CN114049737A - 基于fpga与履带式机器人的森林火灾监测和灭火系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于FPGA与履带式机器人的森林火灾监测和灭火系统，涉及森林火灾预警灭火技术领域，包括传感器组、FPGA控制平台、远程控制中心、灭火装置和履带式机器人；履带式机器人用于搭载传感器组、FPGA控制平台和灭火装置进入森林；FPGA控制平台用于根据传感器组实时发送的火焰图像、烟雾图像和烟雾浓度判断是否有火灾发生，并在判断有火灾发生时发送火灾预警信号给远程控制中心；远程控制中心用于根据火灾预警信号发送灭火指令给FPGA控制平台；FPGA控制平台用于将灭火指令发送至灭火装置；灭火装置用于根据灭火指令进行灭火操作。本发明能够在森林火灾发生的初期及时地发出预警并将火灾扑灭。
Description
技术领域
本发明涉及森林火灾预警灭火技术领域，特别是涉及一种基于FPGA与履带式机器人的森林火灾监测和灭火系统。
背景技术
目前成熟的相关的森林防火装备，诸如消防飞机、消防无人机、森林消防车和便携式防火装备等都存在着各自的缺陷，如消防飞机的出动成本高，需要专门的起降场，并需要配套有相应的地勤保障系统；消防无人机受制于平台载荷，其搭载的监测装置和灭火装置都非常小；森林消防车的智能化水平低，自身结构优化不足，造价高，维护难度和成本较高；便携式防火装备则是受制于扑救人员的个人承重极限，往往采用小型化设计思路，功率普遍较低，灭火效率低。
随着当前的科技发展水平的进步，以森林防火机器人为代表的现代化森林防火装备正逐渐成为森林防火装备研究的重点，而当前森林防火机器人因为传感器单一、控制系统处理速度慢及平台底盘设计不合理等原因，存在着火点识别准确率低、识别速度慢、无配套消防装置以及网络延迟高等问题，无法在森林火灾发生的初期及时地发出预警并将火灾扑灭，极易造成森林火灾的蔓延扩大，造成各项损失严重。
综上，如何在森林火灾发生的初期及时地发出预警并将火灾扑灭，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于FPGA与履带式机器人的森林火灾监测和灭火系统，能够在森林火灾发生的初期及时地发出预警并将火灾扑灭。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于FPGA与履带式机器人的森林火灾监测和灭火系统，所述系统包括传感器组、FPGA控制平台、远程控制中心、灭火装置和履带式机器人；
所述传感器组、所述FPGA控制平台和所述灭火装置均设置于所述履带式机器人上；所述传感器组、所述灭火装置和所述远程控制中心均与所述FPGA控制平台连接；
所述履带式机器人用于搭载所述传感器组、所述FPGA控制平台和所述灭火装置进入森林；所述传感器组用于实时采集火焰图像、烟雾图像和烟雾浓度；所述FPGA控制平台用于根据所述火焰图像、所述烟雾图像和所述烟雾浓度判断是否有火灾发生，并在判断有火灾发生时发送火灾预警信号给所述远程控制中心；所述远程控制中心用于根据所述火灾预警信号发送灭火指令给所述FPGA控制平台；所述FPGA控制平台用于将所述灭火指令发送至所述灭火装置；所述灭火装置用于根据所述灭火指令进行灭火操作。
可选地，所述传感器组包括CMOS传感器和烟雾传感器；
所述CMOS传感器和所述烟雾传感器均与所述FPGA控制平台连接；所述CMOS传感器用于实时采集所述火焰图像和所述烟雾图像；所述烟雾传感器用于实时采集所述烟雾浓度。
可选地，所述系统还包括SDRAM存储器；
所述SDRAM存储器与所述FPGA控制平台连接；所述SDRAM存储器用于存储所述FPGA控制平台实时发送的所述火焰图像、所述烟雾图像和所述烟雾浓度。
可选地，所述系统还包括无线通讯系统；
所述无线通讯系统分别与所述远程控制中心和所述FPGA控制平台连接；所述无线通讯系统用于所述FPGA控制平台与所述远程控制中心之间的无线通讯。
可选地，所述FPGA控制平台通过串口RS-232/RS-485连接所述无线通讯系统。
