CN107590941B - 拍照式混合火焰探测器及其探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种拍照式混和火焰探测器，其特征在于：该探测器设有MCU主控单元(10)、紫外火焰探测系统、图像采集系统、红外火焰探测系统以及电源管理系统。一种拍照式混合火焰探测器的探测方法，其特征在于：包括步骤一、步骤二、步骤三、步骤四。其有益效果为：本发明功耗低、野外环境应用的抗干扰能力和适应性强；火情节点之间相互唤醒的方式可有效地判断火情发展的速度及范围；无线组网传输传感数据及压缩图像数据也可近距离点对点传输高清图像数据从而解决森林火灾预防及取证的难题。
Description
技术领域
本发明属于火情报警装置领域，具体地说，涉及一种拍照式的混合火焰探测器及其探测方法。
背景技术
传统的森林防火手段传统的森林防火手段主要包括护林员巡护、摄像监控。护林员巡护不能实时监护所有防火区域，且依靠人力防火不可控因素太多；摄像监控功耗大，需有限供电，安装位置受限，且地表火、林下火的早期火情监测较难。传统森林火灾取证主要是依靠侦查人员对火灾现场进行勘察，对火灾区周边人员进行走访、询问、排查等手段，往往由于犯罪嫌疑人各种计策推脱责任，逃避打击等主观因素及火灾现在遭受严重破坏，混乱不堪，难以搜寻到有价值的线索等客观因素令火灾案件陷入僵局，最终因证据不足做撤案处理，导致火灾案件审结率极低。以上防火手段都面临取证困难的问题。
目前国内相关拍照式混合火焰探测器及其探测方法申请的专利不多，并且都存在一定的局限性。市面上已有的紫红外火焰探测器都是基于建筑物消防的室内防火应用，需要有线供电和通信，并未考虑低功耗和野外复杂环境工作的需求且无法实现可视化与取证的问题。嵌入式图像采集主要应用于野外打猎相机，没有针对森林防火的应用，解决不了野外长期林火实时探测取证的准确性和可靠性问题。
随着信息技术和传感技术的快速发展，使用低功耗的火焰识别传感技术和嵌入式图像采集识别技术，无线组网传输技术才能有效的解决森林火灾预防及取证困难的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种低功耗结合嵌入式图像采集技术的火焰识别传感器，有效地解决了森林火灾预防以及取证的问题。
本发明的技术方案如下：
一种拍照式混合火焰探测器，其关键在于：该探测器设有MCU主控单元、紫外火焰探测系统、图像采集系统、红外火焰探测系统以及电源管理系统，所述MCU主控单元的紫外输入端连接所述紫外火焰探测系统，所述MCU主控单元的图像采集输入端连接所述图像采集系统，所述MCU主控单元的红外输入端连接所述红外火焰探测系统，所述MCU主控单元的环境采集输入端连接环境参数传感器组件，所述MCU主控单元的状态输出端连接状态指示灯单元，所述MCU主控单元的通信端双向连接双频无线通信单元，所述MCU主控单元双向连接所述电源管理系统。
采用上述方案，该探测器结合红外火焰探测系统、紫外火焰探测系统、图像采集系统及环境参数采集系统，对火焰信息进行特征识别，能精确判断火情，并利用双频无线通信单元传输到网关。
进一步描述，所述电源管理系统设有太阳能收集与存储单元，所述太阳能收集与存储单元的输出端连接电源管理单元，所述电源管理单元为所述紫外火焰探测系统、图像采集系统及MCU主控单元供电。
采用上述技术方案，太阳能收集与存储单元将太阳能转化为电能存储起来，由电源管理单元将电能智能分配给所需要的系统。
进一步描述，所述紫外火焰探测系统设有紫外驱动电路，所述紫外驱动电路的输入端连接所述电源管理单元的紫外输出端，所述紫外驱动电路的输出端连接紫外火焰传感器的输入端，所述紫外火焰传感器的输出端连接紫外采集电路的输入端，所述紫外采集电路的输出端连接所述MCU主控单元的紫外输入端；
其中，所述紫外火焰传感器探测波长范围在185～260nm的紫外火焰。
采用上述方案，紫外火焰传感器探测波长在185～260nm的紫外火焰，由电源管理单元提供电源，启动紫外驱动电路，紫外驱动电路驱动紫外传感器，紫外传感器将探测到的火焰信息通过紫外采集电路传送给MCU主控单元。
进一步描述，所述图像采集系统设有图像驱动电路，所述图像驱动电路的输入端连接所述电源管理单元的图像控制端，所述图像驱动电路的输出端连接图像传感器，所述图像传感器的输出端连接图像识别模块的输入端，所述图像识别模块的输出端连接所述MCU主控单元的图像输入端，所述图像识别模块与图像存储单元双向连接；
其中，所述图像传感器(12)采用高清摄像头采集图像，所述图像驱动电路(11)利用高速DSP芯片对所述图像传感器(12)进行驱动，所述图像识别模块(14)对所述图像传感器(12)采集的图像进行初次识别。
