CN110021134A - 一种家庭消防报警系统及其报警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种家庭消防报警系统及其报警方法，包括控制器、烟雾测量电路、温度测量电路、CO测量电路、CCD摄像头、红外探测电路、报警电路、防火门控制电路、防排烟控制电路和消防喷水控制电路，烟雾测量电路、温度测量电路、CO测量电路、CCD摄像头和红外探测电路连接到控制器的信号接收端，控制器的控制端连接有报警电路、防火门控制电路、防排烟控制电路和消防喷水控制电路，控制器的通信端连接移动终端或PC端。本发明实时获取家庭消防环境数据，红外火焰探头和CCD视频火焰监测共同作用，可以保证火焰的精确探测，提高监测可靠性，并采用控制器的通信端(RS485通讯端口和GPRS通信模块)，将数据实时传输到PC机或移动终端，实现上位机监控和远程监控报警。
Description
技术领域
本发明涉及一种家庭消防报警系统及其报警方法，属于家庭消防报警设备技术领域。
背景技术
由于近些年住宅区火灾频发，现代家庭式消防监控越来越得到人们的重视。住宅区具有人口密集，易燃物较多等特点，火灾发生时人员疏散比较困难，并且由于住户教育水平、健康状况不同，面对火灾的反应能力也各不相同，因此现代家庭式消防报警系统的技术要求、人性化水平都需要得到相应的提高。
传统的家庭消防报警系统缺乏系统性，报警装置单一，应急措施较少，已经无法满足现代家庭的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种家庭消防报警系统及其报警方法，以解决上述现有技术中存在的问题。
本发明采取的技术方案为：一种家庭消防报警系统，包括控制器、烟雾测量电路、温度测量电路、CO测量电路、CCD摄像头、红外探测电路、报警电路、防火门控制电路、防排烟控制电路和消防喷水控制电路，烟雾测量电路、温度测量电路、CO测量电路、CCD摄像头和红外探测电路连接到控制器的信号接收端，控制器的控制端连接有报警电路、防火门控制电路、防排烟控制电路和消防喷水控制电路，控制器的通信端连接移动终端或PC端。
优选的，上述控制器还连接有人机交互界面，人机交互界面包括显示屏和按键。
优选的，上述烟雾测量电路中采用MQ-2烟雾传感器，红外探测电路中采用A715UV/IR2火焰探测器，温度测量电路中采用Pt100/1000自适应测温探头，CO测量电路中采用ME2-CO型电化学传感器。
优选的，上述烟雾测量电路、温度测量电路、CO测量电路、红外探测电路均通过尔曼滤波器连接到控制器。
一种家庭消防报警系统的报警方法，该方法为：MQ-2烟雾传感器测量烟雾浓度，利用稳压芯片LM1117构成电压转换电路，将烟雾传感器的0～5v电压信号转换成0～3.3v，并将模拟信号通过AD转换得到数值信号，然后在控制器中进行数值处理，Pt100/1000自适应测温探头，电子模拟开关控制测温探头Pt100和Pt1000之间的切换，度测量电路采用三线制接法，数据通过测温电路进行放大和滤波后传输到控制器，CO测量电路对CO传感器的输出电流进行放大和滤波，并且对信号进行模数转换，红外火焰探头通过ISO协议连接单片机，其输出电流进行I/V转换，对CCD摄像头的图像数据，转换成电信号，利用图像识别的方式，监测火焰存在，若红外火焰探头与CCD同时探测到火焰存在，则进行火焰报警。
尔曼滤波器对烟雾测量电路、温度测量电路、CO测量电路、红外探测电路中数据处理，首先确定系统的状态方程和测量方程如下：
其中Xk、Uk、Zk分别表示k时刻系统的状态、输入量以及测量值。A、B和H是系统参数，qk和rk分别表示过程噪声和测量噪声，设定qk、rk的协方差矩阵为Qk、Rk。
预估:
Pk|k-1＝A·Pk-1|k-1·AT+Qk (6)
则:
Gk＝Pk|k-1·HT·(H·Pk|k-1·HT+Rk)-1 (7)
Pk|k＝(1-Gk·H)·Pk|k-1 (9)
其中Pk|k-1表示对应的协方差矩阵，Pk|k表示对应的协方差矩阵，Gk表示k时刻的卡尔曼增益。
