CN111739251A - 一种火源探测及定位系统、方法 - Google Patents

一种火源探测及定位系统、方法 Download PDF

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CN111739251A CN202010629494.5A CN202010629494A CN111739251A CN 111739251 A CN111739251 A CN 111739251A CN 202010629494 A CN202010629494 A CN 202010629494A CN 111739251 A CN111739251 A CN 111739251A
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Abstract

本发明公开了一种火源探测及定位系统、方法，其中系统包括：火源探测装置，设置在火源探测点上，用于探测火源信号并输出；信号分析处理器，通信连接所述火源探测装置，用于根据接收到的所述火源信号分析是否存在火源以及火源发生位置，并形成火源分析结果。本发明采用红外火焰传感器或基于图像的火焰检测方法对火源进行检测，能够有效判断出监测点是否存在火源并第一时间发出警报，大幅缩短了火灾发生时的预警时间，可有效防止火灾蔓延，减少损失，确保安全。

Description

一种火源探测及定位系统、方法
技术领域
本发明涉及火灾防范技术领域，具体涉及一种火源探测及定位系统、方法。
背景技术
火灾已成为当今社会发生频度最高、集人为与自然灾害为一体的一种灾害。火灾自动探测技术被认为是一种特殊的在噪声环境中检测和识别早期火灾特征信号的技术，可以有效地检测出真实火灾信号，实现火灾的早期发现和报警。目前广泛使用烟雾传感器检测火灾信号，但烟雾传感器需要在火势达到一定程度产生足够的烟雾时火源才能被检测到，所以烟雾传感器无法在火灾最初期也就是火源刚形成的时候实现对火源的准确探测。
目前市面还有其他一些探测火源的产品，但大多都是基于各种类型的感烟传感器研发而成，并未克服感烟传感器无法准确探测火源的技术问题。虽然部分产品声称对探测火源有积极效果，但实际应用过程中火源探测准确度不高，根本无法在防治火灾上发挥积极性作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种火源探测及定位系统、方法，以解决上述技术问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
提供一种火源探测及定位系统，包括：
火源探测装置，设置在火源探测点上，用于探测火源信号并输出；
信号分析处理器，通信连接所述火源探测装置，用于根据接收到的所述火源信号分析是否存在火源以及火源发生位置，并形成火源分析结果；
所述火源探测及定位系统还包括：
报警电路，电连接所述信号分析处理器，用于将所述信号分析处理器输出的报警信号发送给报警装置进行提示报警；
通信电路，电连接所述信号分析处理器，用于实现所述火源探测装置与所述信号分析处理器的通讯连接，和/或实现所述火源探测及定位系统与外部设备的通讯连接；
液晶显示电路，电连接所述信号分析处理器，用于通过一液晶显示屏显示所述火情判断结果；
复位电路，电连接所述信号分析处理器，用于在所述火源探测及定位系统报警后将系统复位。
作为本发明的一种优选方案，所述火源探测装置为红外火焰传感器和/或双目相机。
作为本发明的一种优选方案，所述红外火焰传感器通过一传感电路与所述信号分析处理器连接，所述传感电路包括一电压比较器U1、一LED灯D1和一连接件P1，所述电压比较器U1的正极输入端连接所述连接件P1的第二端口，所述连接件P1的第一端口连接一电阻R1后接地，所述红外火焰传感器连接所述连接件P1后实现与所述传感电路的电连接；
所述电压比较器U1的负极输入端连接一滑动变阻器R3的滑动端，所述滑动变阻器R3的一固定端连接电源VCC，并同时连接一电容C1后接地；所述滑动变阻器R3的另一固定端接地；
