王慶娟，周肖樹(shù)，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(lèi)火災(zāi)事故頻發(fā)，嚴(yán)重威脅著人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。為此，針對(duì)大型商業(yè)綜合體、火災(zāi)重點(diǎn)單位、火災(zāi)高危單位、較小場(chǎng)所等采取更加嚴(yán)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(xiǎn)，在推動(dòng)消防設(shè)備市場(chǎng)發(fā)展的同時(shí)，也對(duì)消防設(shè)備自動(dòng)化和消防物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)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(biāo)。當(dāng)前的火災(zāi)探測(cè)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(dòng)探測(cè)，火災(zāi)發(fā)生后，煙霧上升進(jìn)入煙感傳感器，達(dá)到一定濃度時(shí)才能觸發(fā)煙霧報(bào)警，因此煙霧報(bào)警延遲較高，往往在相關(guān)人員接到煙霧報(bào)警時(shí)火勢(shì)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(zhǔn)滅火的目的。并且煙感傳感器的報(bào)警可靠性向來(lái)不是太高?？梢钥闯霎?dāng)前的火災(zāi)報(bào)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(wèn)題。

為此，本文開(kāi)發(fā)一種智能化主動(dòng)消防系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在火災(zāi)將要發(fā)生時(shí)及時(shí)給出預(yù)警，在火災(zāi)發(fā)生的初期迅速探測(cè)起火點(diǎn)的位置，并啟動(dòng)主動(dòng)滅火系統(tǒng)，進(jìn)行精準(zhǔn)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(shí)由于火勢(shì)較小，滅火成本也會(huì)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(jì)

智能化主動(dòng)消防系統(tǒng)由消防機(jī)器人、主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)和信息調(diào)度平臺(tái)三個(gè)部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(tái)。消防機(jī)器人安裝有具備火焰識(shí)別功能的視頻設(shè)備和滅火裝置，并通過(guò)Wi-Fi模塊與平臺(tái)通信。信息調(diào)度平臺(tái)負(fù)責(zé)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的顯示，并將主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)上報(bào)的異常數(shù)據(jù)及位置信息轉(zhuǎn)發(fā)給消防機(jī)器人。

當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)附近的主動(dòng)探測(cè)器將檢測(cè)到異常的環(huán)境數(shù)據(jù)，探測(cè)器將某位置的環(huán)境數(shù)據(jù)上報(bào)給信息監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。信息監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)將火災(zāi)發(fā)生的地點(diǎn)等數(shù)據(jù)通過(guò)Wi-Fi模塊傳輸給機(jī)器人，機(jī)器人接收到數(shù)據(jù)后，會(huì)迅速規(guī)劃路徑，移動(dòng)到指定的火災(zāi)地點(diǎn)。機(jī)器人在移動(dòng)的過(guò)程中會(huì)以超聲波傳感器避障，同時(shí)開(kāi)啟視覺(jué)識(shí)別模塊，進(jìn)行火焰的二次確認(rèn)。機(jī)器人的視覺(jué)識(shí)別模塊識(shí)別到火焰并完成定位后，控制噴頭對(duì)準(zhǔn)火源方向進(jìn)行滅火操作。

圖1 消防系統(tǒng)框圖

2 主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)

主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成，下位機(jī)的硬件部分主要由ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊、溫濕度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器和聲光報(bào)警模塊組成。本網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端設(shè)備組成，采用星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。每一個(gè)終端設(shè)備都搭載三種傳感器和聲光報(bào)警電路，協(xié)調(diào)器和上位機(jī)之間通過(guò)串口傳輸，上位機(jī)使用LabVIEW完成串口數(shù)據(jù)解析與存儲(chǔ)。

圖2 主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 下位機(jī)的設(shè)計(jì)

選擇TI公司的CC2530F256芯片作為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的核心處理器，集成了51單片機(jī)的內(nèi)核，具有256 kB閃存和8kB RAM的Zigbee，符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。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(gè)強(qiáng)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(lèi)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(jìn)行通信。