卡尔曼滤波后的数据采用卡尔曼平滑：
Jk＝Pk|k·AT·(Pk+1|k)-1 (11)
其中表示卡尔曼平滑后的数据，表示对应的协方差矩阵。
图像识别火焰：首先将彩色图片进行灰度处理。利用mean-shift聚类法将图像的特征进行提取，然后人工设定阈值，实现图像的阈值分割，将火焰主体从图像中标识出来。
采用mean-shift聚类算法，步骤如下：
确定其多元核密度估计函数为：
其中h表示高维区域的半径即窗口半径，n表示落在该区域的点数，核函数K(x)＝ck,d·k(||x||2)；
对多元核密度函数求导，即得到其梯度估计函数：
令：
因为多元核密度函数的极值点为类的最集中值，当▽f(x)＝0即mh(x)＝0时求得极值点。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明利用控制器、烟雾传感器、红外火焰探头、CCD摄像头、温度传感器、CO传感器等，实时获取家庭消防环境数据，红外火焰探头和CCD视频火焰监测共同作用，可以保证火焰的精确探测，提高监测可靠性，并采用控制器的通信端(RS485通讯端口和GPRS通信模块)，将数据实时传输到PC机或移动终端，实现上位机监控和远程监控报警。
附图说明
图1是本发明的控制原理示意图；
图2是烟雾测量电路图；
图3是I/V转换电路；
图4是系统程序流程图；
图5是温度变化曲线(理想值、测量值、滤波值、平滑值)；
图6是卡尔曼滤波后平滑的数据和理想值之间的误差变化曲线；
图7是火焰识别流程图；
图8是mean-shift聚类后的图像直方图；
图9是图像处理效果对比图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
实施例1：如图1-图9所示，一种家庭消防报警系统，包括控制器、烟雾测量电路、温度测量电路、CO测量电路、CCD摄像头、红外探测电路、报警电路、防火门控制电路、防排烟控制电路和消防喷水控制电路，烟雾测量电路、温度测量电路、CO测量电路、CCD摄像头和红外探测电路连接到控制器的信号接收端，控制器的控制端连接有报警电路、防火门控制电路、防排烟控制电路和消防喷水控制电路，控制器的通信端连接移动终端或PC端。
优选的，上述控制器还连接有人机交互界面，人机交互界面包括显示屏和按键。
优选的，上述烟雾测量电路中采用MQ-2烟雾传感器，红外探测电路中采用A715UV/IR2火焰探测器，温度测量电路中采用Pt100/1000自适应测温探头，CO测量电路中采用ME2-CO型电化学传感器。
MQ-2烟雾传感器为气敏型烟雾传感器MQ-2来实现烟雾探测，该传感器属于表面离子式N型半导体，由SnO2半导体气敏材料构成。其原理是：高温下氧离子会受到SnO2的吸附作用，导致半导体中的电子密度降低，其电阻值会迅速增加。同时传感器接触到烟雾时，晶粒间势垒会产生变化，导致表面电导率值的变化，烟雾浓度越高，电导率越大。利用该原理，传感器可以准确得知周围环境烟雾浓度的变化。MQ-2烟雾传感器的计算公式如公式(1)所示：
logR＝m·logC+n (1)
其中R表示电阻；C表示烟雾浓度；m，n均为常数。m表示气体分离率，一般在1/2至1/3之间；n与气体检测的灵敏度有关。
A715UV/IR2火焰探测器对火焰进行探测。该传感器使用三个热释电传感元来进行三波段探测，可以对火焰的热光信号和背景光信号同时作出响应。当有火焰产生时，微处理器会迅速对三种信号进行处理分析，从而判断火焰是否存在。
CCD摄像头采用海康威视CCD摄像头。CCD成像具有抗强光、灵敏度高等特点。利用CCD成像结合图像处理技术，对火焰图像进行分割、特征提取，再根据阈值识别火焰。
测温探头采用Pt100/Pt1000自适应探头。其测量原理是：金属铂(Pt)的电阻值会根据环境温度的变化而产生相应的变化，具有很好的重现性以及稳定性。
CO传感器采用ME2-CO型电化学传感器对环境CO进行探测。CO在电解池中会发生氧化反应产生电流，根据法拉第定律，电化学反应产生的电流和CO浓度成正比，故根据电流大小可知CO浓度.
