光饱和。
3. 第一发射管输出脉冲，采主通道 `P1`、参考通道 `R1`。
4. 第二发射管输出脉冲，采主通道 `P2`、参考通道 `R2`。
5. 计算扣除暗值后的信号、比值、有效范围和温度补偿值，关闭光学电源。

正常 4 s 一次采样的预算示例：每路 LED 40 mA、100 µs、每轮各 1 次，两路 LED 平均约 2 µA；AFE 若每轮有效 5 ms、0.8 mA，平均约 1 µA，其余预留 1 µA，总计约 4 µA。上述均为占空比估算，最终以实际启动时间和完整波形积分为准。

PCB 上将 PD、TIA 和高阻节点放在一起，缩短走线，避免跨越数字/升压电流回流路径。根据前端要求设置护环、屏蔽和输入 RC；不得让压电高压线、红外发射干扰或总线走线从接收区经过。三防涂覆仅作用于允许区域，不能覆盖 PD 光窗、发射管或污染监测表面。

### 3.4 电源、反接与低电压设计

内部电池经低压降反接保护进入 `VBAT_SYS`，分为逻辑/模拟、音响升压和受控外设三条支路。电池电压通过可关断高阻分压测量，ADC 参考使用稳定基准或经校准的内部基准，避免“用电池测电池”却未修正参考变化。

关键要求：

- 选择支持反接阻断且不会被维护接口反灌的保护拓扑；不能只凭电池仓防呆省略电路风险分析。结构允许时按 6.10 实测反接与恢复。
- 低压复位点必须低于仍能保证正常探测和故障提示的工作下限，并留公差；音响升压欠压锁定不得先于电池故障预警使报警失效。
- 电池故障阈值 `V_E` 从真实电池的放电、低温和老化曲线反推，覆盖静态电压、负载跌落、ADC误差和报警能力。约 2.6 V 只可作为首轮试验起点，不能直接作为定版值。
- 负载脉冲估测内阻，判断电压正常但不能驱动报警的电池；该诊断辅助电压检测，不改变标准上电首检和周期要求。
- 旁路电容按 `C≥I×Δt/ΔV` 计算，同时核算 ESR、温度、寿命和漏电。例如 30 mA、5 ms、容许跌落 0.2 V，仅理想电容就需 750 µF；电容不能代替电池持续供流能力。
- 若大容量电容漏电导致平均电流超预算，优先调整电池及驱动脉冲，不盲目堆叠电容。

### 3.5 渐强音响驱动

音响必须具备从很低声压到完整报警声压的幅度控制能力。只把固定高音量蜂鸣器改成短促鸣叫，可能仍存在高声压峰值，不能据此认为满足“初始≤45 dB(A)”。

建议采用“低幅度起声通路+高幅度压电通路”的双量程方案：起声由低幅度缓冲或经滤波的可控交流通路驱动，随后切换到升压压电驱动。两通路硬件互锁、切换时过零并抑制启动冲击。也可选满足同等幅度范围的集成驱动，但必须先验证启动瞬态和整个声压曲线。

| 自火警声光首次输出起计 | 3 m 处声压工程目标 | 实现要求 |
| --- | --- | --- |
| 0 s 初始 | ≤42 dB(A) | 不得有升压启动、切换或音腔冲击造成的高声压尖峰 |
| 1 s | 约 50 dB(A) | 包络平滑递增 |
| 3 s | 约 65 dB(A) | 为渐强留足过程，避免首次就全音量 |
| 6 s | 85～95 dB(A) | 完成渐强，落在标准 3～10 s 时间窗口内 |
| 后续报警 | 保持经验证的报警声模式与声压 | 声模式本身是产品设计，不冒称标准规定了某种鸣叫节奏 |

以上曲线点是标定目标，不是 PWM 占空比。声压是对数值，应建立“幅度控制码-实际电压-声压”的实测查表，并验证额定电压、`V_E`、器件离散、温度和壳体公差。初始与渐强测量方法、仪表时间计权应按试验要求落实；6.3 要求背景噪声至少比被测声压低 15 dB(A)。

### 3.6 结构、人机与标识

- 光腔、音腔和红外窗口分区；进烟格栅兼顾方位一致性、防虫和粉尘沉积，网孔与装配缝隙均校核球规。可先以最大有效通道≤1.0 mm 为结构初始目标，再验证进烟延迟。
- 红灯、黄灯各有清晰光窗，黄色污染灯不受火警消音、按键复位或普通自检清除。
- 壳体表面设置两个独立按键，中文分别标注“自检”“消音”；键位与丝印耐久在定版结构上检查。
- 除底座及标准允许部分外，不提供用户可拆换维修的电路或光腔。污染后由生产者规定的维修流程处理或整机更换，不建议用户自行拆开清洗。
- 电池采用焊片固定、内部装配；若存在可断开的电池连接，设置不依赖电池供电的明显机械/文字警示，电池取走或插头未接时仍可见。
- 产品标志位于安装维护时可见且不易拆卸的位置，包含名称型号、执行标准、生产者/企业及地址、日期序列号、额定电压、电池型号/电压/数量、平均工作电流及检验合格标志。
- 对潮湿环境优先从结构排水、材料和 PCB 防护解决，不用密封进烟口的方式通过湿热或粉尘试验。

## 4. 功耗与电池容量设计

### 4.1 正常监视状态预算

| 耗电项 | 平均电流预算 |
| --- | ---: |
| MCU 睡眠、周期运算、RTC/时基 | 1.8 µA |
| 光学 LED、AFE 和采样 | 4.0 µA |
| 非易失存储待机 | 0.2 µA |
| 电池检测、温度检测 | 0.3 µA |
| 正常状态短闪指示 | 0.5 µA |
| 电源、保护、输入及接口漏电 | 1.2 µA |
| 温漂、离散和设计余量 | 4.0 µA |
| **合计目标** | **12.0 µA** |

正常状态关闭红外接收、升压和 UART 驱动外设。真实火警或故障时开启红外接收，支持遥控消音；此时的电流另外计入报警/故障续航。任何会在正常使用中周期启动的功能都必须计入平均工作电流，不能只测 MCU 深睡值。

### 4.2 标准放电制度核算

不可更换电池基线按 5.14、6.11：

```text
I_avg = 12 µA = 0.012 mA
I_test = 250 × I_avg = 3.0 mA
Q_test = 3.0 mA × 336 h = 1008 mAh
```

若后续改为内部可更换电池版本，则按 `150×I_avg×168 h`，同一平均电流下为 `302.4 mAh`。不可将较低放电量的制度用于不可更换电池产品。

压缩放电结束后还须测声压，再继续放电至预警，完成 7 d 故障提示、阈值复测和至少 4 min 火警。1008 mAh 不是全部验收条件，也不能把该试验简单换算成实际年限。

### 4.3 寿命与低电量储备

10 年正常监视耗电粗算：`0.012 mA×87600 h=1051.2 mAh`。以 2400 mAh 候选电池、可用容量系数 0.70 为示例，可用容量约 1680 mAh。若另预留 240 mAh 自放电及 150 mAh 故障/报警储备，则 `1051.2+240+150=1441.2 mAh`，尚有约 239 mAh 供用户自检、真实报警和离散消耗。这只是容量筛选示例；若 0.70 已含某项损耗，实际预算应避免重复扣减。

