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Die
vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 2. Oktober 2002 eingereichten
provisorischen US-Anmeldung mit der Seriennummer 60/415,127.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Erkennen
der Aktivierung eines hörbaren
Rauchmelderalarms.
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Technischer Hintergrund
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Bei
einem Brand haben die Bewohner eines Gebäudes möglicherweise nur ein paar Minuten,
um ohne Schaden zu entkommen. Aufgrund der potentiell kurzen Fluchtzeit
ist es äußerst wichtig,
den Bewohnern eines brennenden Gebäudes genügend Warnung zu geben. Die
meisten von der Brandschutzindustrie verkauften Geräte beruhen
auf hörbaren Alarmen,
um die Bewohner eines Wohngebäudes
zu warnen. Diese Geräte
helfen jedoch Hörbehinderten leider
nicht. Somit entsteht Bedarf an einem Gerät, das Hörbehinderten in einem Brandfall
ausreichend Schutz bietet.
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In
der Technik sind Geräte
bekannt, die visuelle Signale benutzen, um Hörbehinderte vor einem Brandfall
zu warnen. Beispiele für
solche Geräte
sind in den
US-Patentnummern
4,227,191 und
4,287,509 beschrieben.
Diese Geräte
kombinieren einen Melder und einen visuellen Alarm in einem einzigen
Gerät.
Ein weiteres visuelles Warngerät
ist im
US-Patent Nr. 5,012,223 offenbart.
Dieses Gerät
erkennt den Ton von einem Fernrauchmelder und aktiviert eine Lampe
als Reaktion darauf. Visuelle Alarmgeräte wie diese leiden an dem
ernsthaften Nachteil, dass sie eine schlafende hörbehinderte Person nicht alarmieren
können.
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Um
diesen Bedarf zu decken, wurden Systeme vorgeschlagen, die eine
taktile Stimulation (z.B. Vibratoren und Bettrüttler) kombinieren. Ein solches Gerät ist im
US-Patent Nr. 4,380,759 beschrieben. Dieses
Gerät beinhaltet
einen Vibrationssensor, der neben einem Rauchmelder platziert wird.
Wenn der Rauchmelder aktiviert wird, dann löst die Vibration von dem hörbaren Alarm
ein vibrierendes Blatt aus, das ein mildes Gefühl auf der Haut bewirkt. Geräte wie diese
sind umständlich
im Umgang (besonders dann, wenn das Gerät nur vorübergehend an einem Ort benutzt
wird, wie z.B. in einem Hotelzimmer), da der Benutzer das Sendegerät in physischem
Kontakt mit dem Rauchmelder platzieren muss, der sich oft an der
Decke oder an einer anderen schwer zugänglichen Stelle befindet. Andere
Geräte
für Hörbehinderte
(z.B. das im
US-Patent Nr. 5,917,420 offenbarte
Gerät)
beinhalten die Übertragung
von Signalen von einem Melder zu einem Möbelrüttler oder einem anderen taktilen
Stimulationsgerät.
Solche Geräte sind
zwar ein Schritt in die richtige Richtung, aber sie sind gewöhnlich recht
teuer und, was noch wichtiger ist, benötigen spezielle Hardware.
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Das
US-Patent Nr. 5,651,070 beschreibt
ein Warngerät,
das auf Töne
von Geräten
wie Türglocken
und Rauchmeldern „horcht" und ein taktiles
Stimulationsgerät
in Form einer Armbanduhr aktiviert. Dieses Gerät zeichnet einen gewünschten
Audioalarm auf und vergleicht den aufgezeichneten Alarm kontinuierlich
mit Umgebungsgeräuschen,
die von einem Mikrofon aufgenommen werden. Mittels eines 4-Bit-Komparators wird
eine Übereinstimmung
deklariert. Welche Kriterien in den Komparator eingegeben werden,
um eine Übereinstimmung
zu deklarieren, wird nicht offenbart. Ferner ist dieses Gerät umständlich im
Gebrauch, da es verlangt, dass der Benutzer den gewünschten
Ton vor dem Gebrauch aufzeichnet. Dies kann beispielsweise dann
ein Problem sein, wenn eine Person spät abends ein Hotelzimmer betritt,
weil die Aktivierung des Rauchmelderalarms zwecks Aufzeichnung andere
Gäste stören kann.
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Die
US 501,2223 (Gribell et
al.) betrifft ein durch einen Rauchalarm aktiviertes Gerät mit einem Tonempfänger und
einem Signalwandler. Das empfangene Tonsignal wird in ein digitales
Signal umgewandelt, das die Schallwelle repräsentiert, und wird analysiert,
um festzustellen, ob ein aktiver Rauchalarm erfasst wird. Speziell
wird das digitale Signal in einer ersten Zeitperiode erfasst, die
mit der Zeitperiode identisch ist, in der die Schallwelle erzeugt
wird. Die Abwesenheit eines digitalen Signals in der zweiten Zeitperiode
wird erfasst, wobei diese zweite Zeitperiode mit der Zeitperiode
identisch ist, in der die erfasste Schallwelle fehlt. Es wird ein
Ausgangssteuersignal erzeugt, wenn die Anwesenheit des digitalen Signals
in der ersten Zeitperiode und die Abwesenheit des digitalen Signals
in der zweiten Zeitperiode erfasst wird.