采用上述技术方案，图像驱动电路通过电源管理单元唤醒，从而驱动图像传感器，图像传感器将图像信息传送给图像识别电路，图像识别电路识别图像信息，将图像信息传输给图像存储单元保存，同时发送给MCU主控单元；图像识别电路还可以随时调取图像存储单元存储的图像信息。
进一步描述，所述红外火焰探测系统设有红外火焰传感器，所述红外火焰传感器的输出端连接多级放大电路的输入端，所述多级放大电路的输出端连接带通滤波电路的输入端，所述带通滤波电路的主控输出端连接所述MCU主控单元，所述带通滤波电路的I/O输出端连接I/O中断电路，所述I/O中断电路的输出端连接所述MCU主控单元；
其中，所述红外火焰传感器采集波长在4.1～4.9μm范围内的红外火焰。
采用上述方案，红外火焰传感器随时探测周围环境中波长在4.1～4.9μm范围内的红外火焰，当探测到有此范围内的红外火焰时，将信息传送给多级放大电路进行放大，放大后的信号传送给带通滤波电路进行筛选，当信号达到一定的幅度值时，触发I/O中断电路，I/O中断电路唤醒MCU主控单元的I/O端口，使MCU主控单元执行中断程序。
一种拍照式混合火焰探测器的探测方法，其关键在于：包括下列步骤：
步骤一、休眠状态下的工作步骤：
A、所述电源管理单元处于工作状态，将所述太阳能收集与存储单元内存储的电量进行预分配；
B、所述环境参数传感器组件采集周围环境的温湿度、光照度及紫外线的强度，并对环境状态进行评估；
C、所述红外火焰传感器探测外界火焰信号；
D、当红外火焰传感器探测到外界有波长在4.1～4.9μm范围内的火焰时，传送火焰信号给多级放大电路进行放大，所述多级放大电路将已放大的火焰信号传入带通滤波器进行筛选；
E、当火焰信号达到I/O中断电路的触发值时，所述I/O中断电路对所述MCU主控单元发送中断信号，执行中断程序；
步骤二、接收红外火焰I/O中断，启动MCU主控单元进行火焰特征识别：
A、所述MCU主控单元判断是否接收到红外火焰探测系统的I/O中断，当接收到红外火焰探测系统的I/O中断时，所述MCU主控单元被唤醒进入工作状态，否则返回步骤一；
B、所述MCU主控单元读取带通滤波电路传输的红外火焰数据；
C、所述MCU主控单元控制电源管理单元，激活紫外驱动电路，启动紫外火焰传感器工作，所述紫外火焰传感器将采集到的紫外火焰信号通过紫外采集电路传送给所述所述MCU主控单元；
D、所述MCU主控单元通过采集到的红外火焰信号和紫外火焰信号，进行火焰特征识别与分析；
步骤三、开启图像处理进程，分析图像火焰特征：
A、所述MCU主控单元根据火焰特征的识别与分析，判断是否进入图像处理进程，当需要进入图像处理进程时，所述MCU主控单元进入图像采集系统的唤醒工作，否则返回步骤一；
B、所述MCU主控单元控制所述电源管理单元开启图像处理进程，对图像采集系统进行初始化；
C、启动图像驱动电路，开启图像传感器采集高清图像；
D、所述MCU主控单元采集环境参数；
E、所述MCU主控单元进行图像火焰特征识别；
步骤四、将火焰图片保存，并将图像数据传输给相关处理部门：
A、所述MCU主控单元根据图像火焰特征识别结果，判断是否为火焰；
B、当此图像为火焰时，进入数据传输进程，否则返回步骤一；
C、首先所述MCU主控单元控制将火焰图像保存到图像存储单元，进入数据传输过程，并对双频无线通信单元初始化；
D、然后通过所述双频无线通信单元进行数据传输，选择Sub-1GHz频段将红外、紫外及环境传感数据传送至网关，选择2.4GHz频段将图像数据传送至网关；
E、最后关闭双频无线通信单元和图像采集系统，所述MCU主控单元进入休眠状态。
采用上述技术方案，步骤一为探测器的预工作，当探测到红外火焰信号时触发步骤二的工作流程，步骤二只结合红外火焰和紫外火焰信号进行初步判断火情的产生，当确实识别到火焰时触发步骤三，步骤三利用图像处理技术，对火焰图像进行分析与处理，再结合收集到的环境参数，判断火焰信号的真实性，当确实为火焰时触发步骤四，对火情图像进行保存，同时将火情信号和图像信号传送至网关。
进一步描述，所述图像火焰特征识别的方法如下：
步骤一、当红外、紫外初步判定为火焰时，所述MCU主控单元控制启动图像处理进程；
步骤二、所述MCU主控单元通过红外火焰传感器、紫外火焰传感器采集火焰数据，并采集环境参数，作为辅助决策因子；
步骤三、所述MCU主控单元通过低功耗唤醒DSP芯片，对图像采集处理模块进行初始化；
步骤四、所述图像传感器启动摄像头，对火焰定位与预处理，进行第一次火焰特征的识别；