可选地，所述无线通讯系统为基于TCP/IP或UDP协议的无线通讯系统。
可选地，所述系统还包括手控面板；
所述手控面板与所述FPGA控制平台连接；所述手控面板用于在所述远程控制中心无法发送所述灭火指令时，根据所述FPGA控制平台发送的所述火灾预警信号发送所述灭火指令给所述FPGA控制平台。
可选地，所述FPGA控制平台还用于将所述火焰图像、所述烟雾图像和所述烟雾浓度实时发送至所述远程控制中心；所述远程控制中心还用于根据所述火焰图像、所述烟雾图像和所述烟雾浓度发送所述灭火指令给所述FPGA控制平台。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开的基于FPGA与履带式机器人的森林火灾监测和灭火系统，设置履带式机器人作为底盘，可搭载安装丰富的设备，承载能力强；设置传感器组实时采集火焰图像、烟雾图像和烟雾浓度，提高火灾识别率；设置FPGA控制平台根据火焰图像、烟雾图像和烟雾浓度判断是否有火灾发生，并在判断有火灾发生时发送火灾预警信号给远程控制中心，远程控制中心及时控制履带式机器人搭载的灭火装置进行灭火，利用FPGA使用并行处理的方式，在图像处理方面具有处理速度快等优势，使用FPGA作为控制平台，可对火灾进行实时识别且识别率高，能够在森林火灾发生的初期及时地发出预警并将火灾扑灭，有效避免了森林火灾的发生和火情大规模的蔓延发展，将火灾造成的损失降到了最低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于FPGA与履带式机器人的森林火灾监测和灭火系统实施例的结构图；
图2为本发明基于FPGA与履带式机器人的森林火灾监测和灭火系统的系统模块框图；
图3为本发明基于FPGA与履带式机器人的森林火灾监测和灭火系统的系统运行流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于FPGA与履带式机器人的森林火灾监测和灭火系统，能够在森林火灾发生的初期及时地发出预警并将火灾扑灭。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明基于FPGA与履带式机器人的森林火灾监测和灭火系统实施例的结构图。参见图1，该基于FPGA与履带式机器人的森林火灾监测和灭火系统包括传感器组101、FPGA控制平台102、远程控制中心103、灭火装置104和履带式机器人105。
传感器组101、FPGA控制平台102和灭火装置104均设置于履带式机器人105上；传感器组101、灭火装置104和远程控制中心103均与FPGA控制平台102连接。
履带式机器人105用于搭载传感器组101、FPGA控制平台102和灭火装置104进入森林；传感器组101用于实时采集火焰图像、烟雾图像和烟雾浓度；FPGA控制平台102用于根据火焰图像、烟雾图像和烟雾浓度判断是否有火灾发生，并在判断有火灾发生时发送火灾预警信号给远程控制中心103；远程控制中心103用于根据火灾预警信号发送灭火指令给FPGA控制平台102；FPGA控制平台102用于将灭火指令发送至灭火装置104；灭火装置104用于根据灭火指令进行灭火操作。
具体的，传感器组101包括CMOS传感器和烟雾传感器。
CMOS传感器和烟雾传感器均与FPGA控制平台102连接；CMOS传感器用于实时采集火焰图像和烟雾图像；烟雾传感器用于实时采集烟雾浓度。
进一步的，该基于FPGA与履带式机器人的森林火灾监测和灭火系统还包括SDRAM存储器。SDRAM存储器与FPGA控制平台102连接；SDRAM存储器用于存储FPGA控制平台102实时发送的火焰图像、烟雾图像和烟雾浓度。
该基于FPGA与履带式机器人的森林火灾监测和灭火系统还包括无线通讯系统。无线通讯系统分别与远程控制中心103和FPGA控制平台102连接；无线通讯系统用于FPGA控制平台102与远程控制中心103之间的无线通讯。其中，FPGA控制平台102通过串口RS-232/RS-485连接无线通讯系统。无线通讯系统为基于TCP/IP或UDP协议的无线通讯系统。