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Zusätzlich zu
den obigen Faktoren ist in Geräten
wie diesen die Fehlalarmleistung ein wichtiger Faktor. Es ist relativ
einfach, die Aktivierung eines hörbaren
Rauchmelderalarms zu erkennen; es ist eine ganz andere Sache, einen
solchen Alarm erkennen zu können,
ohne ihn mit anderen gewöhnlich
zuhause anzutreffenden Geräten
zu verwechseln. Solche Geräte
können
konstantes Breitbandrauschen (z.B. Staubsauger und Blender) oder
intermittierende Töne
mit gut definierten Frequenzen auf oder nahe der Frequenz eines
Rauchmelderalarms erzeugen (z.B. Wecker, Telefone, Zellulartelefone
usw.). Benutzer lernen bekanntlich schnell, ein Alarmgerät zu ignorieren,
das viele Fehlalarme erzeugt, so dass ein solches Gerät nutzlos
wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
obigen Problematiken werden in einem großen Ausmaß von der vorliegenden Erfindung
angegangen, die ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen
der Anwesenheit von Tönen
bereitstellt, die sowohl kontinuierlichen als auch intermittierenden
Rauchalarmen entsprechen.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Erkennen bereitgestellt, ob ein von einem Rauchmelder erzeugter hörbarer Alarm
aktiv ist, wobei der hörbare
Alarm eine Alarmperiode hat, die mehrere Einschaltperioden und mehrere
Ausschaltperioden umfasst, die in einem vorbestimmten zeitlichen
Muster geordnet sind, wobei jede Einschaltperiode eine Periode ist, während der
ein hörbarer
Alarmton vom Rauchmelder erzeugt wird, und jede Ausschaltperiode
eine Periode ist, während
der kein hörbarer
Ton vom Rauchmelder erzeugt wird, wobei das Verfahren den folgenden
Schritt beinhaltet:
Erkennen einer Spitzenamplitude in jeder
aus einer Mehrzahl von Abtastperioden, wobei jede der Abtastperioden
einer der erwarteten Ein- oder Ausschaltperioden in einer einzelnen
Alarmperiode entspricht;
wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet
ist, dass es ferner die folgenden Schritte beinhaltet:
Auswählen einer
maximalen Spitzenamplitude aus den Spitzenamplituden;
Einstellen
eines Amplitudenschwellenwertes, wobei der Amplitudenschwellenwert
von der maximalen Spitzenamplitude abhängig ist;
Vergleichen
der einzelnen Spitzenamplituden mit dem Amplitudenschwellenwert
für jede
der Abtastperioden, um zu ermitteln, welche Abtastperioden eine Spitzenamplitude
haben, die den Amplitudenschwellenwert übersteigt;
Ermitteln,
ob der hörbare
Alarm aktiv ist, wenigstens teilweise auf der Basis davon, ob das
zeitliche Muster von Abtastperioden, in denen die Spitzenamplitude den
Amplitudenschwellenwert übersteigt,
mit dem vorbestimmten zeitlichen Muster übereinstimmt.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung
zum Erfassen bereitgestellt, ob ein von einem Rauchmelder erzeugter
hörbarer
Alarm aktiv ist, wobei der hörbare Alarm
eine Alarmperiode hat, die mehrere Einschaltperioden und mehrere
Ausschaltperioden umfasst, die in einem vorbestimmten zeitlichen
Muster geordnet sind, wobei jede Einschaltperiode eine Periode ist,
während
der ein hörbarer
Alarmton vom Rauchmelder erzeugt wird, wobei jede Ausschaltperiode eine
Periode ist, während
der kein hörbarer
Ton vom Rauchmelder erzeugt wird, wobei die Vorrichtung Folgendes
umfasst:
ein Mikrofon; und
einen mit dem Mikrofon verbundenen
Prozessor;
dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor so konfiguriert
ist, dass er die folgenden Schritte ausführt:
Erkennen einer Spitzenamplitude
in jeder aus einer Mehrzahl von Abtastperioden, wobei jede der Abtastperioden
einer der erwarteten Ein- oder Ausschaltperioden in einer einzelnen
Alarmperiode entspricht;
Auswählen einer maximalen Spitzenamplitude
aus den Spitzenamplituden;
Einstellen eines Amplitudenschwellenwerts,
wobei der Amplitudenschwellenwert von der maximalen Spitzenamplitude
abhängig
ist;
Vergleichen jeder der Spitzenamplituden mit dem Amplitudenschwellenwert
für jede
der Abtastperioden, um zu ermitteln, welche Abtastperioden eine Spitzenamplitude
haben, die den Amplitudenschwellenwert übersteigt;
Ermitteln,
ob der hörbare
Alarm aktiv ist, wenigstens teilweise auf der Basis davon, ob das
zeitliche Muster von Abtastperioden, in denen die Spitzenamplitude den
Amplitudenschwellenwert übersteigt,
mit dem vorbestimmten zeitlichen Muster übereinstimmt.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung wird eine Reihe von zeitlich beabstandeten
Proben über eine
Zeitperiode genommen, die lang genug ist, um wenigstens eine volle
Periode eines sich zeitlich wiederholenden Tonmusters eines hörbaren Alarms
eines Rauchmelders zu beinhalten, und die beiden Parameter, die
für jede
Probe analysiert werden, sind Frequenz und Amplitude des lautesten
Tons in dieser Probe. Beide diese Parameter müssen mit dem gewünschten
zeitlichen Muster übereinstimmen,
damit eine Alarmerkennung deklariert wird. In Ausgestaltungen der
Erfindung, die die Erkennung von intermittierenden hörbaren Rauchmelderalarmen
betrifft, variiert das Muster über die
Zeit. In Ausgestaltungen, die die Erkennung von konstanten hörbaren Rauchmelderalarmen
betreffen, variiert das Muster über
die Zeit nicht.
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Der
Beginn der algorithmischen Analyse kann durch einen Erkennungsalgorithmus
ausgelöst werden,
der so ausgelegt ist, dass er eine geringere Leistungsmenge relativ
zu einer durch die algorithmische Analyse aufgenommenen Leistungsmenge nutzt.
Dies ist besonders in batteriegespeisten Geräten wichtig.
