一種智能化主動消防系統(tǒng)的研究

王慶娟，周肖樹，趙刃

（1.北京理工大學(xué)珠海學(xué)院，廣東 珠海 519088；2.珠海邁克芬科技有限公司，廣東 珠海 519031）

0 引 言

近幾年，各類火災(zāi)事故頻發(fā)，嚴重威脅著人民群眾的生命財產(chǎn)安全。為此，針對大型商業(yè)綜合體、火災(zāi)重點單位、火災(zāi)高危單位、較小場所等采取更加嚴格的消防安全管控措施，以減少火災(zāi)隱患，降低火災(zāi)風(fēng)險，在推動消防設(shè)備市場發(fā)展的同時，也對消防設(shè)備自動化和消防物聯(lián)網(wǎng)平臺的智能化提出了更高的要求。

火災(zāi)預(yù)防和早期撲滅是消防滅火所追求的目標。當(dāng)前的火災(zāi)探測設(shè)備主要以煙感為主，建筑內(nèi)的滅火裝置多為噴淋裝置，煙感屬被動探測，火災(zāi)發(fā)生后，煙霧上升進入煙感傳感器，達到一定濃度時才能觸發(fā)煙霧報警，因此煙霧報警延遲較高，往往在相關(guān)人員接到煙霧報警時火勢已經(jīng)蔓延成大火。噴淋裝置一般是在火災(zāi)發(fā)生后，室內(nèi)溫度上升到一定程度才能爆破噴淋，噴淋滅火方式是大面積散射式滅火，起不到精準滅火的目的。并且煙感傳感器的報警可靠性向來不是太高?？梢钥闯霎?dāng)前的火災(zāi)報警和滅火處理系統(tǒng)存在很大的漏洞，不能從根本上解決火災(zāi)的預(yù)防和早期滅火問題。

為此，本文開發(fā)一種智能化主動消防系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在火災(zāi)將要發(fā)生時及時給出預(yù)警，在火災(zāi)發(fā)生的初期迅速探測起火點的位置，并啟動主動滅火系統(tǒng)，進行精準滅火。在火災(zāi)發(fā)生的初期迅速撲滅，這樣不僅可以降低火災(zāi)的損失，同時由于火勢較小，滅火成本也會很低，做到消滅火災(zāi)于萌芽狀態(tài)。

1 消防系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計

智能化主動消防系統(tǒng)由消防機器人、主動探測系統(tǒng)和信息調(diào)度平臺三個部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

主動探測系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)對環(huán)境溫濕度、煙霧狀態(tài)和火焰狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)傳入信息調(diào)度平臺。消防機器人安裝有具備火焰識別功能的視頻設(shè)備和滅火裝置，并通過Wi-Fi模塊與平臺通信。信息調(diào)度平臺負責(zé)對環(huán)境數(shù)據(jù)的顯示，并將主動探測系統(tǒng)上報的異常數(shù)據(jù)及位置信息轉(zhuǎn)發(fā)給消防機器人。

當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時，火災(zāi)發(fā)生地點附近的主動探測器將檢測到異常的環(huán)境數(shù)據(jù)，探測器將某位置的環(huán)境數(shù)據(jù)上報給信息監(jiān)控系統(tǒng)，同時發(fā)出聲光報警。信息監(jiān)控系統(tǒng)會將火災(zāi)發(fā)生的地點等數(shù)據(jù)通過Wi-Fi模塊傳輸給機器人，機器人接收到數(shù)據(jù)后，會迅速規(guī)劃路徑，移動到指定的火災(zāi)地點。機器人在移動的過程中會以超聲波傳感器避障，同時開啟視覺識別模塊，進行火焰的二次確認。機器人的視覺識別模塊識別到火焰并完成定位后，控制噴頭對準火源方向進行滅火操作。

圖1 消防系統(tǒng)框圖

2 主動探測系統(tǒng)

主動探測系統(tǒng)由上位機和下位機組成，下位機的硬件部分主要由ZigBee無線模塊、溫濕度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌熿F傳感器和聲光報警模塊組成。本網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器和多個終端設(shè)備組成，采用星狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，如圖2所示。每一個終端設(shè)備都搭載三種傳感器和聲光報警電路，協(xié)調(diào)器和上位機之間通過串口傳輸，上位機使用LabVIEW完成串口數(shù)據(jù)解析與存儲。

圖2 主動探測系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 下位機的設(shè)計

選擇TI公司的CC2530F256芯片作為無線網(wǎng)絡(luò)的核心處理器，集成了51單片機的內(nèi)核，具有256 kB閃存和8kB RAM的Zigbee，符合IEEE 802.15.4標準。CC2530片上系統(tǒng)結(jié)合了TI公司的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack，提供一個強大和完整的ZigBee解決方案。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在三種邏輯設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。在星型網(wǎng)絡(luò)中以協(xié)調(diào)器為中心，所有設(shè)備只能與協(xié)調(diào)器進行通信。

