歐廣源 馬書(shū)研 田麗平

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)與圖像識(shí)別技術(shù)的家庭消防系統(tǒng)。它主要由控制器、具有火焰圖像識(shí)別功能的旋轉(zhuǎn)攝像頭、水基型自動(dòng)噴射滅火器、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、電動(dòng)伸縮桿、環(huán)形電動(dòng)導(dǎo)軌及各類(lèi)傳感模塊組成，是一套緊湊、獨(dú)立、功能有別于當(dāng)今市面上各類(lèi)消防系統(tǒng)的家庭式全自動(dòng)消防系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了滅火裝置與判別裝置的有效聯(lián)動(dòng)，大大提高了系統(tǒng)的覆蓋范圍、準(zhǔn)確性與即時(shí)性，能更好地保障家庭安全。

關(guān)鍵詞：家庭消防系統(tǒng);單片機(jī);圖像識(shí)別;直線電動(dòng)軌道;水基型自動(dòng)噴射滅火器

中圖分類(lèi)號(hào)：TU855;TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）19-0018-03

Abstract： This paper designs a family fire protection system based on single chip microcomputer and image recognition technology. It is mainly composed of controller， rotating camera with flame image recognition function， water-based automatic sprinkler fire extinguisher， electric rotating mechanism， electric telescopic rod， annular electric guide rail and various sensing modules. It is a compact and independent system， The function is different from all kinds of fire-fighting systems in the market today. The system realizes the effective linkage between fire extinguishing device and discrimination device， greatly improves the coverage， accuracy and timeliness of the system， and can better ensure family safety.

Keywords： home fire protection system;singlechip;image recognition;eletric circular track;water based automatic sprinkler

目前，家庭火災(zāi)日趨增多，成因復(fù)雜，滅火難度大大增加，因家庭火災(zāi)造成的死亡人數(shù)逐漸增多。由此，家庭消防成為建筑安全的新趨勢(shì)。然而，目前市面上各類(lèi)全自動(dòng)消防系統(tǒng)不能很好地滿足家庭消防的需求，存在以下問(wèn)題：系統(tǒng)獨(dú)立性差，響應(yīng)遲緩;靈敏度低，一般啟動(dòng)滅火工作時(shí)，火勢(shì)已經(jīng)不可遏制，只能起到減緩火勢(shì)蔓延的作用;大劑量、大范圍地噴灑滅火劑，即使撲滅了火災(zāi)，也會(huì)給用戶帶來(lái)非常大的損失;主要針對(duì)大型建筑，維護(hù)成本高，多為噴淋水滅火[1-4]。因此，市場(chǎng)上的消防系統(tǒng)無(wú)法為家庭提供很好的防護(hù)，導(dǎo)致家庭火災(zāi)日漸增多，造成大量的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)與圖像識(shí)別技術(shù)的家庭消防系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守、自動(dòng)識(shí)別火災(zāi)，并能針對(duì)起火點(diǎn)進(jìn)行小范圍精確滅火。

1 總體設(shè)計(jì)

為了減少家庭火災(zāi)的發(fā)生，最大限度地確保人員生命及財(cái)產(chǎn)安全，為用戶提供一種準(zhǔn)確性更高、價(jià)格更低、安全性更高的產(chǎn)品，本文設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)與圖像識(shí)別技術(shù)的家庭消防系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件主要包括控制器、具有火焰圖像識(shí)別功能的旋轉(zhuǎn)攝像頭、電動(dòng)伸縮桿、水基型自動(dòng)噴射滅火器、傳感器、直線型電動(dòng)軌道、步進(jìn)電機(jī)、蓄電池以及電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使用24 V 不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）進(jìn)行供電，該系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

該系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。具體流程：具有火焰圖像識(shí)別功能的旋轉(zhuǎn)攝像頭工作，監(jiān)測(cè)環(huán)境是否產(chǎn)生火焰，若未監(jiān)測(cè)到火焰，則持續(xù)監(jiān)測(cè);若監(jiān)測(cè)到火焰，則啟動(dòng)直線型電動(dòng)導(dǎo)軌移動(dòng)滅火裝置靠近可以著火點(diǎn)，并啟動(dòng)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)正對(duì)可以著火點(diǎn)，同時(shí)啟動(dòng)電動(dòng)伸縮桿使傳感器、滅火噴射口靠近可疑著火點(diǎn);通過(guò)溫度檢測(cè)、煙霧檢測(cè)、有毒氣體檢測(cè)進(jìn)行二次確認(rèn)，若滿足一個(gè)或多個(gè)條件，則啟動(dòng)激光測(cè)距模塊，調(diào)整自動(dòng)噴射滅火器內(nèi)置回流型泵的壓力并打開(kāi)電磁閥進(jìn)行噴射滅火;當(dāng)攝像頭識(shí)別可疑著火點(diǎn)處無(wú)火焰后，系統(tǒng)復(fù)位，重新進(jìn)入正常監(jiān)測(cè)狀態(tài)。