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In
noch einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die
oben erwähnte
Erkennungsvorrichtung in einen herkömmlichen Rauchmelder integriert,
um einen Rauchmelder bereitzustellen, der sowohl Rauch als auch
einen Alarm von einem anderen Rauchmelder erkennt. In einer alternativen
Ausgestaltung beinhaltet ein Rauchmelder einen Transceiver zum Senden
eines Aktivierungssignals zu benachbarten Rauchmeldern, wenn ein Feuer
anzeigender Rauch erkannt wird, und zum Empfangen eines Aktivierungssignals
von benachbarten Meldern. Nach dem Empfang eines Aktivierungssignals
von einem benachbarten Rauchmelder aktiviert der Rauchmelder sein
Warngerät
(hörbar, taktil
und/oder visuell). Solche Ausgestaltungen sind besonders in Situationen
nützlich,
in denen eine Aktivierung von Station zu Station erforderlich ist
(z.B. durch einen Gebäudecode),
weil die Ausgestaltungen ein Mittel zum Erzielen einer Aktivierung
von Station zu Station bereitstellen, ohne Festverdrahtung zu erfordern.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ein
umfassenderes Verständnis
der Erfindung und vieler der zugehörigen Vorteile und Merkmale
wird leicht nach einer Lektüre
der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung in Verbindung mit den Begleitzeichnungen erlangt. Dabei
zeigt:
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1 ein
Timing-Schema, das das zeitliche Muster eines hörbaren Rauchmelderalarms gemäß der NFPA-Norm
illustriert;
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2a und 2b Plots
von Amplitude gegenüber
Frequenz für
einen typischen hörbaren
Rauchmelderalarm, jeweils mit einem Melder in einer mit Schaumstoff
ausgelegten Box und einem mit einer unausgelegten Box erzeugt;
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3 ein
Hardware-Blockdiagramm eines Gerätes
zum Anzeigen der Aktivierung eines Rauchalarms gemäß einer
ersten Ausgestaltung der Erfindung;
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4 ein
Fließschema
einer Erfassungsroutine, die mit dem Gerät von 2 ausgeführt wird;
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5a und 5b zusammen
ein Fließschema
einer mit dem Gerät
von 2 ausgeführten Erkennungssubroutine;
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6 eine
Gesamtabtastperiode für
die Subroutine von 5a und 5b;
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7 die
individuelle Abtastperiode der Subroutine der 5a und 5b;
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8 ein
Hardware-Blockdiagramm eines Rauchmelders gemäß einer zweiten Ausgestaltung der
vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die
vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf bevorzugte Ausgestaltungen
von Geräten
zum Erkennen von hörbaren
Rauchmelderalarmen erörtert. Spezielle
Details werden dargelegt, um ein tief greifendes Verständnis der
vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Die hierin erörterten
bevorzugten Ausgestaltungen sind nicht als die Erfindung begrenzend
zu verstehen. Ferner wurden, um das Verständnis zu erleichtern, bestimmte
Verfahrensschritte als separate Schritte beschrieben; diese Schritte
sind jedoch nicht als unbedingt getrennt oder in ihrer Leistung
von einer bestimmten Reihenfolge abhängig anzusehen.
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Vor
1996 hatte der hörbare
Alarm bei Rauchmeldern Muster, die von Hersteller zu Hersteller
variierten. Einige hörbare
Alarme waren konstant, während
andere unterschiedliche intermittierende zeitliche Muster aufwiesen.
Nach 1996 hergestellte Rauchmelder müssen jedoch der Norm NFPA 72 (National
Fire Protection Association) entsprechen, die verlangt, dass Rauchmelder
hörbare
Alarmsignale mit dem in 1 gezeigten zeitlichen Muster
aussenden. Dieses Muster besteht aus drei Sätzen von kurzen Ein/Aus-Perioden,
gefolgt von einer längeren Ausschaltperiode.
Die Länge
der kurzen Ein- und Ausschaltperioden wird mit 0,5 Sekunden „cm" +/– 10%, gefolgt
von 0,5 Sekunden „aus" +/– 10% vorgegeben.
Die lange Ausschaltperiode wird mit 1,5 Sekunden +/– 10% vorgegeben.
Von Anmeldern mehrerer Rauchmelder durchgeführte Tests zeigen, dass die
meisten, aber nicht alle Melder diese Spezifikation erfüllen.
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Zusätzlich zum
zeitlichen Muster von 1 gibt die NFPA 72 auch vor,
dass hörbare
Alarmsignale für
den Betrieb im Privatmodus Folgendes haben müssen:
- – einen
Geräuschpegel
von mindestens 45 dBA bei 10 Fuß oder
mehr als 120 dBA in einem Mindesthörabstand von dem hörbaren Gerät;
- – den
höheren
aus einem Geräuschpegel
von wenigstens 15 dBA über
dem durchschnittlichen Umgebungsgeräuschpegel oder 5 dBA über dem
maximalen Geräuschpegel
mit einer Dauer von wenigstens 60 Sekunden, gemessen 5 Fuß über dem
Boden.
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Für Schlafbereiche
gibt die NFPA 72 auch vor, dass hörbare Alarmsignale Folgendes
haben müssen:
- – den
höheren
aus einem Geräuschpegel
von wenigstens 15 dBA über
dem durchschnittlichen Umgebungsgeräuschpegel oder 5 dBA über dem
maximalen Geräuschpegel
mit einer Dauer von wenigstens 60 Sekunden oder einen Geräuschpegel von
wenigstens 70 dBA, gemessen auf Kopfkissenebene im Schlafbereich.
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Die
NFPA 72 gibt keine Frequenz des hörbaren Alarms vor. Die Anmelder
haben jedoch etwa 18 derzeit verfügbare Rauchmelder getestet
und festgestellt, dass der hörbare
Alarm bei den meisten nach 1996 hergestellten (sowie einigen vor
1996 hergestellten) Rauchmeldern gut definierte Frequenzspitzen
bei etwa 3200 Hz +/– etwa
10% sowie Spitzen bei entsprechenden Oberwellenfrequenzen haben. Die
Frequenz von 3200 Hz entspricht einem Ton, der für die meisten Menschen mit
normalem Gehör
leicht hörbar
ist. Ein beispielhafter Plot von Amplitude gegenüber Frequenz eines Alarms in
einem typischen Rauchmelder, in diesem Fall einem Rauchmelder des
Modells 0914 von Fire Sentry, durchgeführt in einer mit Schaumstoff
ausgelegten Box, ist in
2a dargestellt.