该基于FPGA与履带式机器人的森林火灾监测和灭火系统还包括手控面板。手控面板与FPGA控制平台102连接；手控面板用于在远程控制中心103无法发送灭火指令时，根据FPGA控制平台102发送的火灾预警信号发送灭火指令给FPGA控制平台102。
具体的，FPGA控制平台102还用于将火焰图像、烟雾图像和烟雾浓度实时发送至远程控制中心103；远程控制中心103还用于根据火焰图像、烟雾图像和烟雾浓度发送灭火指令给FPGA控制平台102。
图2为本发明基于FPGA与履带式机器人的森林火灾监测和灭火系统的系统模块框图。参见图2，该基于FPGA与履带式机器人的森林火灾监测和灭火系统包括火灾预警灭火系统和远程控制中心103。其中，火灾预警灭火系统搭载在履带式机器人上，火灾预警灭火系统和远程控制中心103通过无线网络(基于TCP/IP或UDP协议的无线通讯系统)相连。
火灾预警灭火系统包括FPGA控制平台102、SDRAM存储器、传感器组101、手控面板、灭火装置104和无线通讯系统。FPGA控制平台102、SDRAM存储器、传感器组101、手控面板、灭火装置104和无线通讯系统的作用如下：
FPGA控制平台102用于分析处理CMOS传感器采集到的火焰图像数据和烟雾图像数据、烟雾传感器采集到的烟雾浓度数据，通过火焰图像数据、烟雾图像数据和烟雾浓度数据判断是否有火灾发生，并将数据信息存入SDRAM(SDRAM存储器)中，通过无线通讯系统将现场图像传输到远程控制中心103，接受远程控制中心103或手控面板的灭火指令控制灭火装置104发射消防灭火弹。
SDRAM存储器用于存储FPGA控制平台102发送的数据信息。SDRAM存储器可以满足本发明更高数据吞吐和更快的处理速度的要求，存储采集到的现场实时数据信息。
传感器组101包括CMOS传感器和烟雾传感器；其中，CMOS传感器用于采集实时图像数据，即采集现场火焰图像数据和现场烟雾图像数据，然后将图像数据送入FPGA控制平台102，由FPGA控制平台102中的图像算法识别火焰图像和烟雾图像；烟雾传感器用于采集现场烟雾浓度数据，然后将烟雾浓度数据送入FPGA控制平台102，由FPGA控制平台102中的烟雾浓度算法分析现场烟雾浓度，根据以上三种信息数据综合做出火灾判断。
手控面板用于在远程控制中心103无法发送灭火指令时手动控制灭火装置104发射消防灭火弹。手控面板作为备用，由现场操作人员在远程控制中心103无法发送灭火指令时进行手动按键操作，发送灭火指令到FPGA控制平台102，控制灭火装置104发射消防灭火弹，执行灭火操作。
灭火装置104，用于接收到远程控制中心103或手控面板的灭火指令后发射搭载的消防灭火弹。灭火装置104采用消防灭火弹，在接收到远程控制中心103或手控面板的灭火指令后发射搭载的消防灭火弹执行灭火操作。
无线通讯系统用于FPGA控制平台102和远程控制中心103间的通讯，实现数据的无线传输，具体为：FPGA控制平台102通过串口RS-232/RS-485连接无线通讯系统，将采集到的现场实时图像信息、现场烟雾浓度数据和火灾预警信息通过基于TCP/IP或UDP协议的无线通讯系统传输至远程控制中心103，远程控制中心103的值班人员通过无线通讯系统发送灭火指令给FPGA控制平台102，控制灭火装置104发射消防灭火弹，执行灭火操作。
远程控制中心103用于接收到通过无线通讯系统传输过来的现场实时图像信息、现场烟雾浓度数据和火灾预警信息后，远程控制中心103的值班人员发送灭火指令给FPGA控制平台102，控制灭火装置104发射消防灭火弹，执行灭火操作。
其中，传感器组101、手控面板的输出端均与FPGA控制平台102的输入端相连，灭火装置104的输入端与FPGA控制平台102的输出端相连，SDRAM存储器、无线通讯系统均与FPGA控制平台102相连。FPGA控制平台102通过基于TCP/IP或UDP协议的无线通讯系统与远程控制中心103实现连接。
FPGA控制平台102的具体型号为Altera公司的CycloneIVE系列的芯片EP4CE10F17C8N。CMOS传感器的型号为OV5640。烟雾传感器的型号为MQ-2型。灭火装置104为消防灭火弹。