电池故障阈值还必须保证末端脉冲能力。以故障短鸣 12 mA、20 ms、每 60 s 一次，火警平均 30 mA 为示例：

```text
7 d 正常监视：0.012 × 168 = 2.016 mAh
7 d 故障短鸣：(12 × 0.020 / 60) × 168 = 0.672 mAh
4 min 火警：30 × 4 / 60 = 2.000 mAh
三项小计：4.688 mAh
```

不能只预留这 4.688 mAh。本方案故障时还开启红外接收，若其电流 0.2 mA，7 d 为 33.6 mAh；若并存污染、黄灯保持电流 0.3 mA，7 d 再增加 50.4 mAh。合计约 88.688 mAh，乘 1.5 余量约 133 mAh，因此先按不少于 150 mAh 可用储备寻找 `V_E`，随后用实测电流、电池批次及低温老化结果修正。

电池端到负载的最不利电压应满足：

```text
V_loaded = V_cell - I_peak × R_internal - V_protection_drop - V_wiring_drop
V_loaded > 探测、声驱动及控制电路所需最低电压 + 公差余量
```

容量够但内阻过大的电池仍可能导致报警时复位或声压不足，必须同时测试。10 年目标只有在正常/故障功耗、报警次数、储存时间和电池寿命证据闭环后才能写入产品承诺。

## 5. 软件总体架构

### 5.1 运行方式与模块划分

首版建议使用裸机事件循环和硬件定时器，不引入不必要的 RTOS 常驻开销。采样、火警判定和输出仲裁形成最高优先级闭环，日志及维护任务以可抢占的小步骤执行。若使用 RTOS，也应保证相同的任务优先级和最坏执行时间。

```mermaid
flowchart TB
    HAL["驱动层\nADC / GPIO / TIMER / RTC / I2C / UART / WDT"]
    HAL --> ACQ["采样与诊断\n暗值 / 双光路 / 温度 / 电池"]
    ACQ --> DET["烟雾检测\n滤波 / 校准 / 判定 / 恢复迟滞"]
    ACQ --> FAULT["故障管理\n低电量 / 污染 / 光路及存储异常"]
    HAL --> INPUT["输入管理\n按键去抖 / 红外载波包络 / 维护工装"]
    DET --> CTRL["安全状态管理\n真实火警事实 / 独立消音计时\n自检隔离 / 输出优先级"]
    FAULT --> CTRL
    INPUT --> CTRL
    CTRL --> OUT["输出驱动\n渐强音响 / 红灯 / 黄灯"]
    CTRL --> LOG["事件记录\nRTC 时间 / 顺序号 / CRC"]
    LOG --> SERVICE["维护服务\n校时 / 导出 / 参数保护"]
    CTRL -.-> COMM["扩展版本通信\n真实火警输出 / 故障输出"]
```

| 模块 | 主要责任 | 不能承担的隐含行为 |
| --- | --- | --- |
| `sensor_acq` | LED 脉冲、AFE 时序、暗采样、温度、电池 ADC | 不因自检或通信忙而停止周期探测 |
| `smoke_detect` | 标定换算、烟雾确认、迟滞恢复、饱和处理 | 不因判定为粉尘而无条件否决火警 |
| `contamination` | 长期漂移、光路衰减、补偿限幅、污染锁存 | 不用普通消音键重置清洁基线 |
| `power_monitor` | 首检、周期检测、欠压预警、内阻趋势 | 不等到 MCU 复位后才声明低电量 |
| `alarm_control` | 报警事实、声光仲裁、火警/故障消音时序 | 不让服务层直接清除真实火警 |
| `audio_envelope` | 起声、渐强查表、稳态声模式、切换互锁 | 不用阻塞延时生成声音 |
| `input_ir` | 消音按键、38 kHz 包络检测、按键边沿 | 不将普通家电协议白名单当作唯一触发条件 |
| `self_test` | 音响、红黄灯、内部诊断 | 不生成真实火警触发输出 |
| `event_log` | 火警事件与诊断分区、掉电一致性 | 不在报警临界路径中执行长时间擦除 |
| `service` | 身份校验、校时、只读导出、工厂校准 | 不允许普通用户修改阈值或永久静音 |
| `supervisor` | 独立看门狗、时限监控、复位原因 | 不只凭定时中断喂狗掩盖主循环卡死 |

### 5.2 上电与调度

上电执行顺序：

1. 配置安全 GPIO 默认值，关闭音响高压及外部输出，禁止接口反灌。
2. **先检测电池电压**，形成初始电池状态，不能等日志扫描或工装等待结束后才检测。
3. 校验代码/参数关键数据，读取参数双副本、RTC 状态及复位原因。
4. 启用独立看门狗，执行简短 RAM、AFE、光路和接口诊断。
5. 启动正常探测。持续有烟时完成必要硬件稳定后立即按报警逻辑处理，不能把上电现场烟雾学成清洁基线。
6. 后台恢复日志索引、上报复位信息；如有扩展通信，再异步启动通信。

| 任务 | 调度建议 | 优先级与时限 |
| --- | --- | --- |
| 音响包络与输出切换 | 硬件定时器，包络约每 10 ms 更新 | 高；控制码更新抖动目标≤10 ms |
| 按键与红外边沿 | 中断采时间戳，主循环处理 | 高；按键去抖初值 30 ms；红外识别不依赖 30 ms 按键去抖 |
| 光学采样 | 正常 4 s，候选/火警/消音中 1 s | 高；每轮时限、有效值标记和丢采样计数 |
| 火警判定与仲裁 | 每轮有效采样后，以及新输入时 | 高；输入到输出控制目标≤100 ms |
| 电池首检/周期检查 | 上电立即，正常每 6 h | 中；故障及报警时适当增测，避免额外重负载干扰 |
| 污染趋势 | 复用每轮数据，约 60 s 更新趋势 | 中；污染证据满足条件后的指示目标≤60 s，仍须通过 6.25 |
| 日志写入 | 事件发生时排队，分阶段提交 | 中；优先保全火警，不阻塞探测 |
| UART 导出与校时 | 仅工装连接时，按帧服务 | 低；可被火警立即抢占 |
| 完整性巡视 | 约每 1 s | 独立监督采样、判定、计时、输出任务是否推进 |

正常深睡时使用低功耗时基唤醒，不运行固定 10 ms 全系统心跳。音响关闭时停用高频包络定时器。所有“s/min/h”安全时序使用单调时钟，RTC 仅用于记录年月日时分秒。

## 6. 探测、污染与故障算法

### 6.1 烟雾信号处理

定义 `S1=P1-D0`、`S2=P2-D0`，参考信号同样扣除暗值。每个光脉冲内可进行多点采样并作中值/限幅滤波，优先消除瞬态毛刺；不要默认对多个 4 s 周期作长窗口平均，以免过度延迟缓慢增长或快速发展的真实烟雾。

推荐处理链：

```text
原始 ADC → 有效性检查 → 暗值扣除 → 工厂增益/温度校准
         → 双角度/参考特征 → 有限基线补偿 → 候选与火警确认
         → 恢复迟滞 → 火警事实事件
```

工厂标定得到内部传感器量与标准烟箱 m 值的关联。附录 A 的 `m=(10/d)×log10(P0/P)` 是烟密度计的减光测量公式，不能直接套到散射式报警器 PD 的 ADC 值；不同粒径、颜色及燃烧产物也可能具有不同散射响应。