Ein Plot von Amplitude gegenüber
Frequenz für
denselben Melder in einer nicht ausgelegten Box ist in
2b dargestellt. Tabelle 2 zeigt eine Zusammenfassung
der Ergebnisse von 18 von den Anmeldern getesteten Rauchmeldern: Tabelle 2: Frequenzkennwerte üblicher
Rauchmelderalarme
| | Durchschnitt (Hz) | Max (Hz) | Min (Hz) | Reichweite (Hz) |
| Ohne Schaumstoff | | | | |
| 1.
Spitze | 3245 | 3445 | 3079 | 366 |
| 2.
Spitze | 6540 | 6885 | 6158 | 727 |
| 3.
Spitze | 9748 | 10314 | 9259 | 1055 |
| Mit Schaumstoff | | | | |
| 1.
Spitze | 3265 | 3445 | 3101 | 344 |
| 2.
Spitze | 6530 | 6869 | 6202 | 668 |
| 3.
Spitze | 9787 | 10314 | 9302 | 1012 |
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Da
viele Rauchmelderhersteller empfehlen, Rauchmelder nach etwa zehn
Jahren auszutauschen, nimmt die Zahl der noch in Betrieb befindlichen
Rauchmelder von vor 1996 rasch ab. Demgemäß wird die Erfindung vornehmlich
im Kontext der Erkennung von hörbaren
Alarmen von Rauchmeldern ab 1996 erörtert. Die Erfindung ist jedoch
nicht als darauf begrenzt anzusehen.
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3 illustriert
ein Gerät 300 zum
Erfassen eines hörbaren
Alarms eines Rauchmelders und zum Aktivieren eines zweiten Alarmgerätes gemäß einer Ausgestaltung
der Erfindung. Das Gerät 300 beinhaltet
ein Mikrofon 310 zum Erfassen von Umgebungsgeräuschen.
Das Mikrofon 310 ist bei Bedarf mit einem Verstärker 320 (in 3 gestrichelt
angedeutet) verbunden. Der Verstärker 320 ist
mit einem A/D-(Analog/Digital)-Wandler 330 verbunden,
um das analoge Signal vom Mikrofon 310 in ein das Umgebungsgeräusch repräsentierendes
digitales Signal umzuwandeln. Die digitalisierten Geräuschdaten vom
A/D-Wandler 330 werden in einen Prozessor 340 zur
Erkennung eines hörbaren
Rauchmelderalarms eingegeben. Der Prozessor 340 kann ein
Mikroprozessor, ein Digitalsignalprozessor oder ein Prozessor eines
beliebigen anderen Typs sein. Der Prozessor 340 ist zwar
in 3 durch eine einzelne Box illustriert, aber es
ist zu verstehen, dass der Prozessor 340 auch mehrere Bauelemente
umfassen kann. In einer Ausgestaltung beinhaltet der Prozessor 340 ein
dediziertes Bauelement zum Berechnen einer Fourier-Transformation
sowie einen Universal-Mikroprozessor. Ein Speicher 350 ist
mit dem Prozessor 340 verbunden.
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Der
Prozessor 340 wird von einer Stromquelle 360 gespeist.
In bevorzugten Ausgestaltungen ist die Stromquelle 360 eine
Batterie. Alternativ kann die Stromquelle einen Transformator und
Gleichrichter für
den Anschluss an einer Wechselstromquelle beinhalten. In noch anderen
Ausgestaltungen kann die Stromquelle 360 so gestaltet sein,
dass sie den Prozessor 340 in einer in der Technik gut
bekannten Weise mit Strom aus einer Wechselstromquelle speist, wenn
eine solche verfügbar
ist, und von einer Batterie, wenn keine Wechselstromquelle vorhanden
ist.
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Wenn
der Prozessor einen hörbaren
Alarm von einem Rauchmelder erfasst, dann gibt der Prozessor 340 ein
Signal an ein Alarmgerät 370 aus. Das
Alarmgerät 370 ist
in bevorzugten Ausgestaltungen ein taktiler Alarm. Zu den taktilen
Alarmen, die mit der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen können, gehören eine
vibrierende Uhr, ein vibrierender Pager und Bettrüttler, einschließlich dem
Super Bed Vibrator und dem regulierbaren Super Bed Vibrator, der
unter der Marke SONIC ALERT® erhältlich ist. Der Super Vibrator
hat einen Durchmesser von 3,5 Zoll, eine Dicke von 1,25 Zoll und
beinhaltet eine unausgewuchtete Masse und einen Motor. Dieses Gerät kann unter
einer Matraze oder einem Kopfkissen platziert werden. Es können auch
andere taktile Alarme verwendet werden.
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4 ist
ein Fließschema 400 der
vom Prozessor 340 in einer Ausgestaltung der Erfindung
ausgeführten
Verarbeitung. Das Umgebungsgeräusch wird
in Schritt 402 mit dem Mikrofon 310 für eine Zeitperiode
abgetastet. Als Zeitperiode wird in einigen Ausgestaltungen 2 sec
gewählt.
Diese Periode wird so gewählt,
dass, die in der Norm NFPA 72 vorgegebene lange Ausschaltperiode
von 1,5 sec überschritten
wird. Der Prozessor 340 führt in Schritt 403 eine Fourier-Transformation
an den vom A/D-Wandler 330 ausgegebenen
digitalen Geräuschdaten
aus. Als Nächstes
werden die Daten in Schritt 404 gefiltert, indem Daten
mit Frequenzen unter einem unteren Frequenzschwellenwert eliminiert
werden. Die Fachperson wird erkennen, dass der Filterungsschritt
durch Einbauen eines Hochpass-Analogfilters vor dem MD-Wandler 330 ersetzt
werden könnte.
