CN107185130B - 基于红外温度传感器的自主寻的消防水炮系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于红外温度传感器的自主寻的消防水炮系统及控制方法。包括输入系统、控制系统以及输出系统，输入系统的输出端与控制系统的输入端连接，控制系统的输出端与输出系统的输入端连接。输入系统通过红外温度传感器获取温度数据并发送到控制系统，控制系统接收数据后判断该温度是否是检测范围内的最高温点并产生相应脉冲信号，并发送到输出系统，输出系统根据接收的信号执行预定动作。本发明在无人操控的情况下自动识别起火油罐等设施的最高温度点，消防人员可撤离到安全距离之外，自动驱动水炮对该点进行自动喷水降温，保护消防人员的生命安全，减小事故造成的损失。

Description

基于红外温度传感器的自主寻的消防水炮系统及控制方法

技术领域

本发明是一种基于红外温度传感器的自主寻的消防水炮系统及控制方法，属于基于红外温度传感器的自主寻的消防水炮系统及控制方法的创新技术。

背景技术

目前的消防设备大多都是人为操作，当火情发生时，消防人员需要近距离观察火情，并且近距离地人为控制消防水炮进行降温灭火操作，在某些特别危险的火灾场景，如大型油罐等设施发生火警时，受当前消防设备的限制，消防人员需要在距离火源几十米的范围内操控消防水炮进行灭火，由于受火灾现场浓烟等因素的影响，消防人员难以掌握火灾现场的温度分布情况，无法优先对高温区域进行灭火降温，这样对快速有效地降温灭火极为不利；况且，由于大型油罐等设施起火时，随时有爆炸的危险，一旦发生爆炸，油罐周围几十米甚至更大的范围都是重创区，重创区内人们的生命财产安全将受到极大威胁；所以，大型油罐等设施起火时，消防人员依靠传统消防装备进入火场开展灭火工作时十分危险的；其自身的生命安全受到极大威胁。

目前，实际应用的消防水炮设备大部分都需要消防人员进行人工操控，虽然具有自摆功能的水炮可在消防人员撤离后仍在一定时间内执行喷水灭火任务，但是这种消防水炮缺乏智能，不能快速有效地找到火场的最高温区域，对快速有效地降温灭火不利，无法将人们的生命或财产损失减少到最小。

市场上现有的较为智能的消防水炮设备，一般都基于图像处理技术。尽管这种消防设备弥补了传统消防水炮的一些不足，但其中的硬件部件价格昂贵，难以普遍装备，对于一些财政不宽裕的地方消防单位来说，所需的列装费用更是无法承担。

鉴于上述客观事实，迫切需要一种高性价比的能自动识别火场最高温度点，并且能自动优先对最高温度点快速高效地进行降温灭火的新型消防水炮系统。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种基于红外温度传感器的自主寻的消防水炮系统。本发明可在无人操控的情况下自动识别起火油罐的最高温度点，并驱动移动水炮对该点进行自动喷水降温。且本发明结构简单，成本低廉、操作方便。

本发明的另一目的在于提供一种基于红外温度传感器的自主寻的消防水炮系统的控制方法，采用本发明的方法，大型油罐等设施火警升级时，消防人员可撤离到安全距离之外，水炮则仍可自动寻找火场最高温点并进行降温灭火任务，从而有效保护消防人员的生命安全，减小事故造成的损失。

本发明的技术方案是：本发明的基于红外温度传感器的自主寻的消防水炮系统，包括有输入系统、控制系统以及输出系统，输入系统的输出端与控制系统的输入端连接，控制系统的输出端与输出系统的输入端连接，输出系统则驱动消防水炮进行灭火降温工作。