初版判定规则建议：

- 用经校准的固定特征阈值 `T_ON` 作为 B 型核心触发点，进入疑似烟雾区后切换为 1 s 采样。
- 疑似阈值可从 `0.3×T_ON` 探索；到达 `T_ON` 后连续 2 次有效采样确认火警，确认次数和阈值共同通过四类试验火确定。
- 恢复阈值 `T_OFF` 可从 `0.7×T_ON` 探索，连续低于恢复阈值约 30 s 后清除本次本地火警事实；不是按键手动清除。
- 限幅饱和不能当成“没有烟”。有效高散射或 ADC 上限触及时，走已验证的高烟应急判定；纯电路失效则报故障，并尽量保留其他有效通道探测。
- 环境光暗值过大、LED 开短路、参考信号异常分别诊断；双角度特征用于辅助诊断，不作为未经验证的火灾否决条件。
- 不增设“温度必须升高才火警”的条件，避免漏报 SH1、SH2 阴燃火。

上述数值均属开发初值。验收以烟箱实测响应阈值、最不利方位及四类试验火结果为准，不能据“2 次采样”宣称固定秒数即可满足所有火灾试验。

### 6.2 污染监测及基线补偿

必须同时观察散射背景上升、参考光路透过下降、暗值异常及两角度关系变化。对“遮挡导致灵敏度下降”和“积尘散射导致误报”分别建立样本，不能只测背景增大一种污染。

| 参数 | 用途 | 约束 |
| --- | --- | --- |
| `B_FACTORY` | 出厂清洁光学基线 | 受保护保存；上电不重学 |
| `B_SLOW` | 清洁低信号区域的慢变化估计 | 仅有效、稳定、无烟候选、无故障条件下更新 |
| `COMP_LIMIT` | 基线补偿上限 | 初始可从 0.2～0.3×`T_ON` 探索，最终须按阈值漂移试验冻结 |
| `R_REF` | 参考光路健康特征 | 与发射电流、温度和器件衰减联合判断 |
| `DIRTY_ON/OFF` | 污染置位/恢复门限 | 必须有迟滞及持续时间，门限与真实污染物理状态关联 |
| `T_GUARD` | 基于出厂基线的独立高散射保护门限 | 不随慢基线上移；防止缓慢真实烟雾被补偿吸收，门限通过试验火验证 |

实现约束：

1. 火警候选、火警、火警消音、有持续正向增长、参考光路异常时，冻结正向基线更新。
2. 对慢基线补偿幅度和变化速率同时限幅；达到补偿边界或健康特征异常时置污染故障，不继续提高阈值维持“表面正常”。
3. 保留基于出厂基线的独立保护分支。即使增长很缓慢，也不能依赖高通滤波将 SH1、SH2 消掉。
4. 污染与火警是并存事实。污染灯可保持点亮，同时仍执行真实火警和消音规则。
5. 污染确认后黄色灯保持点亮，普通按键、自检、消音或重启不能作为清除污染的方法。恢复后必须重新验证真实清洁条件；锁存标志可存入非易失区。
6. 本基线以黄色保持指示及日志作为污染故障信号；如后续增加污染声音提示，应增补声模式、消音仲裁与故障储备测试，不能只加一个定时蜂鸣任务。

单一散射量不能可靠区分所有粉尘和火灾烟雾，因此本方案不承诺“粉尘永不火警”。设计重点是避免补偿掩盖火灾、及时揭示污染对性能的影响，并通过 6.25 的完整判定路径。

### 6.3 可复现的模拟污染方法

推荐使用由生产者规定的**物理光学污染工装**：在实验室专用样件的参考/散射路径，安装具有可追溯透过率或散射特性的薄片/遮挡件，使污染诊断输入真实达到门限。操作由专用工具完成，不向普通用户开放拆腔步骤。

工装规程至少写明：安装位置、材料或光学参数、合格容差、重复次数、产生的信号变化、预期黄灯与日志、拆除后的恢复条件。应有清洁对照和多个污染程度样本。

UART 可额外提供受控诊断数据回放，用于软件覆盖验证；仅用命令直接置位 `dirty_fault=true` 不能证明真实污染检测链路有效，不能作为唯一模拟手段。送检前以物理方法与实验室确定 6.25.1.6 的操作规程。

### 6.4 电池和内部故障

电池电压首检必须可重复。按 6.8 的 0.01 V 阶梯及每次重新供电方法验证 `V_E`；周期检测再验证“处于正常运行而未重启”时也能及时报警。

| 故障 | 置位依据 | 输出与恢复策略 |
| --- | --- | --- |
| 电池故障 | 电压达到已验证的预警条件；内阻/负载异常可提前预警 | 独特短鸣，未消音时每分钟至少一次；换电/恢复须真实检测，基线不可更换款提示整机更换 |
| 污染 | 多光路/基线/补偿边界满足已验证条件 | 黄色保持点亮，直到污染排除；记录污染及恢复 |
| 光学器件故障 | 发射或接收链开短路、失去参考、连续无效/异常饱和 | 与火警有明显区别的故障指示；不清除其他有效火警证据 |
| 参数/存储异常 | CRC、版本或双副本均异常；日志写入失败 | 使用受验证的保守参数或进入明确故障；不得静默恢复到未经验证的灵敏度 |
| RTC 异常 | 时间非法、停止或复位丢失 | 时间无效标记，允许重新校时；探测和消音计时继续工作 |
| 调度异常 | 采样或控制任务超时 | 记录原因，独立看门狗恢复；避免反复复位导致长期不能探测 |

对标准未规定具体声光形式的内部诊断故障，应单独定义清楚的用户提示。任何新增故障声音都必须经过第 7 节统一输出仲裁，在火警消音期间禁止绕过静音门控。

## 7. 火警、自检与消音实现

### 7.1 状态拆分

不要用一个枚举把“火警”“低电量”“污染”“消音”相互排斥。这些情况可能同时存在，建议分为：

- 探测状态：`MONITOR / CANDIDATE / FIRE_ACTIVE`。
- 故障位图：`LOW_BAT / DIRTY / SENSOR_FAULT / NVM_FAULT / TIME_INVALID`。
- 一般火警消音：`fire_hush_until`，固定 600 s。
- 电池故障声音消音：`battery_hush_until`，固定 25200 s。
- 当前火警声输出起点：`audible_start`，控制 60 s 禁消音和渐强包络。
- 自检标志：`self_test_active`，不等同于真实火警。

```mermaid
stateDiagram-v2
    [*] --> MONITOR
    MONITOR --> CANDIDATE: 烟雾进入疑似区
    CANDIDATE --> MONITOR: 信号恢复
    CANDIDATE --> FIRE_ACTIVE: 满足固定阈值及确认规则
    MONITOR --> FIRE_ACTIVE: 满足已验证的高烟保护条件
    FIRE_ACTIVE --> MONITOR: 连续满足恢复条件
```

消音不改变 `FIRE_ACTIVE` 事实，也不停止采样。即使烟雾在 600 s 内消退，一般消音截止时间仍保留至原定结束；期间本地烟雾再次满足条件仍按同一静音门控处理。需要响铃的新互联火警属于第 10 节规定的特定例外。