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Nach
dem Filtern der Daten in Schritt 404 wird in Schritt 406 eine
maximale Amplitude der gefilterten Daten ermittelt. Wenn diese maximale
Amplitude eine Frequenz hat, die der erwarteten Frequenz eines Rauchmelderalarms
entspricht – d.h.
3200 Hz +/– 10%
(2880–3520
Hz) in Schritt 408, dann wird in Schritt 410 in
eine Erfassungsroutine gegangen. Wenn die Erfassungsroutine komplett
ist oder wenn die in Schritt 406 identifizierte Spitze
in Schritt 408 nicht auf der richtigen Frequenz ist (was
bedeutet, dass ein anderes Gerät
als ein Rauchmelder gerade das lauteste Geräusch macht), dann verzögert der Prozessor 340 für eine Zeitperiode
in Schritt 412 und Schritt 402 wird wiederholt.
In bevorzugten Ausgestaltungen beträgt die Verzögerungsperiode in Schritt 412 10
Sekunden.
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Die
im Fließschema 400 von 4 illustrierte
Routine dient als Überwachungsroutine,
die periodisch ablauft, um zu ermitteln, ob es möglich ist, dass ein Rauchmelderalarm
ertönt. „Periodisch" bedeutet in diesem
Zusammenhang von Zeit zu Zeit und beinhaltet das Abarbeiten der
Routine in festen und variierenden Intervallen. Die Wahl einer 2-Sekunden-Überwachungsperiode
und einer 10-Sekunden-Verzögerungsperiode
entspricht einem Arbeitszyklus von etwa 17%. Alternativ könnte anstatt
einer kontinuierlichen 2-Sekunden-Überwachungsperiode eine Reihe
kürzerer
Abtastungen, die über
ein Intervall beabstandet werden, das länger ist als die „Aus"-Periode von 1,5 sec (oder die längste Ausschaltperiode
im zeitlichen Zielmuster), eingesetzt werden. Die periodische Überwachungsmethode
erfolgt anstatt der kontinuierlichen Überwachung, um Strom zu sparen,
was besonders bei batteriegespeisten Geräten wichtig ist. In anderen
Ausgestaltungen der Erfindung, wie z.B. denen, die mit konventionellem
Haushaltswechselstrom aus einer Wandsteckdose gespeist werden, kann
diese Überwachungsroutine 400 wegfallen
und die Erfassungsroutine 410 kann kontinuierlich ausgeführt werden.
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Details
der Überwachungsroutine 410 sind
in den 5a und 5b illustriert.
Die Routine beginnt mit dem Abtasten des Umgebungsgeräusches für eine kurze
Zeitperiode in Schritt 502. In einigen Ausgestaltungen
beträgt
diese Abtastperiode 50 ms. Die Mindestlänge der Abtastperiode sollte
so gewählt werden,
dass die Zahl der genommenen Proben ausreicht, um eine gute Frequenzauflösung von
einer Fourier-Transformation
der Daten zu erhalten; somit ist die Mindestlänge der Abtastperiode von der
Abtastrate der Hardware abhängig.
Der Prozessor 340 konvertiert die Probe in die Frequenzdomäne mittels der
Fourier-Transformation in Schritt 504 und die Probe wird
in Schritt 506 hochpassgefiltert, indem Daten unterhalb
einer Frequenzschwelle ausgeschlossen werden (in bevorzugten Ausgestaltungen 500
Hz). Als Nächstes
wird in Schritt 508 die Frequenz der Spitzenamplitude ermittelt.
Wenn die Spitzenamplitude auf der erwarteten Frequenz eines Rauchmelderalarms
ist (3200 Hz +/– 10%
oder 2880–3520
Hz wie oben), dann wird in Schritt 512 ein entsprechendes
Bit in einer Spitzenfrequenz-Array im Speicher 350 gesetzt;
ansonsten bleibt das entsprechende Bit „0". Die Spitzenfrequenz-Array ist vorzugsweise
eine eindimensionale Reihe von Bits mit einer Gesamtzahl von Bits,
die gleich der Gesamtzahl der Proben (z.B. 12) in der gesamten Abtastperiode
ist. Nach Schritt 512 (oder nach Schritt 510,
wenn die Frequenz der Spitzenamplitude in Schritt 510 nicht
auf der erwarteten Frequenz eines Rauchmelderalarms ist), wird die
Spitzenamplitude für
die Probe in Schritt 514 im Speicher aufgezeichnet.
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Wie
nachfolgend näher
erörtert
wird, wird die Spitzenfrequenz-Array mit einer Spitzenamplituden-Array
korreliert und dann mit einem erwarteten zeitlichen Muster verglichen.
Dadurch wird gewährleistet,
dass die Spitzenfrequenzen für
jede „Ein"- Periode des NFPA 72 Musters mit der
erwarteten Frequenz des hörbaren
Rauchmelderalarms übereinstimmt.
Es ist nicht wichtig, ob die Frequenz der Amplitudenspitzen in „Aus"-Perioden auf der
Zielfrequenz ist oder nicht, und eine „Aus"-Periode, die eine Spitzenfrequenz auf
der Zielfrequenz des Rauchmelderalarms hat, führt nicht zu keiner Übereinstimmungsdeklaration,
weil es möglich
ist, dass das Umgebungsgeräusch
eine Spitze mit derselben Frequenz wie der Rauchmelderalarm während einer „Aus"-Periode hat.
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Wenn
in Schritt 514 noch keine gewünschte Anzahl von Proben genommen
wurde, dann verzögert
der Prozessor 340 für
eine Zeitperiode in Schritt 518 und es wird eine weitere
Probe in Schritt 502 genommen. In bevorzugten Ausgestaltungen
wird eine Verzögerungsperiode
von 0,5 sec seit dem Start der letzten Abtastperiode gewählt, was
der „Ein"- und der „Aus"-Periode von jeweils
0,5 sec des von NFPA 72 verlangten zeitlichen Musters entspricht.