步骤五、摄像头对火焰图像采集，采用DSP进行图像识别计算；
步骤六、所述MCU主控单元根据图像识别计算结果和环境参数进行分类决策；
步骤七、所述MCU主控单元再根据分类决策的结果，结合第二次识别与第三次识别，进行度量决策；
步骤八、输出图像识别结果，判断是否为火焰；
步骤九、通过判断为火焰时，所述MCU主控单元控制启动图像存储单元，将图像保存，否则返回到休眠状态。
采用上述技术方案，通过计算火焰数据的离散系数u，当u处于设定阈值范围内，将通过MCU主控单元触发图像驱动与识别电路进行图像采集与识别，并将图像识别结果建立特征向量表2；通过MCU主控单元对特性向量1与特性向量2求取相关系数，通过对每个向量的信息熵的计算，获取该种特征对判别火焰的贡献度，再通过统计学的数据整合和优化，建立智能决策树模型，通过该决策树模型后判定为火焰时，启动图像存储单元，将图像进行存储。
再进一步描述，所述图像识别计算的方法如下列步骤：
步骤一、开启DSP图像采集处理模块，进行图像的采集，对图像进行色彩转化，将彩图转化为灰度图；
步骤二、将色彩转化后的图像进行中值滤波，消除图像噪声点；
步骤三、将滤波后的图像进行阈值分割，将火焰目标与背景分离；
步骤四、将分割后的图像进行腐蚀和膨胀，剔除错误分割的小区域和孤立点；
步骤五、对火焰图像进行边界提取和边界细化处理；
步骤六、对处理后的图像进行火焰特征向量提取；
步骤七、利用分类器特征比对进行分类决策；
步骤八、结合环境状态评估结果，对火焰特征进行度量决策；
步骤九、输出识别结果。
再进一步描述，所述彩图转换为灰度图采用如下公式计算：
Gray＝R×0.299+G×0.587+B×0.114
其中：所述Gray是利用心理学共识计算后的亮度；
R、G、B分别是图像红、绿、蓝三原色的亮度。
再进一步描述，所述中值滤波采用如下公式计算：
其中：A为十字形滤波窗口；
xij表示数字图像滤波窗口内各点的灰度值。
再进一步描述，所述阈值分割采用Otsu算法进行计算：
步骤一、设所识别图像的灰度等级为L，第i级像素为Ni个，其中i取值在0～(L-1)之间的总像素点为：
第i级出现的概率为：
步骤二、以阈值t将所有像素点分为目标的背景两类，目标的像素灰度等级为0～t-1，背景为t～L-1，图像总平均灰度级为：
目标类像素所占总面积比例为：
背景类像素所占总面积比例为：ω1＝1-ω0
目标类像素的平均灰度级为：μ0＝μ0(t)/ω0
背景类平均灰度级为：μ1＝μ1(t)/ω1
其中，
最大类间方差公式为：
δ2(t)＝ω0(μ-μ0)2+ω1(μ-μ1)2
使方差δ2(t)得到最大值的t值，便是所求最优阈值。
所述腐蚀的计算公式如下：
其中，A为分割后的图像，B为结构元素，AΘB表示A被B腐蚀；
所述膨胀计算公式如下：
其中表示A被B膨胀。
再进一步描述，所述图像边界提取采用Sobel算子边缘检测算法：
步骤一、选取两个模板领域，分别为x水平方向，y垂直方向；
步骤二、分别计算像元的边缘梯度强度，选取边缘梯度强度最高的作为像素点的边缘梯度；
步骤三、再根据一定的阈值进行取舍；
再进一步描述，像素梯度公式如下：
dx＝(Z1+2Z2+Z3)-(Z7+2Z8+Z9)
dy＝(Z1+2Z4+Z7)-(Z3+2Z6+Z9)
其中，dx为水平方向卷积核，dy为垂直方向的卷积核。
图像模板领域
再进一步描述，所述细化处理的计算公式如下：
edge(m,n)＝Max(m,n)grade(m,n)＞a×Max(i,j)
edge(m,n)＝0 other
其中，grade(m，n)为像素点(m，n)对应的梯度值；
Max(m，n)为(m，n)点8邻域最大梯度值；
a为控制因子，0<a<1,不同的a值对应不同的边缘宽度。
再进一步描述，所述度量决策基于试验与统计后的经验公式如下：
Ressult[i,j,k,l…]＝γ(g,f,h)
其中，I,j,k,l为特征火焰的贡献因子，γ(g,f,h)为度量决策经验函数。
进一步描述，多个所述探测器之间相互通信，构成通信网络，传送信号至网关，节点之间相互唤醒的过程如下：
步骤一、当拍照式混合火焰探测器确认有火情发生时，开启双频无线通信单元，火情节点发送火情至网关；
步骤二、唤醒相邻的节点，探测是否有火情；
步骤三、当相邻的火情节点探测到有火情发生时，开启所述双频无线通信单元，火情节点发送火情至网关，并唤醒周围的休眠状态的探测器工作；
当相邻的火情节点未探测到有火情，仅将该火情节点的探测结果传输至网关。
采用上述技术方案，当一个火情节点发现火情时，唤醒该火情节点周围的节点，这些节点探测是否有火情，有火情时继续唤醒周围的节点，同时所有被唤醒的节点都传输探测数据或者火情数据给网关，可以迅速判断出火情的严重性，并没能精确查找出火情的初始发生点。