### 7.2 输出优先级与交互规则

| 条件 | 声音 | 红灯 | 黄色污染灯 | 真实火警输出/记录 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| 正常监视 | 无 | 可短闪，必须与火警明显不同 | 灭 | 无 |
| 自检、无真实火警 | 自检声序列 | 自检序列 | 自检时短暂测试 | 禁止火警触发输出；只记自检事件 |
| 本地真实火警、未消音 | 渐强后持续报警模式 | 点亮 | 若污染已置位则保持 | 记录真实火警；扩展口按真实事件输出 |
| 真实火警开始后不足 60 s，收到消音 | 继续报警，丢弃本次消音请求 | 保持 | 按污染事实 | 不撤销真实火警 |
| 真实火警满 60 s，按键或红外新触发 | 静音 600 s，禁止火警和故障声音 | 有烟时保持 | 按污染事实保持 | 火警事实及通信输出保持，记录消音 |
| 600 s 到期且仍满足火警 | 重新起声及渐强，重新执行 60 s 禁消音 | 保持 | 按污染事实 | 记录恢复鸣响，不把同一持续火警虚增为多次新火警 |
| 仅电池故障、未消音 | 独特短鸣，7 d 验证时每分钟至少一次 | 使用与火警不同的状态提示 | 无污染则不保持 | 电池故障记录；互联版本输出故障信号 |
| 仅电池故障，触发消音 | 电池故障声音静音 7 h | 状态提示仍保留 | 按污染事实 | 不修改火警消音计时器 |
| 电池故障消音中发生真实烟雾 | 立即按真实火警起声、渐强 | 点亮 | 按污染事实 | 真实火警正常产生；7 h 计时不能屏蔽火警 |
| 污染，无其他事件 | 基线不配置独立污染声音 | 正常状态提示 | 保持点亮 | 污染记录 |
| 任意故障+一般火警消音有效 | 全部故障声音一并静音 | 有烟时保持 | 污染未排除则保持 | 故障及火警事实继续记录 |

真实火警优先于自检、维护和电池故障提示；有效的一般火警消音门控约束火警及故障声音。电池故障 7 h 消音只作用于电池故障声音，不能复用为一般静音标志。消音不关闭红灯、不暂停探测、不清除污染灯，也不撤销对外火警事实。

### 7.3 消音输入处理

按键使用去抖后的新按下边沿，红外使用通过有效性判断的新载波包络事件。火警开始后前 60 s 的输入立即丢弃，不排队到第 60 s 自动执行；持续按住按键或持续收到家电遥控重复码，均不能不断延长消音。

红外接收须覆盖正前方 3 m 的 38 kHz、940 nm、3 ms 信号。不能仅靠家电协议解码器，因为标准试验脉冲可能不构成完整协议帧。以载波频率带宽、有效包络时长及接收器输出特征判断，在 60 s 门控后触发；接收器 AGC、太阳光及灯光环境应做实测。

消音有效期间再次收到相同消音请求不续期，要求先释放按键或结束本次红外重复序列再产生新事件。到期仍有烟时立即恢复报警；禁止把常按键、持续红外或工装连接当作永久静音条件。

### 7.4 仲裁伪代码

以下省略具体驱动，`now` 来自低功耗单调时钟，不是可修改的 RTC。

```c
void control_step(uint64_t now)
{
    update_detection_and_fault_facts();

    if (new_real_fire_event()) {
        queue_fire_record();          // 自检不经过这里
        publish_real_fire_if_fitted(); // 与声音消音相互独立
    }

    if (new_peer_fire_event()) {       // 仅互联版本
        cancel_fire_hush();           // 新的其他节点火警强制再响
        request_new_audible_episode();
    }

    if (new_silence_input()) {
        if (fire_demand()) {
            if (!fire_hush_active(now) && audible_elapsed(now) >= 60_s)
                start_fire_hush_once(now, 600_s);
            // 小于 60 s 或已经消音：丢弃，不排队、不续期
        } else if (low_battery_fault()) {
            start_battery_hush_once(now, 25200_s);
        }
    }

    set_red_led_from_real_fire();
    set_yellow_led_from_dirty_fact();

    if (fire_hush_active(now)) {
        stop_all_alarm_sounds();
    } else if (fire_demand()) {
        preempt_self_test_and_service();
        ensure_audible_episode_started(now);
        drive_fire_envelope(now);      // 渐强，随后维持已验证声模式
    } else if (self_test_active()) {
        drive_self_test_only();       // 不发布真实火警
    } else {
        drive_fault_pattern_with_battery_hush(now);
    }

    service_logs_in_bounded_steps();
    feed_watchdog_only_if_critical_tasks_progressed();
}
```

必须区分“原始火警进入”“同一次火警恢复鸣响”“其他节点的新火警”和“重复通信帧”，否则可能造成重复记录、反复渐强、永不消音或消音无法被新火警打破。

### 7.5 自检及复位策略

自检键只请求音响和指示灯检查，可先进行简短驱动/灯序，再恢复监视。自检不调用真实火警事件入口，不发火警帧、不拉动继电器或互联触发线。扩展版本若提供自检状态上报，使用明确的自检消息类型，接收端不得把它映射成火警控制输出。

自检中仍执行真实烟雾采样，一旦满足真实条件立即抢占自检进入正常火警。火警消音中不运行会产生声音的自检序列，可仅灯检并返回状态，不能借自检键绕过静音规则。

看门狗复位后重新检测现场烟雾，禁止重建清洁基线；当前有烟时恢复报警。复位不得延长已存在的静音窗口。首版可在复位后取消静音并记录复位，重新起声后执行 60 s 禁消音；RTC 校时不得修改单调计时器或消音剩余时间。

## 8. 事件记录、校时与维护接口

### 8.1 存储布局

建议预留至少 16 KB 非易失空间，逻辑分区如下；容量应按最终记录结构、页大小和磨损均衡重新核算。

| 分区 | 内容 | 保护策略 |
| --- | --- | --- |
| 参数 A/B | 版本、工厂基线、增益、固定阈值、声学查表、电池门限、序列号 | 双副本、CRC、版本兼容、受保护写入 |
| 火警环形区 | 最近至少 128 条真实火警事件 | 不被自检、调试、消音日志挤占；满时覆盖最旧事件 |
| 诊断环形区 | 故障/恢复、自检、消音、校时、复位 | 独立容量和覆盖策略 |
| 状态索引 | 序号、写指针、污染锁存、时间状态 | 可从记录重建，避免单点索引损坏丢全部历史 |

一条火警记录建议包含：`format_version、sequence、event_type、source_id、year/month/day/hour/minute/second、time_valid、monotonic_at_event、S1/S2、reference、battery_mV、fault_bitmap、CRC、commit_marker`。标准强制的是火警信息和相应完整日期时间，其他字段为本方案的诊断增强。

写入采用“记录体→CRC→提交标记”流程。重新上电只接纳完整已提交记录。若使用片内 Flash，应提前准备空闲页，将擦除放到可抢占的后台阶段；如存储电源需要保持，按最大写入电流和时间计算保持能量。禁止每轮采样都写非易失存储。

### 8.2 时间管理

工厂首次装电池后设置真实日期时间；RTC 保持跨 MCU 复位运行。断电、晶振停振或时间非法时标记 `time_valid=false` 并提示维护，不能静默给火警写入虚假默认日期。正式出厂和送检状态必须完成有效校时。