图3为本发明基于FPGA与履带式机器人的森林火灾监测和灭火系统的系统运行流程图。参见图3，本发明基于FPGA与履带式机器人的森林火灾监测和灭火系统的系统运行流程具体为：
传感器组101采集现场实时数据(CMOS传感器采集图像信息，烟雾传感器采集烟雾浓度)并将数据送入FPGA控制平台102进行分析处理，FPGA控制平台102中的图像算法识别火焰图像和烟雾图像，烟雾浓度算法分析现场烟雾浓度，根据三种信息数据综合做出火灾判断，通过无线通讯系统将火灾信息发送至远程控制中心103，远程控制中心103火灾报警并实时显示现场信息，然后远程控制中心103值班人员发送灭火指令给灭火装置104(成熟的技术)，灭火装置104发射灭火弹进行灭火操作，或者可由现场操作人员通过手控面板发送灭火指令给灭火装置104，灭火装置104发射灭火弹进行灭火操作。
其中，图像算法识别过程具体为：
火焰识别是根据火焰颜色特征和运动特征，设置火焰颜色阈值，使用二值化算法将阈值范围内的图像像素点置“1”，显示为白色，阈值范围外的图像像素点置“0”，显示为黑色，得到二值化图像，然后根据火焰运动特征设置运动阈值，使用帧差法算法继续对白色区域识别，运动阈值范围内的白色区域像素点继续置“1”，显示为白色，运动阈值范围外的白色区域像素点则置“0”，显示为黑色，最后对白色区域识别并标红色边框。
烟雾识别是根据烟雾颜色特征和运动特征，设置烟雾颜色阈值，使用二值化算法将阈值范围内的图像像素点置“1”，显示为白色，阈值范围外的图像像素点置“0”，显示为黑色，得到二值化图像，然后根据烟雾运动特征设置运动阈值，使用帧差法算法继续对白色区域识别，运动阈值范围内的白色区域像素点继续置“1”，显示为白色，运动阈值范围外的白色区域像素点则置“0”，显示为黑色，最后对白色区域识别并标蓝色边框。
烟雾浓度算法分析现场烟雾浓度过程具体为：
MQ-2型烟雾传感器检测烟雾浓度，将烟雾传感器输出电压信号经过A/D转换为烟雾数值，设置烟雾浓度阈值，当现场烟雾数值高于阈值时，说明烟雾浓度超过预警值，烟雾浓度算法输出现场区域有烟雾；当现场烟雾数值低于阈值时，说明烟雾浓度未超过预警值，烟雾浓度算法输出现场区域无烟雾。
此外，FPGA控制平台102数据分析与处理流程为：
图像算法对CMOS传感器采集到的实时图像信息进行处理，识别实时图像中的火焰图像和烟雾图像，一旦实时图像中的火焰特征像素点超过正常图像的火焰像素点范围，则FPGA控制平台102认为有火灾发生可能；一旦实时图像中的烟雾特征像素点超过正常图像的烟雾像素点范围，则FPGA控制平台102认为有火灾发生可能；烟雾浓度算法分析烟雾传感器采集到的现场烟雾浓度，一旦现场烟雾浓度超过正常环境的烟雾浓度范围，则FPGA控制平台102认为有火灾发生可能。FPGA控制平台102根据传感器组101得到的三项数据所推算的火灾发生可能，最终进行火灾判断。若火灾判断为没有发生火灾，则传感器组101继续工作，采集现场实时数据(CMOS传感器采集图像信息，烟雾传感器采集烟雾浓度)。若火灾判断为发生火灾，则通过无线通讯系统将火灾信息发送至远程控制中心103，远程控制中心103火灾报警并实时显示现场信息，然后远程控制中心103值班人员发送灭火指令给灭火装置104，灭火装置104发射灭火弹进行灭火操作，或者可由现场操作人员通过手控面板发送灭火指令给灭火装置104，灭火装置104发射灭火弹进行灭火操作。
本发明基于FPGA与履带式机器人的森林火灾监测和灭火系统，是一种森林公园预警灭火系统，通过将整个火灾预警灭火系统搭载在履带式机器人上，承载能力高，地形通过性强，运用多传感器技术提高了火灾识别率，减少了火灾误报，配套相应的灭火装置实现了火灾发现即扑灭。本发明利用FPGA使用并行处理的方式，在图像处理方面具有处理速度快等优势，使用FPGA作为控制平台，可对火灾进行实时识别且识别率高，能够在森林火灾发生初期实现预警和灭火，有效避免森林火灾的发生和火情大规模的蔓延发展，将火灾造成的各项损失降到最低。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1、履带式的传动底盘来搭载系统，承载能力强：使用履带式机器人作为底盘，可搭载安装丰富的设备。