进一步描述，所述组网传输过程中，火情节点传输数据的过程如下：
步骤G1、当拍照式混合火焰探测器发现火情，开启双频无线通信单元；
步骤G2、火情节点发送请求数据上行命令，等待网关响应；
步骤G3、所述火情节点收到回复参数后，选择最佳上行节点，发送握手请求命令；
步骤G4、所述火情节点判断是否收到握手成功命令，收到握手成功命令时传输数据，否则返回步骤G2；
步骤G5、所述火情节点判断是否收到数据接收成功命令，收到数据接收成功命令时，双频无线通信单元休眠，否则返回步骤G2。
进一步描述，上行节点接收数据的过程如下：
步骤H1、所述网关处于休眠状态，当接收到数据上行命令时，回复电压、在线状态等参数；
步骤H2、判断是否收到节点的握手请求命令，收到握手请求命令时，回复所述节点握手成功命令，否则返回步骤H1；
步骤H3、网关回复握手成功命令后，判断是否收到正式的数据，当收到正式数据时，对节点回复数据接收成功命令，否则返回步骤H1；
步骤H4、将数据转发至更上一级的节点，直至传到网关。
采用上述技术方案，利用组网传输的过程，将火情数据一级一级往上传，直至传输至网关。
其有益效果为：本发明功耗低、野外环境应用的抗干扰能力和适应性强；火情节点之间相互唤醒的方式可有效地判断火情发展的速度及范围；无线组网传输传感数据及压缩图像数据也可近距离点对点传输高清图像数据从而解决森林火灾预防及取证的难题。
附图说明
图1为本发明的硬件框图；
图2为本发明的工作流程图；
图3为图像采集系统的图像识别过程；
图4为图像识别算法处理流程；
图5为各个节点之间的网络拓扑图；
图6为火情节点相互唤醒流程；
图7为火情节点传输数据流程图；
图8为上级节点接收数据流程图；
图9为紫外采集系统的电路图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种拍照式混合火焰探测器，其关键在于：该探测器设有MCU主控单元10、紫外火焰探测系统、图像采集系统、红外火焰探测系统以及电源管理系统，所述MCU主控单元10的紫外输入端连接所述紫外火焰探测系统，所述紫外火焰探测系统设有紫外驱动电路7，所述紫外驱动电路7的输入端连接所述电源管理单元2的紫外输出端，所述紫外驱动电路7的输出端连接紫外火焰传感器8的输入端，所述紫外火焰传感器8的输出端连接紫外采集电路9的输入端，所述紫外采集电路9的输出端连接所述MCU主控单元10的紫外输入端；其中，所述紫外火焰传感器8探测波长范围在185～260nm的紫外火焰。
作为优选，如图9所示，所述紫外火焰驱动电路7包括变压器B1，所述变压器B1的第一初级线圈的一端连接所述电源管理单元2，所述变压器B1的第一初级线圈的另一端连接三极管的集电极，所述变压器B1的第一初级线圈的两端并联第二十八电容C28，所述三极管的基极连接所述变压器B1的第二初级线圈的一端，所述变压器B1的第二初级线圈的另一端通过第二十八电阻R28接地，所述变压器B1的第二初级线圈的另一端通过第二十七电阻R27连接所述电源管理单元2，所述变压器B1的第二初级线圈的另一端通过第二十九电容C29接地，所述三极管的发射极通过第二十九电阻R29接地，所述变压器B1的第一初级线圈的一端通过第二电解电容Cs2接地；
所述变压器B1的次级线圈的一端接地，所述变压器B1的次级线圈的另一端分别经过第八稳压二极管D8、第三十电阻R30、第三十一电阻R31接地，所述第三十电阻R30与第三十一电阻R31的公共端连接所述紫外火焰传感器8的驱动端，所述紫外火焰传感器8的信号输出端通过第三十二电阻R32接地，所述紫外火焰传感器8的信号输出端经第三十三电阻R33接第四运算放大器UID的正相输入端，该正相输入端经第三十电容C30接地，该正相输入端还连接第九稳压二极管D9的负极，所述第九稳压二极管D9的正极接地，所述第四运算放大器UID的负相输入端接地；
所述第四运算放大器UID的输出端通过第三十四电阻R34连接所述MCU主控单元10的采集IO口，所述第四运算放大器UID的输出端通过第三十一电容C31接地。
如图1所示，所述MCU主控单元10的图像采集输入端连接所述图像采集系统，所述图像采集系统设有图像驱动电路11，所述图像驱动电路11的输入端连接所述电源管理单元2的图像控制端，所述图像驱动电路11的输出端连接图像传感器12，所述图像传感器12的输出端连接图像识别模块14的输入端，所述图像识别模块14的输出端连接所述MCU主控单元10的图像输入端，所述图像识别模块14与图像存储单元13双向连接；其中，所述图像传感器12采用高清摄像头采集图像，所述图像驱动电路11利用高速DSP芯片对所述图像传感器12进行驱动，所述图像识别模块14对所述图像传感器12采集的图像进行识别。