本发明基于红外温度传感器的自主寻得消防水炮系统的控制方法，包含如下步骤：

(1)红外温度传感器获取温度数据，并以电压格式输出；

(2)A/D转换模块将温度电压标量转为温度的数字量；

(3)单片机处理温度的数字量；

(4)单片机根据温度数字量度的处理结果，输出相应脉冲。

本发明基于红外温度传感器的自主寻的消防水炮系统由于采用包括有输入系统、控制系统以及输出系统的结构，输入系统在一定范围内循环转动，通过红外温度传感器获取温度数据，并以电压的形式输出到控制系统的输入端，控制系统接收到输入系统的输出信号后，由A/D转换模块将代表温度的电压值转换为数字量并输入到单片机，单片机进行数据处理并将数据处理结果以相应脉冲形式输出到输出系统。输出系统接收到相应脉冲后作出相应的动作。本发明的的控制方法是单片机先将输入系统的输出电压通过A/D转换，转换成数字量，数字量不断变大则表明消防水炮不断对准高温点；数字量不断变小，则表明消防水炮偏离最高温点，在数字量转折突变时，表示已找到探测范围内的最高温度位置，控制系统(单片机)发送相关驱动脉冲到输出系统以驱动输出系统的动作。本发明可在无人操控的情况下自动识别起火油罐的最高温度点，并驱动移动水炮对该点进行自动喷水降温。采用本发明的系统，大型油罐等设施火警升级时，消防人员可撤离到安全距离之外，水炮则仍可执行灭火任务，从而有效保护消防人员的生命安全，减小事故造成的损失。且本发明结构简单，成本低廉、操作方便，具有很高的性价比。

附图说明

图1为本发明的系统构成图。

图2为本发明的系统原理图。

图3为本发明的步进电机控制流程图。

图4为本发明单片机电机驱动信号控制流程图。

图5为本发明的数学模型示意图。

实施例：

本发明的结构示意图如图1所示，本发明是基于红外温度传感器的自主寻的消防水炮系统，包括有输入系统、控制系统以及输出系统，输入系统的输出端与控制系统的输入端连接，控制系统的输出端与输出系统的输入端连接。

本实施例中，上述输入系统包括红外温度传感器，红外温度传感器的信号输出端与控制系统的输入端连接，上述控制系统包括单片机、A/D转换模块，A/D转换模块的输入端与输入系统的输出端连接，A/D转换模块的输出端与单片机的输入端连接。输入系统获取数据，并以电压的形式输入到控制系统，控制系统接收到数据后首先通过8位A/D芯片将电压信号转化为代表温度高低的数字量，即A/D转换值，该值越大，代表温度越高，该值越小，代表温度越低，控制系统通过不断刷新A/D转换值来判断是否寻找到探测区域的高温点。上述输出系统是步进电机驱动装置，步进电机驱动水炮工作。

本发明基于红外温度传感器的自主寻得消防水炮系统的控制方法，包含如下步骤：

(1)红外温度传感器获取温度数据，并以电压格式输出；

(2)A/D转换模块将温度电压标量转为温度的数字量；

(3)单片机处理温度的数字量；

(4)单片机根据温度数字量度的处理结果，输出相应脉冲。

本实施例中，上述步骤(1)中，通过红外温度传感器获取温度数据，并以电压的形式输出至A/D转换模块。

本实施例中，上述步骤(2)中，通过8位A/D转换模块将代表温度的电压值转换位数字量，8位A/D转换模块能将温度分为256个等级。

本实施例中，上述步骤(4)中，所输出的脉冲位四相八拍步进驱动脉冲；正转脉冲顺序为：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA；反转脉冲顺序为：D-DC-C-CB-B-BA-A-AD；通过水炮的不断旋转扫描，红外温度传感器获取温度数据，并以电压形式输入到控制系统的A/D转换模块中，A/D转换模块将电压值转换为数字量，并不断重复这一操作，通过数字量的前后对比，如果发现数字量不断增大，则表明水炮在水平方向上不断对准高温点，则输出相应脉冲，控制水炮继续旋转；如果数字量不断减小，则表明消防水炮在水平方向上偏离高温点，则输出相应脉冲，控制水炮反转。当A/D转换值(温度数字量)再次达到A/D转换突变值(最大温度数字量)时，水炮暂停转动，开始进行喷水降温灭火工作。