2 系統(tǒng)各部分設(shè)計(jì)

2.1 控制器

控制器是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與指令發(fā)送中心。本研究選用STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制器主體。控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，處理數(shù)據(jù)速度快，工作穩(wěn)定，采用C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，易于設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[5-7]。

2.2 具有火焰圖像識(shí)別功能的旋轉(zhuǎn)攝像頭

具有火焰圖像識(shí)別功能的旋轉(zhuǎn)攝像頭一般安裝在房間或走廊頂部的對(duì)角位置，保證圖像采集范圍最大，覆蓋整個(gè)房間或走廊空間。一般設(shè)置兩個(gè)旋轉(zhuǎn)攝像頭，兩個(gè)攝像頭的圖像采集范圍可冗余交錯(cuò)。攝像頭需要連續(xù)工作采集圖像數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)主要通過(guò)以下兩種方法實(shí)現(xiàn)大范圍火焰圖像識(shí)別，并進(jìn)行火災(zāi)的第一次確認(rèn)。第一，火焰像素點(diǎn)的顏色主要分布在橙黃色到白色之間，故提前建立火焰顏色模型，對(duì)所采集的各圖像的像素點(diǎn)與火焰顏色模型進(jìn)行對(duì)比，以判斷環(huán)境中是否產(chǎn)生火焰。第二，根據(jù)火焰運(yùn)動(dòng)特征判斷。由于空氣的流動(dòng)，火焰的整體輪廓會(huì)隨著時(shí)間而持續(xù)改變，呈現(xiàn)一種抖動(dòng)的狀態(tài)，因此圖像中火焰的像素值會(huì)存在一定的時(shí)間變化率。攝像頭使用幀間差法檢測(cè)出火焰的時(shí)間變化率判斷是否產(chǎn)生火焰，即將連續(xù)采集的兩幀圖像直接相減以獲取圖像中像素值的變化，再與設(shè)定的火焰燃燒時(shí)圖像像素值變化范圍值進(jìn)行對(duì)比。

兩種判斷方法相結(jié)合使該攝像頭精度高且不受其他移動(dòng)目標(biāo)的干擾，確?；馂?zāi)一次確認(rèn)的準(zhǔn)確性。

2.3 電動(dòng)伸縮桿

雖然環(huán)形電動(dòng)軌道使進(jìn)行火災(zāi)二次確認(rèn)的傳感器與滅火裝置可以更加接近著火點(diǎn)，但目前家庭式商品房高度大概2.8 m，因此還需要額外安裝一個(gè)電動(dòng)伸縮桿，以確?？梢芍瘘c(diǎn)進(jìn)入傳感器的檢測(cè)范圍。電動(dòng)伸縮桿最大伸長(zhǎng)長(zhǎng)度為2.5 m，可在任意位置停止，自帶機(jī)鎖，伸縮桿到達(dá)底部會(huì)自動(dòng)停止，確保電機(jī)不會(huì)空燒，以確保傳感器探測(cè)到房間內(nèi)的每一個(gè)角落，實(shí)現(xiàn)探測(cè)范圍的全覆蓋。

2.4 水基型自動(dòng)噴射滅火器

水基型自動(dòng)噴射滅火器主要由儲(chǔ)存箱、電磁閥、加壓噴頭以及回流泵組成。儲(chǔ)存箱中儲(chǔ)存有數(shù)升水基型滅火劑，該滅火劑適用于油、電、氣和其他物質(zhì)引起的各類(lèi)火災(zāi)。電磁閥在回流泵達(dá)到足夠壓力前保持關(guān)閉狀態(tài)，以確保最大限度地節(jié)約使用滅火劑?；亓餍捅每梢酝ㄟ^(guò)改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)壓力，當(dāng)電磁閥關(guān)閉時(shí)泵內(nèi)電機(jī)不會(huì)停轉(zhuǎn)，但回流閥會(huì)打開(kāi)，滅火劑會(huì)在泵內(nèi)循環(huán)。

2.5 各類(lèi)傳感器模塊

2.5.1 小范圍溫度檢測(cè)模塊。本系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)，并將溫度作為判定火災(zāi)的依據(jù)之一。該小范圍溫度檢測(cè)模塊采用的是PT100溫度傳感器，其測(cè)溫范圍廣（-199～600 ℃），穩(wěn)定性高，溫度漂移在0.04%以下。該溫度傳感器的工作溫度為-40～200 ℃，能在火災(zāi)發(fā)生初期正常工作。

