CN106971485A - 基于fpga的实时图像监测多功能火灾无线报警系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FPGA的实时图像监测多功能火灾无线报警系统及方法，该系统包括火灾监控与报警器和远程监控器；其中火灾监控与报警器和远程监控器之间通过GSM/GPRS网络相连。火灾监控与报警器包括FPGA及均与FPGA相连的监测装置、按键操作模块、转向控制旋钮、VGA显示屏、舵机、第一通信模块、视频存储模块和报警模块；其中监测装置包括摄像头模块、温度传感器模块和烟雾传感器模块。远程监控器包括第二通信模块和远程监控与报警平台。本发明系统具有多重火灾监测装置和无线报警功能，同时可兼作监控摄像头，实现火灾自动报警的智能化和网络化，减少火灾发生概率。
Description
技术领域
本发明涉及火灾监测与报警系统领域，尤其涉及一种基于FPGA的实时图像监测多功能火灾无线报警系统。
背景技术
随着新能源、新材料在大跨度、大空间建筑的运用，许多功能复杂、人员密集的场所使用大量易燃可燃材料。这类建筑材料还没有有效的防火、灭火措施。一旦发生火灾，由于空气流动快、供氧充分，很容易形成立体燃烧，造成巨大损失。而当前火灾自动报警系统存在漏报、误报频繁，智能化、网络化程度低等原因，导致火灾报警不及时，措施最佳救援时间。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于FPGA的实时图像监测多功能火灾无线报警系统及方法，具有火灾监测设备多重化、火情判断智能化、报警方式多渠道、网络化等功能。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种基于FPGA的实时图像监测多功能火灾无线报警系统，包括火灾监控与报警器和远程监控器；其中，所述火灾监控与报警器和远程监控器之间通过GSM/GPRS网络相连；
所述火灾监控与报警器包括：
监测装置，包括摄像头模块、温度传感器模块和烟雾传感器模块；其中摄像头模块用于实时拍摄现场状况；温度传感器模块用于采集并实时读取现场温度；烟雾传感器模块用于采集并实时读取现场烟雾浓度；监测装置的监测结果存入FPGA中；
视频存储模块，用于存储由摄像头模块拍摄的现场画面；
按键操作模块，用于输入控制指令至FPGA，控制火灾监控与报警器自动监测与报警时间范围，设定报警温度、烟雾浓度的参数范围；
VGA显示屏，用于实时显示由摄像头模块拍摄的现场画面、可视化的操作界面以及发生火灾的具体位置信息；
舵机，受FPGA驱动控制，带动监测装置实时180°连续转动，全方位监测现场状况；
转向控制旋钮，用于发送转向控制指令至FPGA，控制舵机转动，便于人为操作与观测特定方位的现场状况；
第一通信模块，用于火灾监控与报警器和远程监控器之间的通信，实现数据的无线传输；
报警模块，包括手动火灾报警按钮、消防警铃和警示灯；其中手动火灾报警按钮用于人工输入报警信号；消防警铃用于发出发生火灾警报声信号，通知现场人员；警示灯通过红灯闪烁，发出火灾警报光信号；
FPGA，用于处理摄像头采集的现场画面、温度传感器采集的现场温度、烟雾传感器采集的烟雾浓度数据，判断摄像头采集画面中的火灾发生情况，通过第二通信模块将采集数据和报警信息发送到远程监控器；同时接收远程监控器传回的舵机转向指令，控制监测装置转向特定方位，若判断有火灾发生，启动报警模块发出声光报警信号；此外，FPGA将采集的现场画面存入视频存储模块中以方便回放、实时显示在VGA显示屏上以便实时观测火灾现场状况；所述远程监控器包括：
第二通信模块，用于远程监控器和火灾监控与报警器之间的通信，实现数据的无线传输；
远程监控与报警平台，用于发送操作指令至火灾监控与报警器，接收火灾监控与报警器发送的现场画面信息、环境温度和烟雾浓度数据。