如图1所示，所述MCU主控单元10的红外输入端连接所述红外火焰探测系统，所述红外火焰探测系统设有红外火焰传感器3，所述红外火焰传感器3的输出端连接多级放大电路4的输入端，所述多级放大电路4的输出端连接带通滤波电路5的输入端，所述带通滤波电路5的主控输出端连接所述MCU主控单元10，所述带通滤波电路5的I/O输出端连接I/O中断电路，所述I/O中断电路的输出端连接所述MCU主控单元10；其中，所述红外火焰传感器3采集波长在4.1～4.9μm范围内的红外火焰。
如图1所示，所述MCU主控单元10双向连接所述电源管理系统，所述电源管理系统设有太阳能收集与存储单元1，所述太阳能收集与存储单元1的输出端连接电源管理单元2，所述电源管理单元2为所述紫外火焰探测系统、图像采集系统及MCU主控单元10供电。
如图1所示，所述MCU主控单元10的环境采集输入端连接环境参数传感器组件15，所述MCU主控单元10的状态输出端连接状态指示灯单元16，所述MCU主控单元10的通信端双向连接双频无线通信单元17。
如图2所示，一种拍照式混合火焰探测器的探测方法，其关键在于：包括下列步骤：
步骤一、休眠状态下的工作步骤：
A、所述电源管理单元2处于工作状态，将所述太阳能收集与存储单元1内存储的电量进行预分配；
B、所述环境参数传感器组件15采集周围环境的温湿度、光照度及紫外线的强度，并对环境状态进行评估；
C、所述红外火焰传感器3探测外界火焰信号；
D、当红外火焰传感器3探测到外界有波长在4.1～4.9μm范围内的火焰时，传送火焰信号给多级放大电路4进行放大，所述多级放大电路4将已放大的火焰信号传入带通滤波器5进行筛选；
E、当火焰信号达到I/O中断电路6的触发值时，所述I/O中断电路对所述MCU主控单元10发送中断信号，执行中断程序；
步骤二、接收红外火焰I/O中断，启动MCU主控单元10进行火焰特征识别：
A、所述MCU主控单元10判断是否接收到红外火焰探测系统的I/O中断，当接收到红外火焰探测系统的I/O中断时，所述MCU主控单元被唤醒进入工作状态，否则返回步骤一；
B、所述MCU主控单元10读取带通滤波电路5传输的红外火焰数据；
C、所述MCU主控单元10控制电源管理单元2，激活紫外驱动电路7，启动紫外火焰传感器8工作，所述紫外火焰传感器8将采集到的紫外火焰信号通过紫外采集电路9传送给所述所述MCU主控单元10；
D、所述MCU主控单元10通过采集到的红外火焰信号和紫外火焰信号，进行火焰特征识别与分析；
步骤三、开启图像处理进程，分析图像火焰特征：
A、所述MCU主控单元10根据火焰特征的识别与分析，判断是否进入图像处理进程，当需要进入图像处理进程时，所述MCU主控单元10进入图像采集系统的唤醒工作，否则返回步骤一；
B、所述MCU主控单元10控制所述电源管理单元2开启图像处理进程，对图像采集系统进行初始化；
C、启动图像驱动电路11，开启图像传感器12采集高清图像；
D、所述MCU主控单元10采集环境参数；
E、所述MCU主控单元10进行图像火焰特征识别；
步骤四、将火焰图片保存，并将图像数据传输给相关处理部门：
A、所述MCU主控单元10根据图像火焰特征识别结果，判断是否为火焰；
B、当此图像为火焰时，进入数据传输进程，否则返回步骤一；
C、首先所述MCU主控单元10控制将火焰图像保存到图像存储单元13，进入数据传输过程，并对双频无线通信单元17初始化；
D、然后通过所述双频无线通信单元17进行数据传输，选择Sub-1GHz频段将红外、紫外及环境传感数据传送至网关，选择2.4GHz频段将图像数据传送至网关；
E、最后关闭双频无线通信单元17和图像采集系统，所述MCU主控单元进入休眠状态。
如图3所示，所述图像火焰特征识别的方法如下：
步骤一、当红外、紫外初步判定为火焰时，所述MCU主控单元10控制启动图像处理进程；
步骤二、所述MCU主控单元10通过红外火焰传感器3、紫外火焰传感器8采集火焰数据，并采集环境参数，作为辅助决策因子；
步骤三、所述MCU主控单元10通过低功耗唤醒DSP芯片，对图像采集处理模块进行初始化；
步骤四、所述图像传感器12启动摄像头，对火焰定位与预处理，进行第一次火焰特征的识别；
步骤五、摄像头对火焰图像采集，采用DSP进行图像识别计算；
步骤六、所述MCU主控单元10根据图像识别计算结果和环境参数进行分类决策；