在本次實驗中共使用三個終端設(shè)備進行環(huán)境火災(zāi)狀態(tài)的主動探測。每一個終端設(shè)備都由一塊CC2530搭載三種不同的傳感器構(gòu)成，利用Zigbee對系統(tǒng)中的各終端設(shè)備及協(xié)調(diào)器完成組網(wǎng)，程序流程如圖3所示。

協(xié)調(diào)器創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)后，按照一定算法為加入其網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點分配地址，完成ZigBee組網(wǎng)。組網(wǎng)成功后，在確認傳感器正常工作的情況下，開始對環(huán)境狀態(tài)進行實時監(jiān)測，系統(tǒng)檢測到的數(shù)據(jù)會實時上報給信息調(diào)度平臺進行展示，同時對采集到的三種傳感器數(shù)據(jù)做出判斷，如有數(shù)據(jù)超過相應(yīng)的閾值，則將發(fā)出火情報警聲光信號，并將異常數(shù)據(jù)上報給信息調(diào)度平臺。在上報的信息中除了終端設(shè)備標定的坐標信息外，還包括預(yù)估的火源坐標信息。

圖3 主動探測系統(tǒng)軟件流程圖

本文使用近紅外火焰探測器進行火焰檢測，同時測得環(huán)境的溫濕度和煙霧數(shù)據(jù)，對三種傳感器數(shù)據(jù)進行分析后預(yù)判火情，以提高探測的及時性和準確度?；鹧嫣綔y器由一組五個對稱分布的近紅外火焰?zhèn)鞲衅鳂?gòu)成，探測波段為760 nm～1 100 nm的近紅外波段。通過讀取傳感器的數(shù)據(jù)來判定著火點的方向，當(dāng)監(jiān)控范圍內(nèi)某一方位突然出現(xiàn)較強信號時，判斷出該方位可能出現(xiàn)火情，此時該探測器將會通過信息調(diào)度平臺轉(zhuǎn)發(fā)火焰報警信息及位置信息給消防機器人。

實驗?zāi)Ｐ蜆訖C的設(shè)計中使用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器來采集環(huán)境中的溫濕度數(shù)據(jù)。它采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的穩(wěn)定性。溫濕度傳感器都是在極為精確的濕度校驗室中進行校準，校準系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在對檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù)。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接，采用單線制串行接口，系統(tǒng)集成便捷。但是DHT11的測溫范圍較小，在真機設(shè)計中將替換成動態(tài)范圍更大的傳感器（如SHT31）。

煙霧傳感器為MQ-2，內(nèi)部采用離子式N型半導(dǎo)體，處于200～300 ℃時，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當(dāng)煙霧傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，煙霧傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。利用這一點就可以獲得這種煙霧存在的信息，煙霧的濃度越大，導(dǎo)電率越高，輸出電阻越低，輸出的電壓值越大。

MQ-2型傳感器對天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其是對烷類煙霧更為敏感，具有良好的抗干擾性，可準確排除有刺激性非可燃性煙霧的干擾信息。MQ-2可輸出模擬信號和數(shù)字信號，本設(shè)計使用模擬信號讀入，在程序內(nèi)增加閾值判斷功能，進行報警處理。

協(xié)調(diào)器中負責(zé)把各終端設(shè)備上報的傳感器數(shù)據(jù)通過串口轉(zhuǎn)發(fā)至上位機。

2.2 上位機的設(shè)計

當(dāng)上位機接收到下位機發(fā)來的數(shù)據(jù)后，解析和處理數(shù)據(jù)，并可視化傳感器的數(shù)據(jù)。如有異常節(jié)點數(shù)據(jù)上報，確定數(shù)據(jù)庫中是否存在該異常節(jié)點的信息，若沒有，則將異常節(jié)點數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫。

如圖4所示為上位機交互界面，在測試中以編號001號的終端設(shè)備檢測到火焰為例，當(dāng)該設(shè)備的第一路火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到火焰時，在上位機中會顯示該設(shè)備的標定位置坐標、火源坐標和當(dāng)前的溫濕度數(shù)值和煙霧狀態(tài)，并發(fā)送至數(shù)據(jù)庫中。在上位機中設(shè)置了顯示串口數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。

圖4 主動探測系統(tǒng)上位機界面

3 消防機器人

消防機器人以NI公司的myRIO為核心控制器，基于圖像化編程平臺LabVIEW進行開發(fā)，通過Wi-Fi模塊實現(xiàn)與平臺的數(shù)據(jù)通信，主要由運動控制和視覺識別兩個模塊構(gòu)成。