所述电压比较器U1的电源端连接电源VCC，并同时连接所述LED灯D1的正极，所述LED灯D1的负极连接一电阻R4后连接至所述电压比较器U1的输出端；
所述电压比较器U1的输出端连接在所述信号分析处理器的指定端口或指定引脚上。
作为本发明的一种优选方案，所述电压比较器U1的输出端通过一信号放大电路连接至所述信号分析处理器的指定端口或指定引脚上。
作为本发明的一种优选方案，选用所述红外火焰传感器为所述火源探测装置时，所述信号分析处理器为S3C44B0芯片或PIC16C71型单片机；选用所述双目相机为所述火源探测装置时，所述信号分析处理器为电脑主机。
本发明还提供了一种火源探测及定位方法，通过所述火源探测及定位系统实现，该方法包括：
所述双目相机从不同角度对同一火源监测点进行图像拍摄，并将所拍摄的图像输出给所述信号分析处理器；
所述信号分析处理器根据预设的火焰检测算法提取所述图像中的火焰特征区域；
所述信号分析处理器基于提取到的所述火焰特征区域，并通过双目立体视觉匹配技术对火源发生位置进行定位。
作为本发明的一种优选方案，预设的所述火焰检测算法包括火焰颜色模型检测算法、形态模型检测算法和动态模型检测算法，其中所述颜色模型检测算法检测火焰的方法为：
若所述图像上的某个图像区域满足：
R＞Rt；
R＞G+h1＞B+h2；
S＞St-0.65*R；
则判定所述图像区域为疑似火焰区域；
R为所述图像区域的红色分量的分量值；
Rt为红色分量阈值；
G为所述图像区域的绿色分量的分量值；
h1和h2为松弛量；
B为所述图像区域的蓝色分量的分量值；
S为所述图像区域的饱和度；
St为饱和度阈值。
作为本发明的一种优选方案，Rt＝125，St＝175，h1＝10，h2＝15。
作为本发明的一种优选方案，所述形态模型检测算法检测火焰的方法为：
计算所述图像上初步选定的疑似火焰区域的圆形度，若所述疑似火焰区域的圆形度在一圆形度阈值范围内，则判定所述疑似火焰区域为真实的火焰区域。
作为本发明的一种优选方案，所述动态模型检测算法检测火焰的方法为：
选定所述图像上的疑似火焰区域；
计算所述疑似火焰区域的区域面积，当所述疑似火焰区域的区域面积大于一面积阈值时，将所述疑似火焰区域初步判定为火焰区域；
判断被初步判定为火焰区域的所述疑似火焰区域是否在一持续时间内具有面积增大的趋势，
若是，则将初步判定为火焰区域的所述疑似火焰区域最终确定为真实的火焰区域；
若否，则表示初步判定为火焰区域的所述疑似火焰区域并非真实的火焰区域。
本发明采用红外火焰传感器或基于图像的火焰检测方法对火源进行检测、定位，能够有效判断出监测点是否存在火源并第一时间发出警报，大幅缩短了火灾发生时的预警时间，可有效防止火灾蔓延，减少损失，确保安全。而且本发明与外部设备通讯连接后，可将火源探测情况以及火情判断情况发送给外部设备，有利于外部人员第一时间获知火灾现场情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一或实施例二所述的火源探测及定位系统的结构框图；
图2是连接实施例一中的所述火焰传感器和所述信号分析处理器的所述传感电路的电路结构图；
图3是实施例一中的所述火焰传感器与所述信号分析处理器的接线原理图；
图4是本发明一实施例所述的火源探测及定位方法的步骤图；
图5是本发明一实施例采用的所述动态模型检测算法检测火焰的方法步骤图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件之间的连接关系，该术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
图1示出了本发明实施例一提供的火源探测及定位系统的结构框图，请参照图1，本实施例一提供的火源探测及定位系统，包括：