本实施例中，上述控制水炮旋转的过程如下：

单片机首先将当前数字量、前一数字量、转折数字量都设为0，然后不断读入当前数字量，将当前数字量与前一数字量作比较，如果当前数字量大于或者等于前一数字量，则输出相应脉冲使得步进电机正转；如果当前数字量小于前一数字量，则表明数字量发生转折，将转折数字量设为前一数字量，并且输出相应脉冲使得步进电机反转，再不断读入当前数字量，如果当前数字量等于转折数字量，步进电机停止转动。消防水炮开始喷水降温灭火。

本实施例中，自主寻得消防水炮系统的控制采用的数学模型如下：

N(x,y,z)＝α(z)T(x,y),(1)其中,N(x,y,z)为代表实际温度值的数字量,其为一个与x,y,z空间直角坐标系相关的函数；α(z)为实际温度值与实际温度数字量之间的关系系数，其与消防水炮到检测范围的直线距离z有关；T(x,y)为检测平面内对应点(x,y)的实际温度；

上述数学模型(1)中，把y看做是一个无关量，其具体原因为:因为消防水炮自身有一定的仰角，并且喷水降温灭火时水压较大，其在垂直方向上能形成一道弧形或者近似直线的水柱，当水柱淋到应用场景(大型油罐)的高处时，水流会沿着罐壁由上而下留下，因此，当确定检测范围内最高温度点的横向坐标时(即x坐标)，即使水柱落点的y轴坐标与最高温度点的y轴坐标不一致，也不影响对最高温点的灭火降温效果。若要确定y的值，只需对y坐标进行如x坐标的扫描处理即可；

数学模型(1)中，温度数字量N与x，y，z有关，当y看做一个无关量时，数学模型简化为：

N(x,z)＝α(z)T(x).(2)当距离z一定时，α(z)一定，即N(x,z₀)＝α(z₀)T(x)，这样温度数字量与实际温度值之间有着明确的对应关系，实际温度值越大，温度数字量越大，因此，通过温度数字量的大小来判断实际温度的高低是可行有效的；

本发明寻找检测范围内的温度最高点所采用的算法为“数值比较法”，具体实现方法如下：

将温度数字量的当前值N_m(x,z)与前一温度数字量N_m-1(x,z)作比较，从而确定检测范围内温度最高点的位置，具体实现方法如下：

首先将数学模型的最大值，即最大温度数字量N_max(x,z)设置为0；将当前温度数字量N_m(x,z)设置为0；将前一温度数字量N_m-1(x,z)设置为0；

单片机先将输入系统的输出电压通过A/D转换，转换成当前温度数字量N_m(x,z)，并且与前一温度数字量N_m-1(x,z)作比较：若当前数字量不小于前一数字量，表明消防水炮不断靠近最高温点，则将前一数字量N_m-1(x,z)的值设置为当前数字量N_m(x,z)的值，并且输出脉冲驱动步进电机正转；若当前数字量N_m(x,z)小于前一数字量N_m-1(x,z)，表明消防水炮偏离最高温点，则控制系统输出驱动脉冲使得步进电机反转；在数字量转折突变时，表示已找到探测范围内的最高温度位置，则将最大温度数字量N_max(x,z)设置为突变时的温度数字量；当最大温度数字量N_max(x,z)与当前数字量N_m(x,z)相等时，控制系统输出驱动脉冲使得电机停转；

本实施例中，自主寻的消防水炮系统的控制围绕获取、处理三个温度数字量进行；这三个温度数字量分别为：当前温度数字量、前一温度数字量以及最大温度数字量；根据数学模型，这三个温度数字量表示为：