Als Gesamtzahl der Proben wird in bevorzugten Ausgestaltungen 12
gewählt,
was angesichts des Halbsekundenabstands zwischen Abtastperioden
einer Gesamtabtastperiode von 5,5 sec entspricht. Wie in 6 illustriert,
entsprechen fünfeinhalb
Sekunden der Mindestzeitmenge, die notwendig ist, um zu gewährleisten,
dass die drei „Ein"-Perioden und die
lange „Aus"-Periode, wie von
der NFPA 72 verlangt, sowie eine zusätzliche „Ein"-Periode innerhalb der Gesamtabtastperiode
liegen. 7 illustriert die 12 Abtastperioden,
die über
ein mögliches
hörbares
Alarmsignal gelegt werden.
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Nun
zurück
zu 5a, sobald die gewünschte Anzahl Proben für eine Gesamtabtastperiode
in Schritt 516 genommen wurde, wird in Schritt 518 die maximale
Amplitude aller Proben in der Gesamtperiode ermittelt. Als Nächstes wird
in Schritt 520 ein Amplitudenschwellenwert auf der Basis
der maximalen Amplitude festgelegt. Der Amplitudenschwellenwert dient
zum Ermitteln der einem „Ein"-Zustand entsprechenden
Schwellenamplitude. In einigen Ausgestaltungen wird die Schwellenamplitude
mit 80% der Maximalamplitude gewählt.
Die Amplitudenschwelle ist von der erwarteten Amplitude der Varianz
der Quelle abhängig
(d.h. dem hörbaren
Alarm des Rauchmelders). So kann sich die Amplitudenschwelle je
nach dem Umfeld von „Ziel"-Rauchmeldern und einer gewünschten
Fehlalarmrate unterscheiden.
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Es
sei bemerkt, dass das Einstellen einer Amplitudenschwelle in Abhängigkeit
von einer Maximalschwelle als ein wichtiger Aspekt der Fehlalarmregelung
der vorliegenden Erfindung angesehen wird. Bei dieser Wahl des Schwellenwertes
wird erkannt, dass die maximale Amplitude eines Rauchmelderalarms
nicht bekannt ist, weil die maximale Amplitude in Abhängigkeit
vom Quadrat der Distanz zwischen dem Gerät 300 und dem Rauchmelder
variiert, aber dass die maximale Amplitude im Allgemeinen in „Ein"-Perioden gleich
ist, weil der Rauchmelderalarm in „Ein"-Perioden auf einem konstanten Pegel
ist und die Distanz zwischen dem Gerät 300 und dem Rauchmelder
sich im Allgemeinen nicht ändert. Es
ist auch zu bemerken, dass die Amplitudenschwelle in Abhängigkeit
von der maximalen Amplitude anstatt in Abhängigkeit von Maximalamplitude
relativ zu Rauschen oder Signal zu Rauschen gewählt wird, weil sich Hintergrundrauschen ändern kann
und daher der Signalabstand nicht konstant wäre, obwohl die Amplitude des
Rauchmelderalarms konstant ist. Diese Amplitudenschwelle spielt
eine wichtige Rolle bei der Verhütung
von Fehlalarmen, weil sie hilft, Rauchmelderalarme von anderen Geräten mit
intermittierenden Tönen
zu unterscheiden, deren Amplituden variieren, wie z.B. ein Fernsehapparat.
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Nach
dem Ermitteln der Schwellenamplitude in Schritt
520 wird
das entsprechende Bit in einer Spitzenamplituden-Array für jede Probe
gesetzt, in dem die maximale Amplitude die Schwellenamplitude in
Schritt
522 übersteigt.
Die Spitzenamplituden-Array, wie die Spitzenfrequenz-Array, ist
vorzugsweise eine eindimensionale Reihe von Bits, wobei die Gesamtzahl
von Bits gleich der Gesamtzahl der Probe (z.B. 12) in der gesamten
Abtastperiode ist. Man nehme z.B. an, die in der gesamten Abtastperiode
erfassten maximalen Amplituden seien wie folgt:
| Probe | Max.
Amp |
| 1 | 9,3 |
| 2 | 1,0 |
| 3 | 9,1 |
| 4 | 2,1 |
| 5 | 9,4 |
| 6 | 0,2 |
| 7 | 0,4 |
| 8 | 0,8 |
| 9 | 9,4 |
| 10 | 1,1 |
| 11 | 9,5 |
| 12 | 1,0 |
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In
diesem Fall war die maximale Amplitude 9,5. Die Amplitudenschwelle
wäre 9,5·0,80 =
7,6. Somit übersteigen
nur die Amplituden in den Proben 1, 3, 5, 9 und 11 den Schwellenwert
und die resultierende Spitzenamplituden-Array wäre 101010001010.
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In
einigen Ausgestaltungen gibt es einen unteren Grenzwert, unterhalb
dessen die Amplitudenschwelle nicht eingestellt werden kann. Dieser
untere Grenzwert entspricht den von der NFPA 72 geforderten 15 dB über dem
Umgebungsgeräuschpegel.
Dieses Minimum von 15 dB geht jedoch davon aus, dass die korrekte
Anzahl von Rauchmeldern für
das Gebäude
installiert wurde (d.h. ein Rauchmelder befindet sich innerhalb
der maximal zulässigen
Distanz). In anderen Ausgestaltungen beträgt das Minimum nur 10 dB, um
solche nicht standardmäßigen Installationen
zu berücksichtigen.
Diese Mindestamplitudenschwelle stellt sicher, dass Fehlalarme nicht
von Umgebungsgeräuschen
ausgelöst
werden.