校时记录修改前后时间和操作者/工装标识，历史火警时间保持原样；用顺序号维持事件顺序，避免时钟回拨造成覆盖或排序混乱。RTC 目标误差需通过温度实测，不能拿常温晶振标称 ppm 直接推算全年保证值。

### 8.3 UART 维护协议

| 项目 | 建议定义 |
| --- | --- |
| 物理层 | 产品电池域 TTL UART，经隔离工装适配 USB；电平与实际系统电源匹配，禁止直接接 RS-232 电平 |
| 数据格式 | 初值 115200、8N1；帧头、版本、命令、长度、序列号、载荷、CRC；限制最大帧长和超时 |
| 只读命令 | `GET_INFO`、`GET_STATUS`、`GET_TIME`、`READ_FIRE_LOG`、`READ_DIAG_LOG` |
| 授权命令 | `SET_TIME`、工厂校准/写保护操作；受专用工装和鉴权限制 |
| 明确禁止 | 普通命令永久静音、清除仍存在的污染、任意修改固定阈值、伪造真实火警输出 |
| 导出格式 | UTF-8 CSV 或 JSON，含设备序列号、固件/参数版本、完整时间、有效标志、事件序号及导出校验 |
| 抢占规则 | 导出和写参数不得阻塞真实火警；火警期间拒绝改变关键参数 |

接口输入开路、短路、持续电平、非法长度、重复命令和发送风暴都不能影响本机探测。尽量采用仅维修工具可触及的接口；只要产品结构允许外部连线，不能未经适用性评价直接省略传导抗扰试验。

## 9. EMC、环境与可靠性设计

### 9.1 PCB 与接口防护

| 对象 | 设计措施 | 验证重点 |
| --- | --- | --- |
| PD/TIA 高阻节点 | 紧凑布局、护环/屏蔽、低漏电保护、模拟电源滤波 | 输入保护本身的漏电和电容不能损害灵敏度 |
| 声音升压及压电高压 | 缩小开关环路，远离光学接收，受控上升沿 | 满幅鸣响时 AFE 噪声、系统电压跌落、MCU 复位 |
| 按键、透光窗、外壳缝隙 | 控制放电路径，串联阻抗，适用的低漏电 ESD 器件 | 静电不误火警、不误污染、不改变阈值参数 |
| UART/互联线 | 串联限流、ESD/浪涌钳位、共模与差模滤波，必要时隔离 | 开短路不拖垮本机；无反向供电；长线共模耦合 |
| 时钟、复位、工厂焊盘 | 走线短、拉电阻明确、避免悬空 | 射频下不丢时、不复位、不进入工厂模式 |
| 软件防护 | 采样有效性、CRC、输入去抖、超时恢复 | 不能通过试验模式直接禁止报警来掩盖抗扰不足 |

### 9.2 主要试验应力

| 类别 | GB 20517-2025 条件摘要 | 试验后及过程要求摘要 |
| --- | --- | --- |
| 高温运行 | 55±2 ℃，2 h | 过程无火警/故障；阈值比≤1.6 |
| 低温运行 | -10±2 ℃，2 h | 同上；同时关注电池与声学能力 |
| 交变湿热运行 | 高温 40±2 ℃，2 个循环，具体湿度历程按 GB/T 16838 | 无不应有报警，恢复后阈值比≤1.6 |
| SO₂ 腐蚀耐久 | 25±2 ℃，75±5%RH，浓度体积比 (25±5)×10^-6，21 d | 按 6.17 调湿恢复后检查外观及阈值 |
| 冲击运行 | 半正弦，6 ms，峰值加速度按表 2 质量公式；1 方向、3 次 | 无不应有报警、损伤松动；阈值比≤1.6 |
| 碰撞 | 1.9±0.1 J，锤头速度 1.5±0.125 m/s | 紧固、结构及阈值满足要求 |
| 正弦振动运行 | 10～150 Hz，10 m/s²，1 oct/min，1 轴、1 个扫频循环 | 无不应有报警；结构与阈值满足要求 |
| 射频辐射 | 80～1000 MHz，10 V/m，80%调幅，1 kHz；步长≤前频率1% | 无火警或故障，试后阈值比≤1.6 |
| 射频传导 | 0.15～80 MHz，140 dBµV，80%调幅，1 kHz | 适用于互联式或具有外部连接线产品；同上 |
| 静电 | 空气 8 kV，接触 6 kV，正/负，每点 10 次，间隔≥1 s | 无不应有报警，试后阈值比≤1.6 |

表中为设计输入摘要，测试布置、注入方法、恢复时间和完整判定按 5.17～5.19、6.14～6.23 及其引用文件执行。器件选用 -40～85 ℃ 等级可以提供余量，但不等于整机已通过上述环境试验。

## 10. 互联与联网扩展设计

### 10.1 有线互联版本

互联版本在基线上增加受保护的有线总线收发器，仍由每只报警器自己的内部电池供电。建议从“差分信号 A/B+公共参考”的三线方案探索，器件可使用具有限流、失效保护和断电高阻能力的低功耗差分收发器；不得从总线给本机供电。

```mermaid
flowchart LR
    BAT1["本机内部电池"] --> LOCAL["本机探测与声光\n独立于通信任务"]
    LOCAL <--> CTRL["互联事件管理\n源地址 / 事件号 / 去重"]
    CTRL <--> PHY["限流及故障隔离\n差分收发器 / EMC 防护"]
    PHY <--> BUS["有线互联总线\nA / B / 公共参考"]
    BUS <--> PEER["其他内部电池报警器"]
```

| 项目 | 扩展设计要求 |
| --- | --- |
| 最大连接数 | 工程起点 N=20，待总线负载、线路和电池验证后才写入说明书；对应送样数量为 39 只 |
| 线长与拓扑 | 可先以 100 m 总线型布线作探索；明确线型、截面积、端接、共模范围与分支限制，未经测试不形成承诺 |
| 互报时间 | 工程目标≤10 s，标准最大负载下≤60 s；包含碰撞、重试、节点休眠和最不利时钟偏差 |
| 消音中的新火警 | 来自其他节点的新真实火警取消本机一般消音，重新起声；所有节点均按新事件响应 |
| 电池故障输出 | 必须输出可识别的电池故障信号，说明书写明类型、参数及接收方式 |
| 故障隔离 | 任一线断、线间短路、对参考短路时，本机继续独立感烟报警；短路电流不拖垮电池支路 |
| 响应阈值 | 在互联状态下重新测量，与一致性试验阈值比≤1.6 |
| 自检隔离 | 自检不广播真实火警或驱动外部辅助设备 |

帧建议包含 `protocol_version、source_id、boot_epoch、event_seq、message_type、alarm_state、battery_state、CRC`，区分 `FIRE_ON / FIRE_CLEAR / BATTERY_FAULT / HEARTBEAT / TEST_STATUS`。火警帧优先于心跳和诊断，采用具备明确时限的仲裁、重发和退避机制；最大 N、同时报警及持续占线下均要验证时限。

必须用源地址和事件号识别“新的其他节点火警”，不能把旧火警重复帧不断当作新事件，从而永远不能消音；也不能因为本机已报警而忽略另一节点的新火警。节点复位、序号回卷和重复缓存过期应有明确规则。若使用仅维持电平的简单互拉线，必须额外解决已经有报警电平时如何识别第二个起火节点，否则不能覆盖 5.12 b) 的场景。