进一步的，所述第一通信模块和第二通信模块均采用GSM/GPRS模块WAVE Q2403A作为无线传输模块，以实现所述火灾监控与报警器与远程监控器之间通过GSM/GPRS无线网络连接，实现数据的无线发送与接收；
进一步的，所述摄像头模块采用OV2640型号，采集现场画面信息，通过FPGA内部的图像识别算法，实现FPGA对现场火情的自动判断；所述温度传感器模块采用DS18B20型号，读取环境温度并存入FPGA内，通过与火灾发生设定温度相对比，实现FPGA对现场火情的自动判断；所述烟雾传感器模块采用MG-2型号，读取环境烟雾浓度并存入FPGA内，通过与火灾发生设定烟雾浓度相对比，实现FPGA对现场火情的自动判断。
进一步的，所述视频存储模块采用SDRAM内存，满足摄像头图像存储的高内存需求；用于存储摄像头拍摄画面，方便现场监控画面的回放。
进一步的，所述舵机采用SG90，受FPGA数字信号控制，可实现180°连续旋转或旋转至某一特定方位。
进一步的，所述VGA显示屏采用ILI9806G，便于实时显示现场画面、可视化的操作界面以及发生火灾的具体位置信息；
进一步的，所述FPGA采用Spartan-3AN FPGA集成的拓展板Spartan-3ANEvaluation Board。
本发明的另一目的是提供一种利用上述系统的进行实时图像监测多功能火灾无线报警的方法，该方法具体为：
舵机全方位连续转动，监测设备实时采集现场数据(包括摄像头采集的现场画面，温度传感器采集的现场温度、烟雾传感器采集的现场烟雾浓度)并存入FPGA中。FPGA将采集到的现场画面存储进视频存储模块以便回放。同时，通过GSM/GPRS无线通信模块，火灾监控与报警器将采集的现场数据发送给远程监控器。远程监控器的操作人员根据画面和数据信息作出火情判断，发送操作指令到火灾监控与报警器，指令改变舵机转向，进一步观测特定方位的现场画面，并且根据现场画面、采集参数作出人为火情判断，启动火灾报警或预警操作。此外，FPGA进行采集数据的分析：通过图像识别算法对摄像头模块采集的现场画面进行判断，一旦采集到的特征点超过正常现场画面特征点范围，则判定为有发生火灾概率；通过将温度传感器采集到的现场温度数据与设定火灾发生温度对比，一旦超过设定温度范围，则判定为有发生火灾概率；通过将烟雾传感器采集到的现场烟雾浓度与设定火灾发生烟雾浓度对比，一旦超过设定烟雾浓度范围，则判定为有发生火灾概率。FPGA根据监测装置监测到的数据超过设定值的大小，确定各模块的火灾发生概率大小。FPGA根据监测装置的三重监测结果得到的各模块火灾发生概率，以及各模块火灾发生权重分配，确定最终现场火灾发生概率。FPGA将最终现场火灾发生概率与设定火灾发生概率值对比，若超过设定火灾发生概率，则判定为发生火灾。从而实现火情的自动判断。若判断结果为没有火灾，FPGA继续驱动舵机转动，火灾监控与报警器重复进行监测与火情判断；若判断结果为发生火灾，FPGA启动消防警铃和指示灯，并且在VGA显示屏上显示火灾发生的具体位置，同时向远程监控器发送火灾报警信息。
针对现有火灾报警系统的缺点和不足，本发明的有益效果是：
1、三重火灾报警渠道：可通过采集的现场画面自动判断报警、远程监控器人工判断报警、现场手动火灾报警按钮报警，减少漏报情况；
2、无线网络数据传输：通过GSM/GPRS无线网络，将报警信息传输至远程监控器报警，实现网络化无线报警。
3、智能化火情判断：通过FPGA自动监测与火情判断。
4、现场画面的视频存储，兼具摄像头功能。
5、监测设备多重化：摄像头、温度传感器、烟雾传感器三重火灾监测装置同时工作，减少火情误报的频率。
附图说明
图1是本发明的系统模块框图；