火源探测装置1，设置在火源探测点上，用于探测火源信号并输出；本实施例一中，火源探测器优选为红外火焰传感器。火焰传感器是一种用来搜寻火源的传感器，火焰传感器也可以用来检测光线的亮度。由于不同燃烧物的火焰辐射强度、波长分布有所差异，所以具有不同灵敏度的火焰传感器可以对不同波长热源的火焰进行探测。本实施例中，采用特制的红外线接收管作为火焰传感器的火源探测元件来检测火焰或其他波长在760～1100纳米的火源(760～1100纳米波长的火焰为最为常见种类的火源)。然后按照图3所示的火焰传感器与信号分析处理器的接线示意图，将红外线接收管的负极连接电源VCC(5V电压)，将红外线接收管的正极通过连接一10千欧的电阻后接地，同时用一根跳线的一端连接红外线接收管的正极，跳线的另一端作为红外线接收管的模拟信号输出口连接在信号分析处理器的指定端口或指定引脚上，或者通过模数转换器经模拟信号转数字信号处理后连接在信号分析处理器的指定端口或指定引脚上。红外线接收管的作用是将探测到的火源波长信号或亮度信号转换成电平信号输出。信号分析处理器对红外线接收管输出的电平信号经模数转换后对关联火源探测信息的数字信号进行分析处理，以判断是否发生火情以及火情发生的位置，甚至可以根据探测到的火焰波长大致判断出火源的类型。
请继续图1，实施例一提供的火源探测及定位系统还包括：
信号分析处理器2，通信连接火源探测装置1，用于根据接收到的火源信号分析是否存在火源以及火源发生位置(比如可以通过生成报警信号的方式判定已探测到火源)；本实施例中，信号分析处理器优选为S3C44B0型芯片或PIC16C71型单片机。
报警电路3，电连接信号分析处理器2，用于将信号分析处理器输出的报警信号发送给报警装置进行提示报警；由于现有的能够适用本实施例一提供的火源探测及定位系统的报警电路有很多，而且报警电路的电路结构并非本发明要求权利保护的范围，所以关于报警电路的具体电路结构在此不做阐述，报警电路的输入端连接在信号分析处理器的指定端口或指定引脚上，报警电路的输出端连接报警装置，报警装置根据接收到的报警信号进行提示报警，报警方式优选为声光报警方式。
在同一探测位置从不同角度设置多个火焰传感器或在某个探测空间设置多个火焰传感器同时进行火源探测，有利于提高火焰探测的准确度，但布设的多个火焰传感器如果通过有线通信方式连接信号分析处理器会导致布线过于复杂，所以为了解决这个问题，请继续参照图1，本实施例提供的火源探测及定位系统还包括：
通信电路4，电连接信号分析处理器2，用于实现火源探测装置与信号分析处理器的通讯连接(包括有线通讯连接和无线通讯连接)。现有的可适用于本系统的通信电路有许多，而且通信电路的具体电路结构也并非本发明要求权利保护的范围，所以关于通信电路的具体电路结构在此不做阐述。
另外需要说明的是，通信电路还同时具备另一功能，为了实现对本系统的远程控制，通信电路同时用于实现火源探测及定位系统与外部设备的通讯连接(包括有线通讯连接或无线通讯连接)，信号分析处理器可将火源探测情况以及火源分析情况发送给外接设备，用户可远程控制本系统执行相关的火源探测及分析指令，提高了本系统的智慧化程度和实用性，有利于降低产品开拓市场的难度。
为了直观显示本系统的火源探测情况或火源分析情况，本系统还包括：
液晶显示电路5，电连接信号分析处理器2，用于通过一液晶显示屏显示火源探测情况和/或火源判断结果。现有的能够适用于本发明的液晶显示电路有许多，所以关于液晶显示电路的具体电路结构在此不做阐述。
另外，本系统还包括：
复位电路6，电连接信号分析处理器2，用于在火源探测及定位系统报警后将系统复位，以恢复系统进入火源探测状态。
为了对红外火焰传感器是否探测到火源进行直观显示，并将探测到的火焰信号发送给信号分析处理器，本实施例提出了一种连接红外火焰传感器和信号分析处理器的感应电路，图2示出了连接火焰传感器与信号分析处理器的传感电路的电路结构图，请参照图2，该传感电路包括一电压比较器U1、一LED灯D1和一连接件P1，电压比较器U1的正极输入端连接连接件P1的第二端口，连接件P1的第一端口连接一电阻R1后接地，红外火焰传感器连接连接件P1后实现与传感电路的电连接；
电压比较器U1的负极输入端连接一滑动变阻器R3的滑动端，滑动变阻器R3的一固定端连接电源VCC(VCC电压大小根据实际需要配置)，并同时连接一电容C1后接地；滑动变阻器R3的另一固定端接地；
电压比较器U1的电源端连接电源VCC，并同时连接LED灯D1的正极，LED灯D1的负极连接一电阻R4后连接至电压比较器U1的输出端；
电压比较器U1的输出端连接在信号分析处理器的指定端口或指定引脚上。