本版总线的常开接收电流和端接/偏置电流可能显著高于基础款预算。必须重新计算平均工作电流、电池规格和 `250×336 h` 放电能力，不沿用基础款“12 µA、10 年”目标作为既成事实。若采用低功耗监听方案，须证明唤醒时延和冲突处理仍满足全网报警要求。

### 10.2 无线联网版本

无线通信扩展可选择自建 LoRa/其他网络+收发装置，或 NB-IoT/Cat.1 等直接接入。选择依据是现场平台、信号覆盖、上报时延与能量预算，不在没有现场网络条件时指定唯一制式。无论采用哪种，本地探测与声光报警均先于网络操作完成。

GB 20517-2025 的 5.4.1、6.2.1.7 明确引用 GB/T 45839-2025 的 5.4.1、5.6；以下是无线版本必须纳入的接口及系统边界：

| 要求 | 标准位置 | 实现及证据 |
| --- | --- | --- |
| 触发器件火警在 30 s 内传至现场端平台；现场端至远端管理平台<10 s | GB/T 45839 5.4.1 | 起点为报警器产生火警；测量冷连接、弱网、重试及平台处理的端到端时间 |
| 唯一且经授权的身份标识码，符合附录 B | 5.6.1 | 按 27 字节 CD/NT/PD/SN/TAC/CHK 编码及授权分配规则实施，不能用随机 UUID 替代标准 ID |
| 蜂窝授权频谱传输具有加密措施 | 5.6.2 | 终端及平台协议采用适用加密/鉴权方案，密钥安全灌装 |
| 在生产者声明网络环境正常通信；蜂窝支持自动搜索可用小区 | 5.6.3、5.6.4 | 明确覆盖、信号和网络条件，执行附录 C 测试 |
| 无线信号质量监测，上电上报一次，正常至少每 24 h 一次 | 5.6.5 | 信号质量字段、发送时刻、平台可见记录，测功耗时计入 |
| 本机不依赖组网功能 | 相关组网要求及 GB 20517 5.3.6 | 模块失联、卡死、重启或断电不阻塞本机探测与声光 |

无线模块使用可控供电、足够的脉冲供流与本机电源隔离；网络任务异步执行，不在火警路径里等待注册、DNS、平台 ACK 或服务器响应。事件先本地提交再发送，失败重试保留事件号，恢复后补传并标记原始时间。

不能把长休眠、慢速入网或低频轮询带来的超时用“节能模式”解释为合规。以 PSM/eDRX 等模式设计时，应实测火警唤醒到现场平台的最坏时延；运营商断网等外部不可用情况应保留本机报警和通信故障证据。

### 10.3 配套收发装置与远程消音

若开发配套收发装置，应另立设计文档，完整满足 GB 20517-2025 附录 B，而不是给本体增加一个普通网关就认为完成。应覆盖接收火警后 10 s 内声光及部位指示、相关电池故障 100 s 内提示、手动/自动输出及 3 s 动作等适用要求，并按附录 B 引用的 GB 4717-2024 条款验证。

若交付 GB/T 45839-2025 组网系统，还应覆盖收发装置外部电源+内部电池、状态灯、至少 9999 条事件记录、平台与通信故障处理、授时、权限及数据留存等适用系统要求；不能把 GB 20517 仅引用 5.4.1、5.6 误当成完整平台合规清单。

基线仅支持现场按键和红外消音。若扩展平台远程消音，需落实 GB/T 45839 的 5.4.4、5.8.1 等：授权用户、规定的火警核实条件、操作记录，以及本体 60 s 禁消音和规定消音周期。不得允许任意账号远程永久关闭报警声。

## 11. 验证计划与条款追溯

### 11.1 研发验证顺序

先解决光学阈值、四类试验火和低压渐强声学，再做完整环境及耐久验证。测试过程中固定固件、参数、光腔和音腔版本，避免样品一边送测一边修改关键参数。

1. **功能原型**：实际光腔采样，双按键、红外标准脉冲、自检隔离、双消音定时器、RTC 和导出。
2. **关键性能原型**：多批电池、声学幅度范围、`V_E`、烟箱标定、双角度及污染诊断。
3. **小批 EVT/DVT**：方位/重复性/一致性，四类试验火及粉尘全流程，再据结果冻结阈值、补偿和结构。
4. **环境及可靠性**：完整 EMC、气候、机械、反接、72 h 音响及压缩放电试验，试后复测阈值。
5. **生产验证及送检**：完成出厂检验、版本一致性和文件审查后，按标准样品数量及顺序送检。

### 11.2 整机验证矩阵

| 检查或试验 | 标准条款 | 验证内容与记录 | 基线适用性 |
| --- | --- | --- | --- |
| 外观与主要部件 | 5.2、5.3、6.1.6 | 内部电池、光电原理、双灯双键、球规、结构、设置保护、说明书和标志 | 必做 |
| 火警/按键消音 | 5.4.1、5.4.2、6.2.1.1～.2、.4 | 真烟报警；立即按键不消音；60 s 后新按键可消音；持续烟中维持>15 min，核对约 600 s 再响 | 必做 |
| 红外消音 | 6.2.1.3 | 3 m 正前方、38 kHz、940 nm、3 ms；60 s 前后各测；补充不同家电遥控器实测 | 必做 |
| 自检 | 5.4.3、6.2.1.5 | 音响、红黄灯；监视接口/接收端，确认无真实火警触发；真烟抢占自检 | 必做 |
| 记录及导出 | 5.4.4、6.2.1.6 | 20 次真实报警，每次间隔≥1 min；导出不少于 20 条，逐条核对年月日时分秒；校时 | 本方案配置，必做 |
| 声压 | 5.5、6.3 | 额定电压与 `V_E`；3 m 自由声场完整初始/渐强曲线；无启动尖峰 | 必做 |
| 音响耐久 | 5.6、6.4 | 稳压电源额定电压，50 次转换+连续 72 h；试后声压 | 必做 |
| 方位 | 5.8、6.5 | 45°一档，共 8 次；记录最不利/最有利方位及比值≤1.6 | 必做 |
| 重复性 | 5.9、6.6 | 同方位连续 6 次，阈值比≤1.6 | 必做 |
| 一致性 | 5.10、6.7 | B 型 m_min≥0.15、两项群体比值合格；按最不利方位测所有规定样品 | 必做 |
| 电池故障 | 5.11、6.8 | 0.01 V 阶梯测 `V_E`；上电及周期检测；7±1 h 消音；消音中真烟仍报警 | 必做 |
| 有线互联 | 5.12、6.9 | 最大 N、全网≤60 s、消音中另一只新火警强制再响、断短路、阈值比≤1.6、电池故障输出 | 互联扩展 |
| 极性反接 | 5.13、6.10 | 允许反接时先 15 s，未报警则保持 2 h；恢复后阈值及故障电压提示 | 按结构适用，不能无依据免测 |
| 电源性能 | 5.14、6.11 | 250 倍×336 h，声压；继续放电，7 d 每分钟故障提示、阈值比≤1.6、火警≥4 min | 必做 |
| 气流 | 5.15、6.12 | 0.2±0.04 与 1.0±0.2 m/s；两方位平均阈值比较，比值≤1.6 | 必做 |
| 环境光线 | 5.16、6.13、附录 D | 灯组通断和持续照射，不误报警；相关方位阈值比≤1.6 | 必做 |
| 高/低温 | 5.17、6.14、6.15 | 运行状态、过程指示、阈值比和外观 | 必做 |
| 交变湿热 | 5.17、6.16 | 2 个循环、恢复及阈值；检查凝露误污染问题 | 必做 |
| SO₂ 腐蚀 | 5.17、6.17 | 21 d、规定恢复、外观和阈值 | 必做 |
| 冲击、碰撞、振动 | 5.18、6.18～6.20 | 按质量及装置条件，结构、过程指示和阈值 | 必做 |
| 射频辐射 | 5.19、6.21 | 10 V/m，过程无火警/故障，试后阈值比≤1.6 | 必做 |
| 射频传导 | 5.19、6.22 | 140 dBµV，外部线最不利布置；过程指示及阈值 | 有外部连线时适用；本方案维护口须确认 |
| 静电 | 5.19、6.23 | 空气 8 kV、接触 6 kV，正负极性；过程无火警/故障，试后阈值 | 必做 |
| 火灾灵敏度 | 5.20、6.24、附录 E～I | 阈值最大的 4 只，最不利方位；SH1 木材热解、SH2 棉绳、SH3 聚氨酯、SH4 正庚烷，各试验火结束前报警 | 必做 |
| 传感部件污染 | 5.21、6.25、附录 K | 下述完整分支流程、污染灯保持和模拟污染方法 | 必做 |
| 无线平台通信 | 5.4.1、6.2.1.7 | GB/T 45839 5.4.1、5.6 及附录 C；记录 ID、信号质量和传输时延 | 无线扩展 |
| 配套收发装置 | 5.3.10、附录 B | 功能、环境、电源和所引用控制器条款 | 如有配套装置 |
| 出厂与文件 | 第 7、8 章 | 出厂检验记录、抽样规则、铭牌、中文说明书、合格标志 | 必做 |