图2是本发明的系统运行流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明由火灾监控与报警器和远程监控器组成；所述火灾监控与报警器和远程监控器之间通过GSM/GPRS网络相连；所述火灾监控与报警器包括FPGA及均与FPGA相连的监测装置、按键操作模块、转向控制旋钮、VGA显示屏、舵机、第一通信模块、视频存储模块和报警模块；所述监测装置包括摄像头模块、温度传感器模块和烟雾传感器模块；所述远程监控器包括第二通信模块和远程监控与报警平台。
所述火灾监控与报警器的监测装置，包括摄像头模块、温度传感器模块和烟雾传感器模块；其中摄像头模块采用OV2640型号，采集现场画面信息，通过FPGA内部的图像识别算法，实现FPGA对现场火情的自动判断；所述温度传感器模块采用DS18B20型号，读取环境温度并存入FPGA内，通过与火灾发生设定温度相对比，实现FPGA对现场火情的自动判断；所述烟雾传感器模块采用MG-2型号，读取环境烟雾浓度并存入FPGA内，通过与火灾发生设定烟雾浓度相对比，实现FPGA对现场火情的自动判断；其中摄像头模块用于实时拍摄现场状况；温度传感器模块用于采集并实时读取现场温度；烟雾传感器模块用于采集并实时读取现场烟雾浓度；监测装置的监测结果存入FPGA中；
所述火灾监控与报警器的视频存储模块，采用SDRAM内存，满足摄像头图像存储的高内存需求；用于存储由摄像头模块拍摄的现场画面，方便现场监控画面的回放；
所述火灾监控与报警器的按键操作模块，用于输入控制指令至FPGA，控制火灾监控与报警器自动监测与报警时间范围，设定报警温度、烟雾浓度的参数范围；
所述火灾监控与报警器的VGA显示屏，所述VGA显示屏采用ILI9806G，用于实时显示由摄像头模块拍摄的现场画面、可视化的操作界面以及发生火灾的具体位置信息；
所述火灾监控与报警器的舵机，采用SG90，受FPGA数字信号控制，可实现180°连续旋转或旋转至某一特定方位，全方位监测现场状况；
所述火灾监控与报警器的转向控制旋钮，用于发送转向控制指令至FPGA，控制舵机转动，便于人为操作与观测特定方位的现场状况；
所述火灾监控与报警器的报警模块，包括手动火灾报警按钮、消防警铃和警示灯；其中手动火灾报警按钮用于人工输入报警信号；消防警铃用于发出发生火灾警报声信号，通知现场人员；警示灯通过红灯闪烁，发出火灾警报光信号；
所述火灾监控与报警器的第一通信模块，用于火灾监控与报警器和远程监控器之间的通信，实现数据的无线传输；所述远程监控器的第二通信模块，用于远程监控器和火灾监控与报警器之间的通信，实现数据的无线传输；所述第一通信模块和第二通信模块均采用GSM/GPRS模块WAVE Q2403A作为无线传输模块，以实现所述火灾监控与报警器与远程监控器之间通过GSM/GPRS无线网络连接，实现数据的无线发送与接收，具体为：火灾监控与报警器将采集到的现场画面信息、环境温度和烟雾浓度数据通过GSM/GPRS网络发送至远程监控器；远程监控器的操作人员根据画面和数据信息作出火情判断，发送操作指令至火灾监控与报警器，进一步观测特定方位的现场画面，以便作出进一步火灾预警措施；
所述火灾监控与报警器的FPGA采用Spartan-3AN FPGA集成的拓展板Spartan-3ANEvaluation Board；用于处理摄像头采集的现场画面、温度传感器采集的现场温度、烟雾传感器采集的烟雾浓度数据，判断摄像头采集画面中的火灾发生情况，通过第二通信模块将采集数据和报警信息发送到远程监控器；同时接收远程监控器传回的舵机转向指令，控制监测装置转向特定方位，若判断有火灾发生，启动报警模块发出声光报警信号；此外，FPGA将采集的现场画面存入视频存储模块中以方便回放、实时显示在VGA显示屏上以便实时观测火灾现场状况；所述远程监控器的远程监控与报警平台，用于发送操作指令至火灾监控与报警器，接收火灾监控与报警器发送的现场画面信息、环境温度和烟雾浓度数据；