在本次實(shí)驗(yàn)中共使用三個(gè)終端設(shè)備進(jìn)行環(huán)境火災(zāi)狀態(tài)的主動(dòng)探測(cè)。每一個(gè)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(duì)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(diǎn)分配地址，完成ZigBee組網(wǎng)。組網(wǎng)成功后，在確認(rèn)傳感器正常工作的情況下，開(kāi)始對(duì)環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)上報(bào)給信息調(diào)度平臺(tái)進(jìn)行展示，同時(shí)對(duì)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(guò)相應(yīng)的閾值，則將發(fā)出火情報(bào)警聲光信號(hào)，并將異常數(shù)據(jù)上報(bào)給信息調(diào)度平臺(tái)。在上報(bào)的信息中除了終端設(shè)備標(biāo)定的坐標(biāo)信息外，還包括預(yù)估的火源坐標(biāo)信息。

圖3 主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)軟件流程圖

本文使用近紅外火焰探測(cè)器進(jìn)行火焰檢測(cè)，同時(shí)測(cè)得環(huán)境的溫濕度和煙霧數(shù)據(jù)，對(duì)三種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后預(yù)判火情，以提高探測(cè)的及時(shí)性和準(zhǔn)確度?；鹧嫣綔y(cè)器由一組五個(gè)對(duì)稱(chēng)分布的近紅外火焰?zhèn)鞲衅鳂?gòu)成，探測(cè)波段為760 nm～1 100 nm的近紅外波段。通過(guò)讀取傳感器的數(shù)據(jù)來(lái)判定著火點(diǎn)的方向，當(dāng)監(jiān)控范圍內(nèi)某一方位突然出現(xiàn)較強(qiáng)信號(hào)時(shí)，判斷出該方位可能出現(xiàn)火情，此時(shí)該探測(cè)器將會(huì)通過(guò)信息調(diào)度平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)火焰報(bào)警信息及位置信息給消防機(jī)器人。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆訖C(jī)的設(shè)計(jì)中使用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器來(lái)采集環(huán)境中的溫濕度數(shù)據(jù)。它采用專(zhuān)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(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在對(duì)檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，采用單線(xiàn)制串行接口，系統(tǒng)集成便捷。但是DHT11的測(cè)溫范圍較小，在真機(jī)設(shè)計(jì)中將替換成動(dòng)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(shí)，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)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?xì)怏w時(shí)，煙霧傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。利用這一點(diǎn)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(duì)天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其是對(duì)烷類(lèi)煙霧更為敏感，具有良好的抗干擾性，可準(zhǔn)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(hào)和數(shù)字信號(hào)，本設(shè)計(jì)使用模擬信號(hào)讀入，在程序內(nèi)增加閾值判斷功能，進(jìn)行報(bào)警處理。

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

2.2 上位機(jī)的設(shè)計(jì)

當(dāng)上位機(jī)接收到下位機(jī)發(fā)來(lái)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(diǎn)數(shù)據(jù)上報(bào)，確定數(shù)據(jù)庫(kù)中是否存在該異常節(jié)點(diǎn)的信息，若沒(méi)有，則將異常節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)。

如圖4所示為上位機(jī)交互界面，在測(cè)試中以編號(hào)001號(hào)的終端設(shè)備檢測(cè)到火焰為例，當(dāng)該設(shè)備的第一路火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)到火焰時(shí)，在上位機(jī)中會(huì)顯示該設(shè)備的標(biāo)定位置坐標(biāo)、火源坐標(biāo)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(kù)中。在上位機(jī)中設(shè)置了顯示串口數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)。

圖4 主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)界面

3 消防機(jī)器人

消防機(jī)器人以NI公司的myRIO為核心控制器，基于圖像化編程平臺(tái)LabVIEW進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)與平臺(tái)的數(shù)據(jù)通信，主要由運(yùn)動(dòng)控制和視覺(jué)識(shí)別兩個(gè)模塊構(gòu)成。

3.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制模塊

運(yùn)動(dòng)控制模塊設(shè)置了手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式。在手動(dòng)模式下，可以通過(guò)信息調(diào)度平臺(tái)遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，借助攝像頭觀察周?chē)h(huán)境，通過(guò)傳輸?shù)囊曨l判斷火源的位置，并手動(dòng)開(kāi)啟滅火裝置實(shí)現(xiàn)滅火操作。