表 4 中序号 1 为外观/主要部件检查，序号 2～25 为各试验。研发与送检安排应按标准表 4 的样品分配执行，不能把所有应力都随意叠加在同一只样品上。

### 11.3 粉尘试验完整流程

试验粉尘为附录 K 指定的亚利桑那细粒试验粉尘，满足 GB/T 28957.1-2023。默认浓度 `100±30 mg/m³`；生产者可声明其他浓度，但不大于标准规定的 `200±30 mg/m³` 条件。气流 `0.4±0.1 m/s`。

```text
正常监视 → 粉尘环境保持 1 h → 停止气流及加尘，再保持 1 h
    |
    +-- 期间发出污染故障信号 → 按 6.25.1.4 满足要求，试验结束
    |      注：期间准许发生火灾报警信号
    |
    +-- 期间未发出污染故障 → 取出样品，按 6.25.1.5 观察
           |
           +-- 100 s 内发出污染故障 → 满足要求
           |
           +-- 100 s 后仍发火灾报警 → 不满足要求
           |
           +-- 100 s 后无火警、无污染故障
                    → 最不利方位复测烟箱响应阈值，与原值比≤1.6
                    → 按生产者规定物理方法模拟污染至门限
                    → 应发出污染故障信号（6.25.1.6）
```

工程上可追求粉尘耐受、减少误报，但不能据此删掉污染报警能力或模拟污染验证。也不能在检测到试验粉尘特征后临时关闭火警，以求通过测试。

### 11.4 固件专项验证用例

对安全时序、优先级、掉电一致性和异常输入编写有针对性的自动化/工装测试；普通排版或无风险配置不单独堆砌测试。

| 用例 | 预期结果 |
| --- | --- |
| 火警后 0 s、59 s 触发消音，60 s 后重新触发 | 前两次拒绝且不延迟执行；达到 60 s 后的新触发接受 |
| 按键一直按住跨过 60 s；红外重复码一直存在 | 不因旧输入自动进入静音 |
| 火警静音 600 s，烟参数始终超阈值 | 周期内无火警声/故障声，期满自动重新渐强报警，红灯保持 |
| 火警静音中低电量故障到来 | 不突然发电池短鸣，故障事实保留 |
| 仅低电量静音 7 h，随后施加真实烟雾 | 真实火警立即按探测逻辑启动，不等待 7 h |
| 自检时接收真烟 | 抢占自检，真实事件被记录；无烟的自检不生成火警触发 |
| 校时前拨/后拨、跨年、闰日、时钟异常 | 火警消音、故障消音及 60 s 门控不变；日志时间状态正确 |
| 写日志中掉电、CRC 损坏、环形区写满 | 已提交记录可读；坏记录隔离；至少保留规定火警条数 |
| 低压报警负载导致电压骤降、反复复位 | 不进入永久静音/清洁重学习；能揭示并整改电源能力不足 |
| 污染保持时按消音、自检、普通复位 | 不清除仍存在的污染灯和污染事实 |
| 极慢增长烟雾及光路局部遮挡 | 不被基线学习吞掉；分别验证火灾灵敏度和污染诊断 |
| 外部接口短路、持续垃圾数据、日志导出同时进烟 | 本机探测和声光时限不受影响 |
| 互联 A 火警后静音，再由 B 触发新火警 | 所有节点重新发出火警声；A 的重复旧帧不造成无限重触发 |

### 11.5 样品与版本管理

单点式提供 20 只标准试样，另备研发替换样；互联式为 `19+N` 只。B 型按一致性实测结果将响应阈值最大的 4 只编号 17～20，其他样品按 6.1.7 分配，不能预先挑选灵敏样品代替最高阈值样品做试验火。

每只样品绑定电池料号/批次、PCB 版本、光腔/声腔模次、LED/PD 分档、固件哈希、参数版本及校准记录。关键部件、结构或算法改变后，应评估 7.2.2 规定的型式检验触发条件，并复测所有受影响项目。

## 12. 工厂校准、出厂检验与用户文件

### 12.1 产线流程

```text
来料检验（电池、LED/PD、压电片、光学结构件）
  → PCBA 电气及漏电测试
  → 光腔/音腔装配与异物检查
  → 清洁背景、参考光路及已知烟浓度标定
  → 实际烟触发与固定阈值参数写入
  → 红黄灯、双按键、红外消音和自检检查
  → RTC 校时、序列号及事件导出检查
  → 平均工作电流与报警电流采集
  → 参数封存、固件保护、结构封闭
  → 规定出厂检验与批次判定
  → 产品/合格标志、中文说明书、完整包装
```

光学校准不能仅在清洁空气中归零；应建立经校准烟密度计关联的烟箱点和响应阈值。固定阈值产品允许生产环节作受控校准，但不得给普通用户提供可调灵敏度菜单。

近场声学工装可用于 100%筛查装配缺陷，但要先建立其与 3 m 自由声场结果的相关性，不能用近场相对值替代标准声压试验。污染工装定期复核光学特性和重复性。

### 12.2 标准规定的出厂检验

按 7.1.1，出厂前应进行：外观与主要部件检查、一致性试验、交变湿热运行试验；按 7.1.2，由生产者规定抽样方法、检验和判定规则。需形成受控检验规范，不能将该条解释成“逐台只做按键自检即可出厂”，也不能无依据要求每台完整做所有型式试验。

建议将逐台功能筛查与批次抽检结合，抽检数量、批次定义、不合格隔离及返工复验规则写入质量文件。型式检验样品从出厂检验合格产品中抽取，结果按 GB 12978 的适用规则判定。