如图2所示，为本发明的使用流程。舵机全方位连续转动，监测设备实时采集现场数据(包括摄像头采集的现场画面，温度传感器采集的现场温度、烟雾传感器采集的现场烟雾浓度)并存入FPGA中。FPGA将采集到的现场画面存储进视频存储模块以便回放。同时，通过GSM/GPRS无线通信模块，火灾监控与报警器将采集的现场数据发送给远程监控器。远程监控器的操作人员根据画面和数据信息作出火情判断，发送操作指令到火灾监控与报警器，指令改变舵机转向，进一步观测特定方位的现场画面，并且根据现场画面、采集参数作出人为火情判断，启动火灾报警或预警操作。
此外，FPGA进行采集数据的分析：通过图像识别算法对摄像头模块采集的现场画面进行判断，一旦采集到的特征点超过正常现场画面特征点范围，则判定为有发生火灾概率；通过将温度传感器采集到的现场温度数据与设定火灾发生温度对比，一旦超过设定温度范围，则判定为有发生火灾概率；通过将烟雾传感器采集到的现场烟雾浓度与设定火灾发生烟雾浓度对比，一旦超过设定烟雾浓度范围，则判定为有发生火灾概率。FPGA根据监测装置监测到的数据超过设定值的大小，确定各模块的火灾发生概率大小。FPGA根据监测装置的三重监测结果得到的各模块火灾发生概率，以及各模块火灾发生权重分配，确定最终现场火灾发生概率。FPGA将最终现场火灾发生概率与设定火灾发生概率值对比，若超过设定火灾发生概率，则判定为发生火灾。从而实现火情的自动判断。若判断结果为没有火灾，FPGA继续驱动舵机转动，火灾监控与报警器重复进行监测与火情判断；若判断结果为发生火灾，FPGA启动消防警铃和指示灯，并且在VGA显示屏上显示火灾发生的具体位置，同时向远程监控器发送火灾报警信息。
Claims (8)
1.一种基于FPGA的实时图像监测多功能火灾无线报警系统，其特征在于，包括火灾监控与报警器和远程监控器；其中，所述火灾监控与报警器和远程监控器之间通过GSM/GPRS网络相连；
所述火灾监控与报警器包括：
监测装置，包括摄像头模块、温度传感器模块和烟雾传感器模块；其中摄像头模块用于实时拍摄现场状况；温度传感器模块用于采集并实时读取现场温度；烟雾传感器模块用于采集并实时读取现场烟雾浓度；监测装置的监测结果存入FPGA中；
视频存储模块，用于存储由摄像头模块拍摄的现场画面；
按键操作模块，用于输入控制指令至FPGA，控制火灾监控与报警器自动监测与报警时间范围，设定报警温度、烟雾浓度的参数范围；
VGA显示屏，用于实时显示由摄像头模块拍摄的现场画面、可视化的操作界面以及发生火灾的具体位置信息；
舵机，受FPGA驱动控制，带动监测装置实时180°连续转动，全方位监测现场状况；
转向控制旋钮，用于发送转向控制指令至FPGA，控制舵机转动，便于人为操作与观测特定方位的现场状况；
第一通信模块，用于火灾监控与报警器和远程监控器之间的通信，实现数据的无线传输；
报警模块，包括手动火灾报警按钮、消防警铃和警示灯；其中手动火灾报警按钮用于人工输入报警信号；消防警铃用于发出发生火灾警报声信号，通知现场人员；警示灯通过红灯闪烁，发出火灾警报光信号；
FPGA，用于处理摄像头采集的现场画面、温度传感器采集的现场温度、烟雾传感器采集的烟雾浓度数据，判断摄像头采集画面中的火灾发生情况，通过第二通信模块将采集数据和报警信息发送到远程监控器；同时接收远程监控器传回的舵机转向指令，控制监测装置转向特定方位，若判断有火灾发生，启动报警模块发出声光报警信号；此外，FPGA将采集的现场画面存入视频存储模块中以方便回放、实时显示在VGA显示屏上以便实时观测火灾现场状况；
所述远程监控器包括：
第二通信模块，用于远程监控器和火灾监控与报警器之间的通信，实现数据的无线传输；