优选的，上述烟雾测量电路、温度测量电路、CO测量电路、红外探测电路均通过尔曼滤波器连接到控制器。
控制器采用ST公司的stm32f103系列具有32位的ARM核心，包括7个定时器，3个USART接口，2个SPI接口(18M/秒)，2个I2C接口，CAN接口，USB2.0接口，7个DMA接口，2个A/D转换器。所用消防传感器为MQ-2烟雾传感器、A715UV/IR2火焰探测器、Pt100(Pt1000)自适应测温探头、ME2-CO型电化学传感器。防火门联动闭门器选取六瑞公司的SA-BM65型号，单片机外接RS485通讯模块和华为的MG323模块，分别实现和上位机的通讯以及移动终端的通讯。
烟雾测量电路：MQ-2的供电电压为5v，P1的3号脚输出0～5v电压信号(烟雾浓度越高，电压越高)，输入到比较器的2号脚上，Rp通过调节电阻来改变比较器的门槛电压，以此控制传感器的灵敏度。当3号脚电压高于比较器门槛电压，LED灯亮报警。R1电阻用于保护加热丝。测量电路如图2所示。
I/V转换电路：由于温度信号、CO信号和红外火焰探头信号都是4～20mA电流信号，所以需要I/V转换电路将其转换成0～3.3v的电压信号才能传输给单片机，采用的一种I/V转换电路，如图3所示。
I/V转换电路如图所示，其数学表达式为：
Vn≈Vp＝I·R4 (3)
其中V为电路的输出电压，I为电路的输入电流，利用可调电阻Rw将Vf设定为2.63v。根据式(2)、(3)即可将4～20mA电流信号转换成0～3.3v电压信号。
消防报警系统主要实现的功能包括：液晶显示参数，主要有烟雾浓度、环境温度、CO浓度等；液晶显示环境温度变化曲线图和数据；能对消防门、防排烟系统、喷水系统进行控制；能和计算机实现实时通信，数据和曲线由计算机打印；能和移动终端远程通讯；具有多种报警显示。
单片机采用C语言进行程序模块化编写，包括初始化子程序、烟雾浓度采样程序、温度采样程序、CO浓度采样程序、红外火焰信号采样程序、数据处理程序、键值处理程序、LCD屏显程序、通讯驱动程序等等。系统程序流程图如图4所示。
在上位机监控方面，利用Vb的mscomm串口控件，实现和单片机之间的数据交互，并用Vb编写监控界面，以实时显示烟雾浓度、环境温度、CO浓度。界面记录各参数历史曲线和实时曲线，连接打印机，可以实现计算机实时打印数据。
在无线通讯方面，采用华为的MG323模块进行无线通讯。该模块支持4种频段，工作电压为3.3-4.8v，正常工作温度为-20摄氏度到70摄氏度。可以使用三种AT命令进行初始化以及获取动态IP地址，支持短信、语音和GPRS，数据传输稳定，具有很高的实用性。一旦系统发生报警，数据以及报警会迅速通过模块向用户手机发送短信，实时显示家庭消防情况，除了系统自动消防外，用户也可手动发送信号，进行消防操作。
实施例2：一种家庭消防报警系统的报警方法，该方法为：MQ-2烟雾传感器测量烟雾浓度，利用稳压芯片LM1117构成电压转换电路，将烟雾传感器的0～5v电压信号转换成0～3.3v，并将模拟信号通过AD转换得到数值信号，然后在控制器中进行数值处理，Pt100/1000自适应测温探头，电子模拟开关控制测温探头Pt100和Pt1000之间的切换，度测量电路采用三线制接法消除导线电阻，数据通过测温电路进行放大和滤波后传输到控制器，CO测量电路对CO传感器(0～5uA)的输出电流进行放大和滤波，并且对信号进行模数转换，红外火焰探头通过ISO协议连接单片机，其输出电流进行I/V转换，对CCD摄像头的图像数据，转换成电信号，利用图像识别的方式，监测火焰存在，若红外火焰探头与CCD同时探测到火焰存在，则进行火焰报警，将各参数值在液晶屏上显示，并进行实时监控报警。通过RS485接口，采用MODBUS协议，在上位机界面中对各参数数据进行监控，利用GPRS模块进行远程数据传输。