### 12.3 中文说明书最少内容

- 产品分类、执行标准、内部电池规格及不可充电、不可自行拆修说明。
- 安装位置、方向、底座固定及不适用环境；以验证后的产品使用范围为准。
- 自检键、消音键和家电红外遥控消音的操作，前 60 s 禁消音、10 min 火警消音、7 h 电池故障消音的区别。
- 正常、真实火警、污染、电池故障及其他内部故障的声光含义和处理方法。
- 发生火灾报警时的人员处置说明；消音期间仍持续监视，不能把静音理解为风险解除。
- 黄色污染灯保持的原因、生产者规定的维护/更换途径，禁止用户擅自打开光腔重新归零。
- 校时、记录导出、时间无效提示和售后服务方式。
- 如有信号输出，给出类型、电气/协议参数；如为互联款，给出最大连接数、线材、线长、拓扑、端接及断短路行为。
- 如有无线联网，给出网络条件、信号质量、平台与模块故障时本机行为，不夸大弱网可用性。
- 经验证的寿命、储存条件、电池故障后更换要求；铭牌平均工作电流与实测一致。

## 13. 实施计划与风险控制

### 13.1 阶段交付

以下为研发估算，外部实验室排期另计；阶段有退出条件，不能仅按日历到期即判定完成。

| 阶段 | 建议周期 | 主要交付 | 退出条件 |
| --- | --- | --- | --- |
| 需求与器件评估 | 1～2 周 | 条款矩阵、候选 BOM、光腔及音响评估板 | 电池、光学及渐强驱动有可行数据 |
| 硬件/结构 EVT | 4～6 周 | 原理图、PCB、结构样件、基础固件 | 真实进烟与低压渐强可工作，平均电流接近预算 |
| 算法及功能 EVT | 4～6 周，可与前阶段交叉 | 烟箱校准、污染诊断、双消音、日志工具 | 核心功能及初轮四类试验火通过 |
| DVT 整机验证 | 6～10 周 | 环境、EMC、机械、放电、耐久与粉尘报告 | 所有适用项目有结果，失败项整改后闭环 |
| PVT 及送检 | 视生产和实验室排期 | 产线工装、质量文件、说明书、型式样品 | 量产配置冻结，检验及文件一致 |

### 13.2 重点风险及措施

| 风险 | 可能后果 | 优先措施 |
| --- | --- | --- |
| 音响驱动动态范围不够，低音量仅靠减占空比 | 初始声压超标或瞬态尖峰 | 优先做双电压、双量程声学样机，先测曲线再定器件 |
| 电池 `V_E` 只按空载电压设置 | 预警前已不能驱动音响，或预警后不够 7 d | 多批电池、低温、老化内阻、故障灯及红外并发负载验证 |
| 基线补偿过快或无上限 | 真实阴燃烟雾被学习掉 | 冻结条件、限幅、出厂基线保护分支，SH1/SH2 验证 |
| 污染参考光路与真实污染不相关 | 漏报遮挡或积尘影响 | 真实粉尘、局部遮挡和材料老化样本共同建立门限 |
| 消音状态共用一个布尔量 | 7 h 电池静音屏蔽火警，或火警静音中响故障声 | 双计时器及统一声音仲裁，边界用例自动化 |
| 红外接收头 AGC 抑制 3 ms 载波 | 家电能用但标准脉冲不响应，或反之 | 单独发生器波形与真实遥控器交叉验证 |
| 日志/通信阻塞火警任务 | 延迟报警、丢采样或看门狗复位 | 有界执行、后台写入、优先级与最坏时限测量 |
| 维护口或总线引起漏电/反灌 | 待机及压缩放电不合格，接口短路影响本机 | 实测断电漏电和开短路，必要时隔离 |
| 通信扩展沿用基础电池预算 | 联网时无法满足寿命、上报或放电制度 | 独立型号、重算电池和正常平均工作电流 |
| 粉尘或湿热后仍持续火警 | 污染试验分支失败、用户误报 | 结构排尘/防凝露、有效恢复迟滞，保持火警安全通道 |

### 13.3 下一步应形成的工程文件

1. 详细电路原理图及计算：光学恒流、TIA/ADC、声学双量程驱动、电源/反接、RTC、存储和维护接口。
2. BOM 与关键器件评估记录：电池曲线、LED/PD 光学分档、红外包络响应、压电片与声腔匹配。
3. 结构 3D/2D 图：进烟通道、公差、球规防侵入、声腔、光窗、按键、底座和封闭方式。
4. 固件详细设计及参数规范：状态变量、计时器、固定阈值校准、补偿边界、日志布局、UART 协议。
5. 工装及测试规程：烟箱标定、3 m 声压曲线、红外发生器、平均电流、物理模拟污染、日志导出。
6. 出厂检验规范、中文说明书、铭牌稿、型号配置表及完整条款符合性报告。

尚待试验冻结的关键参数为：电池具体料号和预警门限、光学角度与标定系数、固定火警阈值、污染门限/恢复条件、声音控制查表及整机平均工作电流。它们不能由本文中的工程初值直接替代。

## 14. 关键条款定位

| 内容 | GB 20517-2025 条款 | 正文页 / PDF 页序 |
| --- | --- | --- |
| 分类、供电、原理、指示灯 | 第 4 章、5.3.1～5.3.3 | 2 / 8 |
| 结构、按键、出厂设置、火警、消音、自检 | 5.3.4～5.4.3 | 3 / 9 |
| 条件适用的事件记录、渐强声压、音响耐久、方位、重复性、一致性起始 | 5.4.4～5.10 | 4 / 10 |
| 一致性续、电池故障、有线互联、反接、电源 | 5.10～5.14 | 5 / 11 |
| 气流、光干扰、气候条件 | 5.15～5.17 | 5～6 / 11～12 |
| 机械、EMC、火灾灵敏度、污染 | 5.18～5.21 | 6～8 / 12～14 |
| 样品数量、编号及试验程序 | 6.1.4～6.1.7、表 4 | 9～10 / 15～16 |
| 按键、红外和记录导出方法 | 6.2.1 | 10～11 / 16～17 |
| 额定/故障电压声压、稳压电源 72 h 方法 | 6.3、6.4 | 11 / 17 |
| 电池故障与互联试验 | 6.8、6.9 | 12～13 / 18～19 |
| 电源性能试验 | 6.11 | 14 / 20 |
| 试验火与污染完整判定 | 6.24、6.25 | 19 / 25 |
| 出厂检验、型式检验、标志 | 第 7、8 章 | 20 / 26 |
| 标准烟箱与减光测量 | 附录 A | 21～26 / 27～32 |
| 收发装置 | 附录 B | 27～29 / 33～35 |
| 试验烟、闪光装置、燃烧实验室、SH1～SH4 | 附录 C～I | 30～36 / 36～42 |
| 碰撞装置、粉尘装置及指定粉尘 | 附录 J、K | 37～40 / 43～46 |

GB/T 45839-2025 中，5.4.1 见正文第 3 页 / PDF 第 9 页；5.6 见正文第 4 页 / PDF 第 10 页；身份标识码见附录 B，正文第 9～10 页 / PDF 第 15～16 页；无线测试见附录 C，正文第 11～12 页 / PDF 第 17～18 页。文中使用本地标准原文建立设计输入，后续详细设计、送检与量产应始终保持同一版本的受控依据。