2.5.2 煙霧檢測(cè)模塊。物質(zhì)的燃燒往往會(huì)產(chǎn)生煙霧。因此，可以通過(guò)檢測(cè)空氣中的煙霧濃度來(lái)判別是否發(fā)生火災(zāi)。煙霧檢測(cè)模塊選用MQ-2型半導(dǎo)體可燃?xì)怏w敏感元件煙霧傳感器實(shí)現(xiàn)煙霧的檢測(cè)，具有靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且價(jià)格低廉，使用壽命長(zhǎng)。該傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大[8]。

2.5.3 有毒氣體檢測(cè)模塊。當(dāng)前，大多數(shù)電器、家具等都含有塑料和其他復(fù)合材料成分，這些物質(zhì)在燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生部分有毒氣體，因此檢測(cè)空氣中有毒氣體濃度也是判別是否發(fā)生火災(zāi)的一個(gè)重要方法。該模塊主要選用MQ-5氣體傳感器實(shí)現(xiàn)有毒氣體檢測(cè)，可檢測(cè)出空氣中的甲烷（存在于天然氣中）、丙烷（存在于液化氣中）等有毒氣體[9]。當(dāng)MQ-5氣體傳感器所處環(huán)境中存在有毒氣體時(shí)，其電導(dǎo)率隨空氣中有毒氣體濃度的增加而增大。其將電導(dǎo)率變化轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)傳給控制器進(jìn)行處理，進(jìn)而判斷環(huán)境中是否產(chǎn)生火焰。

2.6 環(huán)形電動(dòng)導(dǎo)軌

考慮到傳感器檢測(cè)范圍有限，以及水基型自動(dòng)噴射滅火器的噴射距離與精準(zhǔn)度等因素，在空間較大的房間頂部加裝一個(gè)環(huán)形電動(dòng)導(dǎo)軌，其長(zhǎng)度和寬度大致與房間或走廊的長(zhǎng)度和寬度相同。該環(huán)形電動(dòng)導(dǎo)軌由地腳、感應(yīng)座、限位開(kāi)關(guān)、感應(yīng)片、聯(lián)軸器、電機(jī)籠及步進(jìn)電機(jī)組成?？刂破魍ㄟ^(guò)步進(jìn)電機(jī)控制器控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，步進(jìn)電機(jī)置于直線電動(dòng)導(dǎo)軌末端的電機(jī)籠中，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)環(huán)形電動(dòng)導(dǎo)軌的內(nèi)置同步輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使鋼絲同步帶移動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)及其連接的承載多種器件的載物平臺(tái)移動(dòng)。該環(huán)形電動(dòng)導(dǎo)軌具有靜音、美觀、移動(dòng)速度快等特點(diǎn)，同時(shí)增大了傳感器的探測(cè)范圍，并使得傳感器與滅火裝置進(jìn)一步接近可疑著火點(diǎn)，能更精準(zhǔn)地進(jìn)行火災(zāi)二次確認(rèn)，及時(shí)向著火點(diǎn)噴射滅火劑。

2.7 UPS不間斷電源

本文設(shè)計(jì)的消防系統(tǒng)采用24 V的UPS供電，以滿足消防設(shè)備對(duì)電源的要求。UPS是一種含有儲(chǔ)能裝置的不間斷電源。當(dāng)市電輸入正常時(shí)，該UPS將市電變壓整流后供應(yīng)給負(fù)載使用，此時(shí)的UPS就是一臺(tái)直流式電變壓器，同時(shí)向機(jī)內(nèi)電池充電;當(dāng)市電中斷（事故停電，如火災(zāi)發(fā)生）時(shí)，UPS立即將電池的直流電能向負(fù)載供應(yīng)，使負(fù)載維持正常工作，并保護(hù)負(fù)載軟、硬件不受損壞[10]。由UPS供電，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

2.8 電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成。步進(jìn)電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器固定在載物平臺(tái)的邊緣，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與電動(dòng)伸縮桿末端的固定孔相連，步進(jìn)電機(jī)可帶動(dòng)電動(dòng)伸縮桿在垂直面上進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)噴頭噴射范圍與傳感器檢測(cè)范圍全方位覆蓋。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的家庭式全自動(dòng)消防系統(tǒng)能較好地解決市面上一般消防系統(tǒng)存在的問(wèn)題，具有精準(zhǔn)判別火災(zāi)、迅速滅火等優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用于具體環(huán)境中能有效防止火災(zāi)的發(fā)生與蔓延。

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