步骤七、所述MCU主控单元10再根据分类决策的结果，结合第二次识别与第三次识别，进行度量决策；
步骤八、输出图像识别结果，判断是否为火焰；
步骤九、通过判断为火焰时，所述MCU主控单元10控制启动图像存储单元13，将图像保存，否则返回到休眠状态。
如图4所示，所述图像识别计算的方法如下列步骤：
步骤一、开启DSP图像采集处理模块，进行图像的采集，对图像进行色彩转化，将彩图转化为灰度图；
步骤二、将色彩转化后的图像进行中值滤波，消除图像噪声点；
步骤三、将滤波后的图像进行阈值分割，将火焰目标与背景分离；
步骤四、将分割后的图像进行腐蚀和膨胀，剔除错误分割的小区域和孤立点；
步骤五、对火焰图像进行边界提取和边界细化处理；
步骤六、对处理后的图像进行火焰特征向量提取；
步骤七、利用分类器特征比对进行分类决策；
步骤八、结合环境状态评估结果，对火焰特征进行度量决策；
步骤九、输出识别结果。
所述彩图转换为灰度图采用如下公式计算：
Gray＝R×0.299+G×0.587+B×0.114
其中：所述Gray是利用心理学共识计算后的亮度；
R、G、B分别是图像红、绿、蓝三原色的亮度。
所述中值滤波采用如下公式计算：
其中：A为十字形滤波窗口；
xij表示数字图像滤波窗口内各点的灰度值。
所述阈值分割采用Otsu算法进行计算：
步骤一、设所识别图像的灰度等级为L，第i级像素为Ni个，其中i取值在0～(L-1)之间的总像素点为：
第i级出现的概率为：
步骤二、以阈值t将所有像素点分为目标的背景两类，目标的像素灰度等级为0～t-1，背景为t～L-1，图像总平均灰度级为：
目标类像素所占总面积比例为：
背景类像素所占总面积比例为：ω1＝1-ω0
目标类像素的平均灰度级为：μ0＝μ0(t)/ω0
背景类平均灰度级为：μ1＝μ1(t)/ω1
其中，
最大类间方差公式为：
δ2(t)＝ω0(μ-μ0)2+ω1(μ-μ1)2
使方差δ2(t)得到最大值的t值，便是所求最优阈值。
所述腐蚀的计算公式如下：
其中，A为分割后的图像，B为结构元素，AΘB表示A被B腐蚀；
所述膨胀计算公式如下：
其中表示A被B膨胀。
所述图像边界提取采用Sobel算子边缘检测算法：
步骤一、选取两个模板领域，分别为x水平方向，y垂直方向；
步骤二、分别计算像元的边缘梯度强度，选取边缘梯度强度最高的作为像素点的边缘梯度；
步骤三、再根据一定的阈值进行取舍；
像素梯度公式如下：
其中，dx为水平方向卷积核，dy为垂直方向的卷积核。
所述细化处理的计算公式如下：
edge(m,n)＝Max(m,n)grade(m,n)＞a×Max(i,j)
edge(m,n)＝0 other
其中，grade(m，n)为像素点(m，n)对应的梯度值；
Max(m，n)为(m，n)点8邻域最大梯度值；
a为控制因子，0<a<1,不同的a值对应不同的边缘宽度。
所述度量决策基于试验与统计后的经验公式如下：
Ressult[i,j,k,l…]＝γ(g,f,h)
其中，I,j,k,l为特征火焰的贡献因子，γ(g,f,h)为度量决策经验函数。
如图5所示，所述多个探测器之间存在相互唤醒探测的过程，该过程如下：
步骤一、当拍照式混合火焰探测器确认有火情发生时，开启双频无线通信单元17，火情节点发送火情至网关；
步骤二、唤醒所述火情节点的第二级节点，探测是否有火情；
步骤二、唤醒相邻的节点，探测是否有火情；
步骤三、当相邻的火情节点探测到有火情发生时，开启所述双频无线通信单元17，火情节点发送火情至网关，并唤醒周围的休眠状态的探测器工作；
当相邻的火情节点未探测到有火情，仅将该火情节点的探测结果传输至网关。
其中，每100～200米左右建立一个拍照式混合火焰探测器，为一个节点，一个区域存在多个节点。
如图6所示，所述组网传输过程中，火情节点发送数据至上级节点的步骤如下：
步骤G1、当拍照式混合火焰探测器发现火情，开启双频无线通信单元17；
步骤G2、火情节点发送请求数据上行命令，等待网关响应；
步骤G3、所述火情节点收到回复参数后，选择最佳上行节点，发送握手请求命令；
步骤G4、所述火情节点判断是否收到握手成功命令，收到握手成功命令时传输数据，否则返回步骤G2；
步骤G5、所述火情节点判断是否收到数据接收成功命令，收到数据接收成功命令时，双频无线通信单元17休眠，否则返回步骤G2；
如图7所示，上行节点接收数据过程如下：
步骤H1、所述网关处于休眠状态，当接收到数据上行命令时，回复电压、在线状态等参数；
步骤H2、判断是否收到节点的握手请求命令，收到握手请求命令时，回复所述节点握手成功命令，否则返回步骤H1；