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Als
Nächstes
wird die Spitzenamplituden-Array in Schritt 524 mit der
Spitzenfrequenz-Array korreliert. Wie oben erörtert, ist die Spitzenfrequenz-Array
eine Reihe von Bits mit einer 1 für jede Probe, in der die maximale
Amplitude einer Frequenz von 3200 Hz entspricht. In bevorzugten
Ausgestaltungen umfasst die Korrelation eine bitweise AND-Verbindung von
Spitzenfrequenz-Array und Spitzenamplituden-Array. Die korrelierte
Array, die auch eine eindimensionale Reihe mit einer Reihe von Bits
sein kann, die gleich der Anzahl der Proben ist, hat ein Bit für jede Probe
gesetzt, in der die Spitzenamplitude die Amplitudenschwelle übersteigt
UND in der die Spitzenamplitude auf einer Frequenz ist, die mit
der erwarteten Frequenz des Rauchmelders übereinstimmt, nämlich etwa
3200 Hz. In einer geräuscharmen
Umgebung können
Spitzenfrequenz- und Spitzenamplituden-Array übereinstimmen. Dies ist aber nicht
immer der Fall. So haben beispielsweise von den Anmeldern ausgeführte tatsächliche
Tests offenbart, dass die Spitzenfrequenz-Array Bits für Proben gesetzt
haben kann, wo die Spitzenamplituden-Array dies nicht hat. Es heißt, dies
sei auf schwache Echos von „Ein"-Perioden zurückzuführen, die
natürlich
dieselbe Frequenz haben wie der Rauchmelderalarm, die in „Aus"-Perioden im zeitlichen
Muster gemäß NFPA 72
erfasst werden. Die Korrelation der Spitzenfrequenz-Array mit der
Spitzenamplituden-Array verhindert, dass diese Echos als „Ein"-Signale fehlinterpretiert
werden.
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Die
korrelierte Array wird dann in Schritt 526 mit dem zeitlichen
Muster der NFPA 72 verglichen. Wie oben erörtert, wird die Gesamtabtastperiode
so gewählt,
dass es wenigstens vier „Ein"-Perioden des zeitlichen
Musters von NFPA 72 gibt. Drei der vier „Ein"-Perioden werden durch 0,5 sec „Aus"-Perioden getrennt;
die andere „Ein"-Periode wird durch die 1,5 sec „Aus"-Periode getrennt.
Wo jedoch drei „Ein"-Perioden vorangehen,
da ist die vierte „Ein"-Periode nicht bekannt.
So lauten die beiden möglichen
Muster, die diesen vier „Ein"-Perioden entsprechen,
wie folgt (wobei Einsen „ein" und Nullen „aus" repräsentieren:
(a) 100010101 oder (b) 101010001. Daher wird jedes dieser beiden
möglichen
9-Bit-Muster mit der korrelierten 12-Bit-Array an Startpositionen
der 12-Bit-Array am ersten, zweiten, dritten und vierten Bit verglichen
(mit anderen Worten, das Muster kann an einem beliebigen der ersten
vier Bits in der korrelierten Array beginnen). Wenn eines der Muster
in Schritt 526 in der korrelierten Array gefunden wird, dann
wird in Schritt 528 das Warngerät aktiviert.
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Im
Gegensatz zur Spitzenfrequenz-Array ist es wichtig, dass die Spitzenamplituden-Array
während
den Proben „aus" anzeigt, die den „Aus"-Perioden im zeitlichen
Muster gemäß NFPA 72
entsprechen. Das UND-Verbinden der Spitzenfrequenz-Array (für die der
Zustand von Proben, die der „Aus"-Periode entsprechen,
unwichtig ist) mit der Spitzenamplituden-Array vereinfacht den Vergleich der
beiden Arrays mit dem NFPA-Zeitmuster.
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Es
ist zu bemerken, dass diese beiden Muster mehr als eine volle „Periode" des von der NFPA 72
geforderten Musters enthalten. Das heißt, eine volle Periode des
Musters gemäß NFPA 72
beinhaltet nur drei „Ein"-Perioden. Die vierte „Ein"-Periode in den obigen
Muster, die einer zweiten Periode des NFPA 72 Musters entspricht,
soll ein zusätzliches Maß an Fehlalarmverhütung bereitstellen.
In einigen Ausgestaltungen ist die vierte „Ein"-Periode nicht in den Zielmustern enthalten.
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Wenn
sich das Muster in Schritt 526 nicht in der korrelierten
Array befindet, dann wird eine Gesamtzahl von Versuchen in Schritt 530 mit
einem Schwellenwert der Gesamtkorrelationsversuche verglichen. In
bevorzugten Ausgestaltungen wird als Schwellenwert für die Gesamtkorrelationsversuche 10
gewählt.
So versucht der Prozessor 340, das zeitliche Muster über 10 Fünfeinhalb-Sekunden-Perioden
für insgesamt
55 sec oder etwa 1 min zu finden. Wenn der Schwellenwert der Gesamtkorrelationsversuche
in Schritt 530 noch nicht erreicht ist, werden die Schritte 502 ff.
wiederholt. Ist der Schwellenwert der Gesamtkorrelationsversuche
in Schritt 530 erreicht, endet die Subroutine und die Steuerung
kehrt zu Schritt 412 zurück (4).
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Wie
oben erörtert,
kann das Gerät 300 auch zum
Erfassen von Rauchmeldern vor 1996 verwendet werden. So geben beispielsweise
einige Rauchmelder vor 1996 hörbare
Alarme mit zeitlichen Muster bestehend aus einer Reihe von Ein-
und Aus-Impulsen ab. Um solche Rauchmelder zu erfassen, wird die
Abtastrate so eingestellt, dass sie die zeitliche Folge der Ein/Aus-Impulse
aufnimmt, und das Muster von Schritt 526 wird auf eine
abwechselnde Serie von Einsen und Nullen geändert. Andere Rauchmelder vor
1996 geben kontinuierliche Töne
ab. Für
solche Melder wird das Muster auf eine Reihe von Einsen geändert. Eine
Reihe von Einsen, anstatt einer einzigen 1 (d.h. eine einzige Probe
mit einer Amplitude über
der Amplitudenschwelle) dient zum Gewährleisten, dass die Dauer jedes
Signals lang genug ist, um zu verhindern, dass kurzzeitige Töne (z.B.
von einem Fernseher) mit einem hörbaren
Rauchmelderalarm verwechselt werden.