2、多重数据保障：采用CMOS传感器和烟雾传感器两种传感器，CMOS传感器采集现场火焰和烟雾图像数据，烟雾传感器用于采集烟雾浓度数据，有效地提高了森林火灾识别的准确率。
3、预警灭火全流程一体化：整个系统实现从火灾信息采集，到火灾的识别，再到进行灭火工作等整个工作流程，系统集成度高。
4、双重控制系统：通过远程控制中心、手控面板双重系统控制进行灭火操作。
5、远程通讯连接：通过基于TCP/IP或UDP协议的无线通讯系统实现FPGA控制平台和远程控制中心间的远程无线通讯，实现无线控制。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种基于FPGA与履带式机器人的森林火灾监测和灭火系统，其特征在于，所述系统包括传感器组、FPGA控制平台、远程控制中心、灭火装置和履带式机器人；
所述传感器组、所述FPGA控制平台和所述灭火装置均设置于所述履带式机器人上；所述传感器组、所述灭火装置和所述远程控制中心均与所述FPGA控制平台连接；
所述履带式机器人用于搭载所述传感器组、所述FPGA控制平台和所述灭火装置进入森林；所述传感器组用于实时采集火焰图像、烟雾图像和烟雾浓度；所述FPGA控制平台用于根据所述火焰图像、所述烟雾图像和所述烟雾浓度判断是否有火灾发生，并在判断有火灾发生时发送火灾预警信号给所述远程控制中心；所述远程控制中心用于根据所述火灾预警信号发送灭火指令给所述FPGA控制平台；所述FPGA控制平台用于将所述灭火指令发送至所述灭火装置；所述灭火装置用于根据所述灭火指令进行灭火操作。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA与履带式机器人的森林火灾监测和灭火系统，其特征在于，所述传感器组包括CMOS传感器和烟雾传感器；
所述CMOS传感器和所述烟雾传感器均与所述FPGA控制平台连接；所述CMOS传感器用于实时采集所述火焰图像和所述烟雾图像；所述烟雾传感器用于实时采集所述烟雾浓度。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA与履带式机器人的森林火灾监测和灭火系统，其特征在于，所述系统还包括SDRAM存储器；
所述SDRAM存储器与所述FPGA控制平台连接；所述SDRAM存储器用于存储所述FPGA控制平台实时发送的所述火焰图像、所述烟雾图像和所述烟雾浓度。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA与履带式机器人的森林火灾监测和灭火系统，其特征在于，所述系统还包括无线通讯系统；
所述无线通讯系统分别与所述远程控制中心和所述FPGA控制平台连接；所述无线通讯系统用于所述FPGA控制平台与所述远程控制中心之间的无线通讯。
5.根据权利要求4所述的基于FPGA与履带式机器人的森林火灾监测和灭火系统，其特征在于，所述FPGA控制平台通过串口RS-232/RS-485连接所述无线通讯系统。
6.根据权利要求4所述的基于FPGA与履带式机器人的森林火灾监测和灭火系统，其特征在于，所述无线通讯系统为基于TCP/IP或UDP协议的无线通讯系统。
7.根据权利要求1所述的基于FPGA与履带式机器人的森林火灾监测和灭火系统，其特征在于，所述系统还包括手控面板；
所述手控面板与所述FPGA控制平台连接；所述手控面板用于在所述远程控制中心无法发送所述灭火指令时，根据所述FPGA控制平台发送的所述火灾预警信号发送所述灭火指令给所述FPGA控制平台。
8.根据权利要求1所述的基于FPGA与履带式机器人的森林火灾监测和灭火系统，其特征在于，所述FPGA控制平台还用于将所述火焰图像、所述烟雾图像和所述烟雾浓度实时发送至所述远程控制中心；所述远程控制中心还用于根据所述火焰图像、所述烟雾图像和所述烟雾浓度发送所述灭火指令给所述FPGA控制平台。
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