当前温度数字量：N_m(x,z)；

前一温度数字量：N_m-1(x,z)；

最大温度数字量：N_max(x,z)；

利用数学模型，自主寻的消防水炮系统的控制方法，包括有如下步骤：

(1)根据数学模型：N(x,z)＝α(z)T(x)

将当前温度数字量N_m(x,z)、前一温度数字量N_m-1(x,z)与及最大温度数字量N_max(x,z)的初始值全部设为0；

(2)红外温度传感器获取温度数据，并以电压格式输出；

(3)A/D转换模块将温度电压标量转为温度的数字量，根据数学模型：N(x,z)＝α(z)T(x)

获得当前温度数字量N_m(x,z)；

(4)单片机处理当前温度数字量N_m(x,z)、前一温度数字量N_m-1(x,z)与及最大温度数字量N_max(x,z)之间的关系；

(5)单片机根据温度数字量度的处理结果，输出相应脉冲，输出系统根据接收到的脉冲执行相应的动作：正转、反转或者停止转动。

本发明的主要参数如下：

(1)能将火场温度分为0～255共256个等级，等级越高表示温度越高，等级越低表示温度越低。

(2)水炮旋转角度0～360度。

Claims (6)

1.一种基于红外温度传感器的自主寻得消防水炮系统的控制方法，其特征在于包含如下步骤：

(1)红外温度传感器获取温度数据，并以电压格式输出；

(2)A/D转换模块将温度电压标量转为温度的数字量；

(3)单片机处理温度的数字量；

(4)单片机根据温度数字量度的处理结果，输出相应脉冲；

上述步骤(4)中，所输出的脉冲为四相八拍步进驱动脉冲；正转脉冲顺序为：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA；反转脉冲顺序为：D-DC-C-CB-B-BA-A-AD；通过水炮的不断旋转扫描，红外温度传感器获取温度数据，并以电压形式输入到控制系统的A/D转换模块中，A/D转换模块将电压值转换为数字量，并不断重复这一操作，通过数字量的前后对比，如果发现数字量不断增大，则表明水炮在水平方向上不断对准高温点，则输出相应脉冲，控制水炮继续旋转；如果数字量不断减小，则表明消防水炮在水平方向上偏离高温点，则输出相应脉冲，控制水炮反转；当温度数字量再次达到最大温度数字量时，水炮暂停转动，开始进行喷水降温灭火工作。

2.根据权利要求1所述的基于红外温度传感器的自主寻得消防水炮系统的控制方法，其特征在于上述步骤(1)中，通过红外温度传感器获取温度数据，并以电压的形式输出至A/D转换模块。

3.根据权利要求1所述的基于红外温度传感器的自主寻得消防水炮系统的控制方法，其特征在于上述步骤(2)中，通过8位A/D转换模块将代表温度的电压值转换为数字量，8位A/D转换模块能将温度分为256个等级。

4.根据权利要求1所述的基于红外温度传感器的自主寻得消防水炮系统的控制方法，其特征在于上述控制水炮旋转的过程如下：

单片机首先将当前数字量、前一数字量、转折数字量都设为0，然后不断读入当前数字量，将当前数字量与前一数字量作比较，如果当前数字量大于或者等于前一数字量，则输出相应脉冲使得步进电机正转；如果当前数字量小于前一数字量，则表明数字量发生转折，将转折数字量设为前一数字量，并且输出相应脉冲使得步进电机反转，再不断读入当前数字量，如果当前数字量等于转折数字量，步进电机停止转动，消防水炮开始喷水降温灭火。

5.根据权利要求1所述的基于红外温度传感器的自主寻得消防水炮系统的控制方法，其特征在于自主寻得消防水炮系统的控制采用的数学模型如下：

N(x, y, z)＝α(z)T(x, y) , (1)