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8 illustriert
einen Rauchmelder 800 gemäß einer zweiten Ausgestaltung
der Erfindung. Der Rauchmelder 800 ist für die Montage
an der Wand oder der Decke ähnlich
wie ein herkömmlicher Rauchmelder
geeignet. Wie jedoch unten ausführlicher
erörtert
wird, ist der Rauchmelder 800 so gestaltet, dass er eine
Aktivierung von Station zu Station sowie eine Aktivierung eines
taktilen Fernalarms bereitstellt.
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Der
Rauchmelder 800 beinhaltet ein mit einem Verstärker 820 verbundenes
Mikrofon 810. Der Verstärker 820 ist
mit einem A/D-Wandler 830 verbunden. Der A/D-Wandler 830 ist
mit dem Prozessor 840 verbunden. Der Prozessor 840 ist
zum Erkennen eines hörbaren
Alarms in den digitalisierten Tonproben vom A/D-Wandler 830 in
der oben erörterten Weise
konfiguriert. Ebenso haben der Speicher 850 und die Stromquelle 860 dieselben
Funktionen wie der Speicher 350 und die Stromquelle 360 von 3.
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Der
Rauchmelder 800 beinhaltet ferner eine Rauchmelderschaltung 805,
die mit dem Prozessor 840 verbunden ist. Die Rauchmelderschaltung
kann von einem beliebigen in der Technik bekannten herkömmlichen
Typ sein. Mit dem Prozessor 840 ist auch ein Transceiver 880 verbunden
(gewöhnlich
ein RF-Transceiver), der mit anderen Rauchmeldern kommunizieren
kann (in 8 nicht dargestellt). Wenn der
Prozessor 840 einen hörbaren
Alarm von einem anderen Rauchmelder (in 8 nicht
gezeigt) erkennt oder wenn die Rauchmelderschaltung 805 einen
Brand erfasst oder wenn eine Aktivierung von einem anderen Rauchmelder über den
Transceiver 880 empfangen wird, dann lässt der Prozessor 840 den
hörbaren
(und/oder visuellen) Alarm 895 ertönen.
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Zusätzlich sendet
der Prozessor 840 eine Aktivierungsmeldung zu einem taktilen
Alarmgerät 870 und
eventuellen zusätzlichen
Rauchmeldern 890 aus.
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Der
Prozessor 840 des Rauchmelders 800 aktiviert Alarmgeräte 870 und 895,
wenn eine Aktivierungsmeldung von einem anderen Rauchmelder über den
Transceiver 880 empfangen wird oder wenn ein anderer hörbarer Rauchmelderalarm
erfasst wird. In alternativen Ausgestaltungen müssen beide Bedingungen erfüllt sein,
bevor die Alarmgeräte 870 und 895 aktiviert
werden. Dies hilft dabei, Fehlalarme zu reduzieren; es macht jedoch
den Detektor 800 empfindlicher gegenüber RF- oder Schallinterferenzen.
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Die
Fachperson wird verstehen, dass die Übertragung einer Aktivierungsmeldung
nach dem Empfang einer Aktivierungsmeldung von einem anderen Melder
wünschenswert
ist, weil so der Melder 800 als Relais in Fällen dienen
kann, in denen drei oder mehr Melder an einem Ort installiert sind.
So kann beispielsweise ein erster Rauchmelder eine Aktivierungsmeldung übertragen,
die vom Melder 800 empfangen, von einem dritten Rauchmelder
aber nicht empfangen wird. In einem solchen Fall kann die vom Melder 800 nach
dem Empfang der Aktivierungsmeldung übertragene Aktivierungsmeldung vom
ersten Melder den dritten Melder erreichen.
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Es
ist zu verstehen, dass der Rauchmelder 800 in einigen Ausgestaltungen
möglicherweise
nicht alle Komponenten von 8 beinhaltet.
So braucht beispielsweise der Rauchmelder 800 nicht mit
einem taktilen Alarmgerät 870 verwendet
zu werden, wenn eine Alarmierung von hörbehinderten Personen nicht notwendig
ist. Solche Ausgestaltungen können zwecks
Bereitstellung einer Aktivierung von Station zu Station verwendet
werden, ohne dass eine Festverdrahtung erforderlich ist. Ferner
beinhalten solche Ausgestaltungen möglicherweise kein Mikrofon 810, keinen
Verstärker 820 und
keinen A/D-Wandler 830 zum Erfassen von hörbaren Alarmen
von anderen Meldern, sondern verlassen sich stattdessen auf ein RF-Aktivierungssignal
von einem anderen Melder und einer anderen Rauchmelderschaltung 805 zum Auslösen der
Aktivierung. Alternativ sind andere Ausgestaltungen nicht zum Empfangen
eines Aktivierungsgerätes
von anderen Meldern über
den Transceiver 880 ausgestaltet und verlassen sich stattdessen
auf eine Rauchmelderschaltung 805 und/oder die Erfassung
von hörbaren
Alarmen von anderen Meldern zum Auslösen eines hörbaren Alarms 895 und
eines taktilen Alarms 870.
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Während die
Erfindung mit Bezug auf bestimmte spezifische Ausgestaltungen von
Rauchmeldern sowie Verfahren und Vorrichtungen zum Erfassen von
hörbaren
Rauchmelderalarmen beschrieben wurde, wird man verstehen, dass viele
Modifikationen und Änderungen
von der Fachperson vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung
gemäß Definition
in den beiliegenden Ansprüchen
abzuweichen.