生活噪声特别是火灾发生时会对传感器测量的数据产生比较大的干扰，为保证数据的准确性，对各测量数据进行滤波去干扰。利用卡尔曼滤波的预测能力，对含有大量干扰信息的系统进行数据处理，可以保证复杂环境下系统数值的稳定性，尔曼滤波器对烟雾测量电路、温度测量电路、CO测量电路、红外探测电路中数据处理，首先确定系统的状态方程和测量方程如下：
其中Xk、Uk、Zk分别表示k时刻系统的状态、输入量以及测量值。A、B和H是系统参数，qk和rk分别表示过程噪声和测量噪声，设定qk、rk的协方差矩阵为Qk、Rk。
预估:
Pk|k-1＝A·Pk-1|k-1·AT+Qk (6)
则:
Gk＝Pk|k-1·HT·(H·Pk|k-1·HT+Rk)-1 (7)
Pk|k＝(1-Gk·H)·Pk|k-1 (9)
其中Pk|k-1表示对应的协方差矩阵，Pk|k表示对应的协方差矩阵，Gk表示k时刻的卡尔曼增益。
卡尔曼平滑与卡尔曼滤波向前递归相反，卡尔曼平滑是结合卡尔曼滤波后的数据进行向后递归，卡尔曼滤波后的数据采用卡尔曼平滑：
Jk＝Pk|k·AT·(Pk+1|k)-1 (11)
其中表示卡尔曼平滑后的数据，表示对应的协方差矩阵。
卡尔曼滤波以及滤波后平滑效果：图5是对室内温度值的变化跟踪以及突发火灾情况下对室内温度的变化的追随情况，可以发现，相比于卡尔曼滤波，卡尔曼滤波后平滑不仅误差控制的很小，更贴近理想值，产生的曲线也更加平滑。
表1中显示的是所测数据与卡尔曼滤波以及卡尔曼平滑滤波后的数据和理想值之间的误差均值和均方差，显然卡尔曼滤波后平滑的数据更好。
表1三组数据的均值和均方差
| 所测数据误差 | 均值 | 2.369 | 均方差 | 2.997 |
| KF滤波后误差 | 均值 | 1.400 | 均方差 | 2.319 |
| KF滤波+平滑后误差 | 均值 | 0.434 | 均方差 | 0.749 |
图像识别火焰：利用CCD摄像头对家庭环境进行实时监控。利用关键帧提取的方法，捕捉视频的动态信息，当出现疑似火焰时，截取单帧图。CCD捕捉的图像是彩色图像，所以需要对其图片进行预处理，首先将彩色图片进行灰度处理。利用mean-shift聚类法将图像的特征进行提取，然后人工设定阈值，实现图像的阈值分割，将火焰主体从图像中标识出来。
本发明对照实现了图像灰度化后直接进行阈值分割处理与图像灰度化后先进行mean-shift聚类再进行阈值分割两种分割方式，图8是mean-shift聚类后图像的直方图。图9是图像处理后的效果，可以发现图像先进行mean-shift聚类再进行阈值分割，可以对火焰的主体有更清晰的保留，为精准灭火提供有效位置数据。
采用mean-shift聚类算法，mean-shift聚类算法是一种基于核密度估计的爬山算法，它利用范围内的点位置的偏移值确定迭代方向，步骤如下：
确定其多元核密度估计函数为：
其中h表示高维区域的半径即窗口半径，n表示落在该区域的点数，核函数K(x)＝ck,d·k(||x||2)；
对多元核密度函数求导，即得到其梯度估计函数：
令：
因为多元核密度函数的极值点为类的最集中值，当▽f(x)＝0即mh(x)＝0时求得极值点。
本发明利用单片机对整个消防系统进行控制，大大提高了家庭消防应急水平，为用户的人身安全提高了有效的保障。用户不仅可以通过电脑监控界面，对整个家庭环境进行实时监控，还可以利用无线通讯对紧急情况进行及时了解。整个装置实现了家庭消防报警的系统性，实时性，准确性，并且设备便宜，具有很好的实际应用意义。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种家庭消防报警系统，其特征在于：包括控制器、烟雾测量电路、温度测量电路、CO测量电路、CCD摄像头、红外探测电路、报警电路、防火门控制电路、防排烟控制电路和消防喷水控制电路，烟雾测量电路、温度测量电路、CO测量电路、CCD摄像头和红外探测电路连接到控制器的信号接收端，控制器的控制端连接有报警电路、防火门控制电路、防排烟控制电路和消防喷水控制电路，控制器的通信端连接移动终端或PC端。