其中，N(x, y, z)为代表实际温度值的数字量，其为一个与x，y ，z空间直角坐标系相关的函数；α(z)为实际温度值与实际温度数字量之间的关系系数，其与消防水炮到检测范围的直线距离z有关；T(x, y)为检测平面内对应点(x, y)的实际温度；

上述数学模型(1)中，把y看做是一个无关量，其具体原因为:因为消防水炮自身有一定的仰角，并且喷水降温灭火时水压较大，其在垂直方向上能形成一道弧形或者直线的水柱，当水柱淋到应用场景(大型油罐)的高处时，水流会沿着罐壁由上而下留下，因此，当确定检测范围内最高温度点的横向坐标时(即x坐标)，即使水柱落点的y轴坐标与最高温度点的y轴坐标不一致，也不影响对最高温点的灭火降温效果，若要确定y的值，只需对y坐标进行如x坐标的扫描处理即可；

数学模型(1)中，温度数字量N与x，y，z有关，当y看做一个无关量时，数学模型简化为：

N(x ,z)＝α(z)T(x) ， (2)

当距离z一定时，α(z)一定，即N(x, z₀)＝α(z₀)T(x)，这样温度数字量与实际温度值之间有着明确的对应关系，实际温度值越大，温度数字量越大，因此，通过温度数字量的大小来判断实际温度的高低是可行有效的；

寻找检测范围内的温度最高点所采用的算法为“数值比较法”，具体实现如下：

将温度数字量的当前值N_m(x, z)与前一温度数字量N_m-1(x, z)作比较，从而确定检测范围内温度最高点的位置，具体实现方法如下：

首先将数学模型的最大值，即最大温度数字量N_max(x, z)设置为0；将当前温度数字量N_m(x, z)设置为0；将前一温度数字量N_m-1(x, z)设置为0；

单片机先将输入系统的输出电压通过A/D转换，转换成当前温度数字量N_m(x, z)，并且与前一温度数字量N_m-1(x, z)作比较：若当前数字量不小于前一数字量，表明消防水炮不断靠近最高温点，则将前一数字量N_m-1(x, z)的值设置为当前数字量N_m(x, z)的值，并且输出脉冲驱动步进电机正转；若当前数字量N_m(x，z)小于前一数字量N_m-1(x, z)，表明消防水炮偏离最高温点，则控制系统输出驱动脉冲使得步进电机反转；在数字量转折突变时，表示已找到探测范围内的最高温度位置，则将最大温度数字量N_max(x, z)设置为突变时的温度数字量；当最大温度数字量N_max(x, z)与当前数字量N_m (x, z)相等时，控制系统输出驱动脉冲使得电机停转。

6.根据权利要求5所述的基于红外温度传感器的自主寻得消防水炮系统的控制方法，其特征在于自主寻的消防水炮系统的控制围绕获取、处理三个温度数字量进行；这三个温度数字量分别为：当前温度数字量、前一温度数字量以及最大温度数字量；根据数学模型，

这三个温度数字量表示为：

当前温度数字量：N_m(x, z)；

前一温度数字量：N_m-1(x, z)；

最大温度数字量：N_max(x, z)；

利用数学模型，自主寻的消防水炮系统的控制方法，包括有如下步骤：

(1)根据数学模型：N(x, z)＝α(z)T(x)将当前温度数字量N_m(x, z)、前一温度数字量N_m-1(x, z)与及最大温度数字量N_max(x, z)的初始值全部设为0；

(2)红外温度传感器获取温度数据，并以电压格式输出；

(3)A/D转换模块将温度电压标量转为温度的数字量，根据数学模型：N(x, z)＝α(z)T(x)获得当前温度数字量N_m(x, z)；

(4)单片机处理当前温度数字量N_m(x, z)、前一温度数字量N_m-1(x, z)与及最大温度数字量N_max(x, z)之间的关系；

(5)单片机根据温度数字量度的处理结果，输出相应脉冲，输出系统根据接收到的脉冲执行相应的动作：正转、反转或者停止转动。

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