自動(dòng)模式中包括自主避障、運(yùn)動(dòng)控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)任務(wù)管理四個(gè)功能子模塊。自主避障通過(guò)分析超聲波傳感器的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)；運(yùn)動(dòng)控制通過(guò)對(duì)電機(jī)、舵機(jī)、水泵和全向輪的控制實(shí)現(xiàn)，從而設(shè)計(jì)了自主路徑規(guī)劃、自動(dòng)精準(zhǔn)滅火以及自主泊位和注水等功能；狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要完成對(duì)攝像頭的控制，以及完成對(duì)機(jī)器人自身姿態(tài)、電壓值和水位狀態(tài)的監(jiān)測(cè)；系統(tǒng)任務(wù)管理完成遠(yuǎn)程監(jiān)控與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的功能。

在自動(dòng)模式下，主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到火災(zāi)后，判斷報(bào)警點(diǎn)數(shù)量，當(dāng)只有一個(gè)報(bào)警點(diǎn)時(shí)，服務(wù)器會(huì)將火源地址信息告知鄰近的機(jī)器人，機(jī)器人接收到數(shù)據(jù)后會(huì)迅速地規(guī)劃路徑，并移動(dòng)到指定的火災(zāi)地點(diǎn)。機(jī)器人在移動(dòng)的過(guò)程中通過(guò)超聲波傳感器避障，同時(shí)打開(kāi)視覺(jué)識(shí)別模塊進(jìn)行火焰檢測(cè)和識(shí)別，完成火源定位后控制滅火裝置實(shí)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(jī)器人前往增援。水位低于閾值的機(jī)器人則自動(dòng)返回泊位補(bǔ)水。當(dāng)報(bào)警點(diǎn)多于一個(gè)時(shí)，調(diào)度平臺(tái)根據(jù)報(bào)警坐標(biāo)與機(jī)器人的位置坐標(biāo)進(jìn)行匹配，按照就近原則指派機(jī)器人到達(dá)火源地點(diǎn)。

3.2 視覺(jué)識(shí)別

視覺(jué)識(shí)別的目的是對(duì)主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)上報(bào)的火警信息進(jìn)行二次確認(rèn)，并通過(guò)將所得到的火焰坐標(biāo)信息反饋給運(yùn)動(dòng)控制模塊執(zhí)行精準(zhǔn)的滅火操作，以此提高滅火的效率。采用普通攝像頭對(duì)火焰進(jìn)行檢測(cè)、識(shí)別和中心定位，使用NI VISON Assistant進(jìn)行開(kāi)發(fā)，根據(jù)火焰的顏色特征與圓形度兩大靜態(tài)特征對(duì)火焰進(jìn)行識(shí)別。

首先獲取攝像頭圖像?；鹧婢哂刑厥獾念伾植家?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(diǎn)，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(xiàn)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(diǎn)的輸出值。中值濾波器的主要優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，在處理隨機(jī)噪聲和脈沖噪聲方面具有較好的效果。隨后依次對(duì)圖像做開(kāi)運(yùn)算和閉運(yùn)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(guò)計(jì)算火焰圓弧度求出火焰中心坐標(biāo)，識(shí)別的測(cè)試效果如圖5所示。

圖5 火焰定位算法測(cè)試圖

4 信息調(diào)度平臺(tái)

信息調(diào)度平臺(tái)接收主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)超過(guò)閾值時(shí)進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警，提醒用戶(hù)進(jìn)行火災(zāi)處理。同時(shí)，平臺(tái)對(duì)消防機(jī)器人進(jìn)行監(jiān)控，包括機(jī)器人的水箱水位、位置、電壓等，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)故障報(bào)備。

5 系統(tǒng)測(cè)試

為測(cè)試本系統(tǒng)的功能和響應(yīng)時(shí)間，在十平米的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部署三個(gè)終端設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)，兩臺(tái)消防機(jī)器人等候信息調(diào)度平臺(tái)的控制。測(cè)試開(kāi)始前為三個(gè)終端設(shè)備標(biāo)定位置信息，為機(jī)器人指定泊位信息，以點(diǎn)燃的蠟燭作為火源，將蠟燭放置于某個(gè)區(qū)域，測(cè)試中系統(tǒng)各模塊運(yùn)行正常，完成了預(yù)期的任務(wù)。測(cè)試表明從蠟燭點(diǎn)燃到被撲滅的過(guò)程只需30秒的時(shí)間。

6 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的主動(dòng)消防系統(tǒng)，其集火源探測(cè)、火災(zāi)預(yù)警、消防滅火、安防布控于一體，可精準(zhǔn)定位火源；采用智能化消防系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和可視化操作；在發(fā)現(xiàn)火源后消防機(jī)器人采取滅火行為的時(shí)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。