2.根据权利要求1所述的一种家庭消防报警系统，其特征在于：控制器还连接有人机交互界面，人机交互界面包括显示屏和按键。
3.根据权利要求1所述的一种家庭消防报警系统，其特征在于：烟雾测量电路中采用MQ-2烟雾传感器，红外探测电路中采用A715UV/IR2火焰探测器，温度测量电路中采用Pt100/1000自适应测温探头，CO测量电路中采用ME2-CO型电化学传感器。
4.根据权利要求1所述的一种家庭消防报警系统，其特征在于：烟雾测量电路、温度测量电路、CO测量电路、红外探测电路均通过尔曼滤波器连接到控制器。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种家庭消防报警系统的报警方法，其特征在于：该方法为：MQ-2烟雾传感器测量烟雾浓度，利用稳压芯片LM1117构成电压转换电路，将烟雾传感器的0～5v电压信号转换成0～3.3v，并将模拟信号通过AD转换得到数值信号，然后在控制器中进行数值处理，Pt100/1000自适应测温探头，电子模拟开关控制测温探头Pt100和Pt1000之间的切换，度测量电路采用三线制接法，数据通过测温电路进行放大和滤波后传输到控制器，CO测量电路对CO传感器的输出电流进行放大和滤波，并且对信号进行模数转换，红外火焰探头通过ISO协议连接单片机，其输出电流进行I/V转换，对CCD摄像头的图像数据，转换成电信号，利用图像识别的方式，监测火焰存在，若红外火焰探头与CCD同时探测到火焰存在，则进行火焰报警。
6.根据权利要求5所述的一种家庭消防报警系统的报警方法，其特征在于：尔曼滤波器对烟雾测量电路、温度测量电路、CO测量电路、红外探测电路中数据处理，首先确定系统的状态方程和测量方程如下：
其中Xk、Uk、Zk分别表示k时刻系统的状态、输入量以及测量值。A、B和H是系统参数，qk和rk分别表示过程噪声和测量噪声，设定qk、rk的协方差矩阵为Qk、Rk。
预估:
Pk|k-1＝A·Pk-1|k-1·AT+Qk (6)
则:
Gk＝Pk|k-1·HT·(H·Pk|k-1·HT+Rk)-1 (7)
Pk|k＝(1-Gk·H)·Pk|k-1 (9)
其中Pk|k-1表示对应的协方差矩阵，Pk|k表示对应的协方差矩阵，Gk表示k时刻的卡尔曼增益。
7.根据权利要求5所述的一种家庭消防报警系统的报警方法，其特征在于：卡尔曼滤波后的数据采用卡尔曼平滑：
Jk＝Pk|k·AT·(Pk+1|k)-1 (11)
其中表示卡尔曼平滑后的数据，表示对应的协方差矩阵。
8.根据权利要求5所述的一种家庭消防报警系统的报警方法，其特征在于：图像识别火焰：首先将彩色图片进行灰度处理。利用mean-shift聚类法将图像的特征进行提取，然后人工设定阈值，实现图像的阈值分割，将火焰主体从图像中标识出来。
9.根据权利要求1所述的一种家庭消防报警系统的报警方法，其特征在于：采用mean-shift聚类算法，步骤如下：
确定其多元核密度估计函数为：
其中h表示高维区域的半径即窗口半径，n表示落在该区域的点数，核函数K(x)＝ck,d·k(||x||2)；
对多元核密度函数求导，即得到其梯度估计函数：
令：
因为多元核密度函数的极值点为类的最集中值，当即mh(x)＝0时求得极值点。
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