本实施例中，电压比较器U1的型号为LM358D。
传感电路指示火焰传感器是否探测到火源的原理简述如下：
当在火焰传感器探测到火源时，LM358D的正极输入端分压小，为低电压，小于其负极输入端电压，则LM358D输出为低电压，此时LED灯D1亮灯，表示此刻火焰传感器探测到了火源。
当火焰传感器未探测到火源时，LM358D的正极输入端分压大，为高电压，大于其负极输入端电压，则LM358D输出为高电压，此时LED灯D1不亮灯，表示此刻火焰传感器未探测到火源。
另外，通常情况下，由于火焰传感器探测到的火源信号较弱，所以优选地，本实施例在电压比较器U1的输出端通过一信号放大电路连接至信号分析处理器的指定端口或指定引脚上。由于现有的能够适用于本发明的信号放大电路有许多，而且信号放大电路的具体电路结构也并非本发明要求权利保护的范围，所以关于信号放大电路的电路结构在此不做阐述。
实施例二
实施例二与实施例一的区别在于，实施例二提供的火源探测及定位系统采用的火源探测装置为双目相机，双目相机用于采集火源监测点的图像。另外，实施例二提供的火源探测及定位系统采用的信号分析处理器为电脑主机。
图4示出了应用实施例二提供的火源探测及定位系统实现对火源探测及定位的方法步骤图。请参照图4，该方法包括：
步骤S1，双目相机从不同角度对同一火源监测点进行图像拍摄，并将所拍摄的图像输出给信号分析处理器；
步骤S2，信号分析处理器根据预设的火焰检测算法提取图像中的火焰特征区域；
步骤S3，信号分析处理器基于提取到的火焰特征区域，并通过双目立体视觉匹配技术对火源发生位置进行定位。
步骤S2中，预设的火焰检测算法包括火焰颜色模型检测算法、形态模型检测算法和动态模型检测算法，其中颜色模型检测算法检测火焰的方法为：
若双目相机采集的图像上的某个图像区域满足：
R＞Rt；
R＞G+h1＞B+h2；
S＞St-0.65*R；
则判定图像区域为疑似火焰区域；
R为图像区域的红色分量的分量值；
Rt为红色分量阈值；
G为图像区域的绿色分量的分量值；
h1和h2为松弛量；
B为图像区域的蓝色分量的分量值；
S为图像区域的饱和度；
St为饱和度阈值。
Rt优选为125，St优选为175，h1优选为10，h2优选为15。
形态模型检测算法检测火焰的方法为：
计算图像上初步选定的疑似火焰区域的圆形度，若疑似火焰区域的圆形度在一圆形度阈值范围内，则判定疑似火焰区域为真实的火焰区域。圆形度判断方式是基于火焰形状的不规则特性进行的，由于火焰形状通常极不规则，而干扰源(手电筒、反射面等)的形状通常更加平滑，所以可以通过计算疑似火焰区域的圆形度，判断疑似火焰区域是否为真实的火焰区域。
请参照图5，动态模型检测算法检测火焰的方法为：
步骤L1，选定双目相机采集的图像上的疑似火焰区域；
步骤L2，计算疑似火焰区域的区域面积，当疑似火焰区域的区域面积大于一面积阈值时，将疑似火焰区域初步判定为火焰区域；
步骤L3，判断被初步判定为火焰区域的疑似火焰区域是否在一持续时间内具有面积增大的趋势，
若是，则将初步判定为火焰区域的疑似火焰区域最终确定为真实的火焰区域；
若否，则表示初步判定为火焰区域的疑似火焰区域并非真实的火焰区域。
提取出火焰区域后，本发明基于双目立体视觉匹配技术，通过特征点匹配、空间仿射等算法对火源发生位置进行定位识别。双目立体视觉匹配技术通过特征点匹配、空间仿射等获取检测对应的空间位置的方法为现有技术，所以关于本发明通过双目立体视觉匹配技术定位火源位置的具体方法过程在此不做阐述。
需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等。但是，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。另外，本申请说明书和权利要求书所使用的一些术语并不是限制，仅仅是为了便于描述。

Claims (10)

1.一种火源探测及定位系统，其特征在于，包括：
火源探测装置，设置在火源探测点上，用于探测火源信号并输出；
信号分析处理器，通信连接所述火源探测装置，用于根据接收到的所述火源信号分析是否存在火源以及火源发生位置，并形成火源分析结果；