步骤H3、网关回复握手成功命令后，判断是否收到正式的数据，当收到正式数据时，对节点回复数据接收成功命令，否则返回步骤H1；
步骤H4、将将数据转发至更上一级的节点，直至传到网关。
Claims (5)
1.一种拍照式混合火焰探测器的探测方法，拍照式混合火焰探测器设有MCU主控单元(10)、紫外火焰探测系统、图像采集系统、红外火焰探测系统以及电源管理系统，所述MCU主控单元(10)的紫外输入端连接所述紫外火焰探测系统，所述MCU主控单元(10)的图像采集输入端连接所述图像采集系统，所述MCU主控单元(10)的红外输入端连接所述红外火焰探测系统，所述MCU主控单元(10)的环境采集输入端连接环境参数传感器组件(15)，所述MCU主控单元(10)的通信端双向连接双频无线通信单元(17)，所述MCU主控单元(10)双向连接所述电源管理系统；
所述电源管理系统设有太阳能收集与存储单元(1)，所述太阳能收集与存储单元(1)的输出端连接电源管理单元(2)，所述电源管理单元(2)为所述紫外火焰探测系统、图像采集系统及MCU主控单元(10)供电，所述MCU主控单元(10)的状态输出端连接状态指示灯单元(16)；
所述紫外火焰探测系统设有紫外驱动电路(7)，所述紫外驱动电路(7)的输入端连接所述电源管理单元(2)的紫外输出端，所述紫外驱动电路(7)的输出端连接紫外火焰传感器(8)的输入端，所述紫外火焰传感器(8)的输出端连接紫外采集电路(9)的输入端，所述紫外采集电路(9)的输出端连接所述MCU主控单元(10)的紫外输入端；
其中，所述紫外火焰传感器(8)探测波长范围在185～260nm的紫外火焰；
所述图像采集系统设有图像驱动电路(11)，所述图像驱动电路(11)的输入端连接所述电源管理单元(2)的图像控制端，所述图像驱动电路(11)的输出端连接图像传感器(12)，所述图像传感器(12)的输出端连接图像识别模块(14)的输入端，所述图像识别模块(14)的输出端连接所述MCU主控单元(10)的图像输入端，所述图像识别模块(14)与图像存储单元(13)双向连接；
其中，所述图像传感器(12)为高清摄像头采集图像，所述图像驱动电路(11)利用高速DSP芯片对所述图像传感器(12)进行驱动，所述图像识别模块(14)对所述图像传感器(12)采集的图像进行识别；
所述红外火焰探测系统设有红外火焰传感器(3)，所述红外火焰传感器(3)的输出端连接多级放大电路(4)的输入端，所述多级放大电路(4)的输出端连接带通滤波电路(5)的输入端，所述带通滤波电路(5)的主控输出端连接所述MCU主控单元(10)，所述带通滤波电路(5)的I/O输出端连接I/O中断电路，所述I/O中断电路的输出端连接所述MCU主控单元(10)；
其中，所述红外火焰传感器(3)采集波长在4.1～4.9μm范围内的红外火焰；
其特征在于：包括下列步骤：
步骤一、休眠状态下的工作步骤：
A、所述电源管理单元(2)处于工作状态，将所述太阳能收集与存储单元(1)内存储的电量进行预分配；
B、所述环境参数传感器组件(15)采集周围环境的温湿度、光照度及紫外线的强度，并对环境状态进行评估；
C、所述红外火焰传感器(3)探测外界火焰信号；
D、当红外火焰传感器(3)探测到外界有波长在4.1～4.9μm范围内的火焰时，传送火焰信号给多级放大电路(4)进行放大，所述多级放大电路(4)将已放大的火焰信号传入带通滤波器(5)进行筛选；
E、当火焰信号达到I/O中断电路(6)的触发值时，所述I/O中断电路对所述MCU主控单元(10)发送中断信号，执行中断程序；
步骤二、接收红外火焰I/O中断，启动MCU主控单元(10)进行火焰特征识别：
A、所述MCU主控单元(10)判断是否接收到红外火焰探测系统的I/O中断，当接收到红外火焰探测系统的I/O中断时，所述MCU主控单元被唤醒进入工作状态，否则返回步骤一；
B、所述MCU主控单元(10)读取带通滤波电路(5)传输的红外火焰数据；
C、所述MCU主控单元(10)控制电源管理单元(2)，激活紫外驱动电路(7)，启动紫外火焰传感器(8)工作，所述紫外火焰传感器(8)将采集到的紫外火焰信号通过紫外采集电路(9)传送给所述MCU主控单元(10)；
D、所述MCU主控单元(10)通过采集到的红外火焰信号和紫外火焰信号，进行火焰特征识别与分析；
步骤三、开启图像处理进程，分析图像火焰特征：
A、所述MCU主控单元(10)根据火焰特征的识别与分析，判断是否进入图像处理进程，当需要进入图像处理进程时，所述MCU主控单元(10)进入图像采集系统的唤醒工作，否则返回步骤一；
B、所述MCU主控单元(10)控制所述电源管理单元(2)开启图像处理进程，对图像采集系统进行初始化；