远程监控与报警平台，用于发送操作指令至火灾监控与报警器，接收火灾监控与报警器发送的现场画面信息、环境温度和烟雾浓度数据。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的实时图像监测多功能火灾无线报警系统，其特征在于，所述第一通信模块和第二通信模块均采用GSM/GPRS模块WAVE Q2403A作为无线传输模块。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的实时图像监测多功能火灾无线报警系统，其特征在于，所述摄像头模块采用OV2640型号，采集现场画面信息，通过FPGA内部的图像识别算法，实现FPGA对现场火情的自动判断；所述温度传感器模块采用DS18B20型号，读取环境温度并存入FPGA内，通过与火灾发生设定温度相对比，实现FPGA对现场火情的自动判断；所述烟雾传感器模块采用MG-2型号，读取环境烟雾浓度并存入FPGA内，通过与火灾发生设定烟雾浓度相对比，实现FPGA对现场火情的自动判断。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA的实时图像监测多功能火灾无线报警系统，其特征在于，所述视频存储模块采用SDRAM内存。
5.根据权利要求1所述的基于FPGA的实时图像监测多功能火灾无线报警系统，其特征在于，所述舵机采用SG90，受FPGA数字信号控制，可实现180°连续旋转或旋转至某一特定方位。
6.根据权利要求1所述的基于FPGA的实时图像监测多功能火灾无线报警系统，其特征在于，所述VGA显示屏采用ILI9806G。
7.根据权利要求1所述的基于FPGA的实时图像监测多功能火灾无线报警系统，其特征在于，所述FPGA采用Spartan-3AN FPGA集成的拓展板Spartan-3AN Evaluation Board。
8.根据权利要求1所述的基于FPGA的实时图像监测多功能火灾无线报警的方法，其特征在于，该方法具体为：
舵机全方位连续转动，监测设备实时采集现场数据(包括摄像头采集的现场画面，温度传感器采集的现场温度、烟雾传感器采集的现场烟雾浓度)并存入FPGA中。FPGA将采集到的现场画面存储进视频存储模块以便回放。同时，通过GSM/GPRS无线通信模块，火灾监控与报警器将采集的现场数据发送给远程监控器。远程监控器的操作人员根据画面和数据信息作出火情判断，发送操作指令到火灾监控与报警器，指令改变舵机转向，进一步观测特定方位的现场画面，并且根据现场画面、采集参数作出人为火情判断，启动火灾报警或预警操作。
此外，FPGA进行采集数据的分析：通过图像识别算法对摄像头模块采集的现场画面进行判断，一旦采集到的特征点超过正常现场画面特征点范围，则判定为有发生火灾概率；通过将温度传感器采集到的现场温度数据与设定火灾发生温度对比，一旦超过设定温度范围，则判定为有发生火灾概率；通过将烟雾传感器采集到的现场烟雾浓度与设定火灾发生烟雾浓度对比，一旦超过设定烟雾浓度范围，则判定为有发生火灾概率。FPGA根据监测装置监测到的数据超过设定值的大小，确定各模块的火灾发生概率大小。FPGA根据监测装置的三重监测结果得到的各模块火灾发生概率，以及各模块火灾发生权重分配，确定最终现场火灾发生概率。FPGA将最终现场火灾发生概率与设定火灾发生概率值对比，若超过设定火灾发生概率，则判定为发生火灾。若判断结果为没有火灾，FPGA继续驱动舵机转动，火灾监控与报警器重复进行监测与火情判断；若判断结果为发生火灾，FPGA启动消防警铃和指示灯，并且在VGA显示屏上显示火灾发生的具体位置，同时向远程监控器发送火灾报警信息。
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