所述火源探测及定位系统还包括：
报警电路，电连接所述信号分析处理器，用于将所述信号分析处理器输出的报警信号发送给报警装置进行提示报警；
通信电路，电连接所述信号分析处理器，用于实现所述火源探测装置与所述信号分析处理器的通讯连接，和/或实现所述火源探测及定位系统与外部设备的通讯连接；
液晶显示电路，电连接所述信号分析处理器，用于通过一液晶显示屏显示所述火情判断结果；
复位电路，电连接所述信号分析处理器，用于在所述火源探测及定位系统报警后将系统复位。
2.根据权利要求1所述的火源探测及定位系统，其特征在于，所述火源探测装置为红外火焰传感器和/或双目相机。
3.根据权利要求2所述的火源探测及定位系统，其特征在于，所述红外火焰传感器通过一传感电路与所述信号分析处理器连接，所述传感电路包括一电压比较器U1、一LED灯D1和一连接件P1，所述电压比较器U1的正极输入端连接所述连接件P1的第二端口，所述连接件P1的第一端口连接一电阻R1后接地，所述红外火焰传感器连接所述连接件P1后实现与所述传感电路的电连接；
所述电压比较器U1的负极输入端连接一滑动变阻器R3的滑动端，所述滑动变阻器R3的一固定端连接电源VCC，并同时连接一电容C1后接地；所述滑动变阻器R3的另一固定端接地；
所述电压比较器U1的电源端连接电源VCC，并同时连接所述LED灯D1的正极，所述LED灯D1的负极连接一电阻R4后连接至所述电压比较器U1的输出端；
所述电压比较器U1的输出端连接在所述信号分析处理器的指定端口或指定引脚上。
4.根据权利要求3所述的火源探测及定位系统，其特征在于，所述电压比较器U1的输出端通过一信号放大电路连接至所述信号分析处理器的指定端口或指定引脚上。
5.根据权利要求2所述的火源探测及定位系统，其特征在于，选用所述红外火焰传感器为所述火源探测装置时，所述信号分析处理器为S3C44B0芯片或PIC16C71型单片机；选用所述双目相机为所述火源探测装置时，所述信号分析处理器为电脑主机。
6.一种火源探测及定位方法，其特征在于，通过如权利要求2～5任意一项所述的火源探测及定位系统实现，其特征在于，包括：
所述双目相机从不同角度对同一火源监测点进行图像拍摄，并将所拍摄的图像输出给所述信号分析处理器；
所述信号分析处理器根据预设的火焰检测算法提取所述图像中的火焰特征区域；
所述信号分析处理器基于提取到的所述火焰特征区域，并通过双目立体视觉匹配技术对火源发生位置进行定位。
7.根据权利要求6所述的火源探测及定位方法，其特征在于，预设的所述火焰检测算法包括火焰颜色模型检测算法、形态模型检测算法和动态模型检测算法，其中所述颜色模型检测算法检测火焰的方法为：
若所述图像上的某个图像区域满足：
R＞Rt；
R＞G+h1＞B+h2；
S＞St-0.65*R；
则判定所述图像区域为疑似火焰区域；
R为所述图像区域的红色分量的分量值；
Rt为红色分量阈值；
G为所述图像区域的绿色分量的分量值；
h1和h2为松弛量；
B为所述图像区域的蓝色分量的分量值；
S为所述图像区域的饱和度；
St为饱和度阈值。
8.根据权利要求7所述的火源探测及定位方法，其特征在于，Rt＝125，St＝175，h1＝10，h2＝15。
9.根据权利要求7所述的火源探测及定位方法，其特征在于，所述形态模型检测算法检测火焰的方法为：
计算所述图像上初步选定的疑似火焰区域的圆形度，若所述疑似火焰区域的圆形度在一圆形度阈值范围内，则判定所述疑似火焰区域为真实的火焰区域。
10.根据权利要求7所述的火源探测及定位方法，其特征在于，所述动态模型检测算法检测火焰的方法为：
选定所述图像上的疑似火焰区域；
计算所述疑似火焰区域的区域面积，当所述疑似火焰区域的区域面积大于一面积阈值时，将所述疑似火焰区域初步判定为火焰区域；
判断被初步判定为火焰区域的所述疑似火焰区域是否在一持续时间内具有面积增大的趋势，
若是，则将初步判定为火焰区域的所述疑似火焰区域最终确定为真实的火焰区域；
若否，则表示初步判定为火焰区域的所述疑似火焰区域并非真实的火焰区域。
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