C、启动图像驱动电路(11)，开启图像传感器(12)采集高清图像；
D、所述MCU主控单元(10)采集环境参数；
E、所述MCU主控单元(10)进行图像火焰特征识别；
步骤四、将火焰图片保存，并将图像数据进行上传，同时唤醒相邻的拍照式混合火焰探测器：
A、所述MCU主控单元(10)根据图像火焰特征识别结果，判断是否为火焰；
B、当此图像为火焰时，进入数据传输进程，否则返回步骤一；
C、首先所述MCU主控单元(10)控制将火焰图像保存到图像存储单元(13)，进入数据传输过程，并对双频无线通信单元(17)初始化；
D、然后通过所述双频无线通信单元(17)进行数据传输，选择Sub-1GHz频段将红外、紫外及环境传感数据传送至网关，选择2.4GHz频段将图像数据传送至网关；
E、最后关闭双频无线通信单元(17)和图像采集系统，所述MCU主控单元进入休眠状态。
2.根据权利要求1所述的拍照式混合火焰探测器的探测方法，其特征在于：所述图像火焰特征识别的方法如下：
步骤一、当红外、紫外初步判定为火焰时，所述MCU主控单元(10)控制启动图像处理进程；
步骤二、所述MCU主控单元(10)通过红外火焰传感器(3)、紫外火焰传感器(8)采集火焰数据，并采集环境参数，作为辅助决策因子；
步骤三、所述MCU主控单元(10)通过低功耗唤醒DSP芯片，对图像采集处理模块进行初始化；
步骤四、所述图像传感器(12)启动摄像头，对火焰定位与预处理，进行第一次火焰特征的识别；
步骤五、摄像头对火焰图像采集，采用DSP进行图像识别计算；
步骤六、所述MCU主控单元(10)根据图像识别计算结果和环境参数进行分类决策；
步骤七、所述MCU主控单元(10)再根据分类决策的结果，结合第二次识别与第三次识别，进行度量决策；
步骤八、输出图像识别结果，判断是否为火焰；
步骤九、通过判断为火焰时，所述MCU主控单元(10)控制启动图像存储单元(13)，将图像保存，否则返回到休眠状态。
3.根据权利要求2所述的拍照式混合火焰探测器的探测方法，其特征在于：所述图像识别计算的方法如下列步骤：
步骤一、开启DSP图像采集处理模块，进行图像的采集，对图像进行色彩转化，将彩图转化为灰度图；
步骤二、将色彩转化后的图像进行中值滤波，消除图像噪声点；
步骤三、将滤波后的图像进行阈值分割，将火焰目标与背景分离；
步骤四、将分割后的图像进行腐蚀和膨胀，剔除错误分割的小区域和孤立点；
步骤五、对火焰图像进行边界提取和边界细化处理；
步骤六、对处理后的图像进行火焰特征向量提取；
步骤七、利用分类器特征比对进行分类决策；
步骤八、结合环境状态评估结果，对火焰特征进行度量决策；
步骤九、输出识别结果。
4.根据权利要求1所述的拍照式混合火焰探测器的探测方法，其特征在于：多个所述探测器之间相互通信，与网关构成多个通信链路，同时各探测器之间存在唤醒链路，用于唤醒周围的探测器工作；
节点之间相互唤醒的过程如下：
步骤一、当拍照式混合火焰探测器确认有火情发生时，开启双频无线通信单元(17)，火情节点发送火情至网关；
步骤二、唤醒相邻的火情节点，探测是否有火情；
步骤三、当相邻的火情节点探测到有火情发生时，开启所述双频无线通信单元(17)，火情节点发送火情至网关，并唤醒周围的休眠状态的探测器工作；
当相邻的火情节点未探测到有火情，仅将该火情节点的探测结果传输至网关。
5.根据权利要求4所述的拍照式混合火焰探测器的探测方法，其特征在于：所述通信链路中，组网传输过程的火情节点上传数据过程如下：
步骤G1、当拍照式混合火焰探测器发现火情，开启双频无线通信单元(17)；
步骤G2、火情节点发送请求数据上行命令，等待网关响应；
步骤G3、所述火情节点收到回复参数后，选择最佳上行节点，发送握手请求命令；
步骤G4、所述火情节点判断是否收到握手成功命令，收到握手成功命令时传输数据，否则返回步骤G2；
步骤G5、所述火情节点判断是否收到数据接收成功命令，收到数据接收成功命令时，双频无线通信单元(17)休眠，否则返回步骤G2；
上行节点接收数据的过程如下：
步骤H1、所述网关处于休眠状态，当接收到数据上行命令时，回复电压、在线状态参数；
步骤H2、判断是否收到节点的握手请求命令，收到握手请求命令时，回复所述节点握手成功命令，否则返回步骤H1；
步骤H3、网关回复握手成功命令后，判断是否收到正式的数据，当收到正式数据时，对节点回复数据接收成功命令，否则返回步骤H1；
步骤H4、将数据转发至更上一级的节点，直至传到网关。
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