3.1 機器人運動控制模塊

運動控制模塊設(shè)置了手動和自動兩種模式。在手動模式下，可以通過信息調(diào)度平臺遠程控制機器人的運動，借助攝像頭觀察周圍環(huán)境，通過傳輸?shù)囊曨l判斷火源的位置，并手動開啟滅火裝置實現(xiàn)滅火操作。

自動模式中包括自主避障、運動控制、狀態(tài)監(jiān)測和系統(tǒng)任務(wù)管理四個功能子模塊。自主避障通過分析超聲波傳感器的數(shù)據(jù)實現(xiàn)；運動控制通過對電機、舵機、水泵和全向輪的控制實現(xiàn)，從而設(shè)計了自主路徑規(guī)劃、自動精準滅火以及自主泊位和注水等功能；狀態(tài)監(jiān)測主要完成對攝像頭的控制，以及完成對機器人自身姿態(tài)、電壓值和水位狀態(tài)的監(jiān)測；系統(tǒng)任務(wù)管理完成遠程監(jiān)控與運動規(guī)劃的功能。

在自動模式下，主動探測系統(tǒng)檢測到火災(zāi)后，判斷報警點數(shù)量，當(dāng)只有一個報警點時，服務(wù)器會將火源地址信息告知鄰近的機器人，機器人接收到數(shù)據(jù)后會迅速地規(guī)劃路徑，并移動到指定的火災(zāi)地點。機器人在移動的過程中通過超聲波傳感器避障，同時打開視覺識別模塊進行火焰檢測和識別，完成火源定位后控制滅火裝置實現(xiàn)滅火操作。在水位低于閾值但火源依然存在的情況下，則通知臨近機器人前往增援。水位低于閾值的機器人則自動返回泊位補水。當(dāng)報警點多于一個時，調(diào)度平臺根據(jù)報警坐標與機器人的位置坐標進行匹配，按照就近原則指派機器人到達火源地點。

3.2 視覺識別

視覺識別的目的是對主動探測系統(tǒng)上報的火警信息進行二次確認，并通過將所得到的火焰坐標信息反饋給運動控制模塊執(zhí)行精準的滅火操作，以此提高滅火的效率。采用普通攝像頭對火焰進行檢測、識別和中心定位，使用NI VISON Assistant進行開發(fā)，根據(jù)火焰的顏色特征與圓形度兩大靜態(tài)特征對火焰進行識別。

首先獲取攝像頭圖像。火焰具有特殊的顏色分布規(guī)律，在圖像中調(diào)節(jié)RGB閾值分割出火焰輪廓，并完成圖像的二值化處理。二值化后的圖片包含較多的噪點，因此使用中值濾波器做平滑濾波處理。中值濾波器是一種非線性濾波器，它將領(lǐng)域內(nèi)所有像素值按由小到大的順序排列，取中間值作為中心像素點的輸出值。中值濾波器的主要優(yōu)點是算法簡單易于實現(xiàn)，在處理隨機噪聲和脈沖噪聲方面具有較好的效果。隨后依次對圖像做開運算和閉運算，去掉小的物體或空洞并平滑邊界。完成以上流程后得出火焰輪廓，最后通過計算火焰圓弧度求出火焰中心坐標，識別的測試效果如圖5所示。

圖5 火焰定位算法測試圖

4 信息調(diào)度平臺

信息調(diào)度平臺接收主動探測系統(tǒng)實時獲取的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)超過閾值時進行火災(zāi)報警，提醒用戶進行火災(zāi)處理。同時，平臺對消防機器人進行監(jiān)控，包括機器人的水箱水位、位置、電壓等，以實現(xiàn)實時故障報備。

5 系統(tǒng)測試

為測試本系統(tǒng)的功能和響應(yīng)時間，在十平米的實驗室內(nèi)部署三個終端設(shè)備進行實時探測，兩臺消防機器人等候信息調(diào)度平臺的控制。測試開始前為三個終端設(shè)備標定位置信息，為機器人指定泊位信息，以點燃的蠟燭作為火源，將蠟燭放置于某個區(qū)域，測試中系統(tǒng)各模塊運行正常，完成了預(yù)期的任務(wù)。測試表明從蠟燭點燃到被撲滅的過程只需30秒的時間。

6 結(jié) 論

本文設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的主動消防系統(tǒng)，其集火源探測、火災(zāi)預(yù)警、消防滅火、安防布控于一體，可精準定位火源；采用智能化消防系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)在線實時監(jiān)控和可視化操作；在發(fā)現(xiàn)火源后消防機器人采取滅火行為的時間小于30 s，可以很好地降低火災(zāi)的發(fā)生概率，降低消防成本。