CN114783140B - 一种非接触式火灾监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式火灾监测系统及方法，系统包括信号收发子系统、信道估计子系统和火灾监测子系统；信号收发子系统包括超声波发送器和超声波接收器，超声波发送器发送超声波信号，超声波接收器接收超声波信号；信道估计子系统用于描述火焰对超声波信号传播速度造成的影响，并用信道冲激响应进行速度差异表征；火灾监测子系统包括可视化模块、判别模块和报警模块，可视化模块用于根据信道冲激响应生成可视化的热图，判别模块用于判别是否出现火灾，报警模块用于远程实时报警。系统硬件体积小，系统平台易于部署，设备成本较低；对光线等物理条件没有特殊要求或者依赖，通用性好。

Description

一种非接触式火灾监测系统及方法

技术领域

本发明属于火灾监控技术领域，特别是涉及一种非接触式火灾监测系统及方法。

背景技术

现有的接触式测温无法实现对火灾的远程防控，而基于图像的火灾监控方法无法在暗光环境以及摄像头被遮挡情况下工作，容易给人们带来安全隐患和财产损失。另外，对于现有的声速测温间接传播测量法，其装置过于复杂，设备工作条件要求比较高，系统综合成本高昂，测温的空间范围严重受限且信号收发系统性能表现一般。因此，现有方法难以对信道模型与火情的对应关系、以及信号遇到火焰会发生的变化等问题给出明确的综合解决方案。

随着消防领域科学技术和安防系统智能化的发展，低成本高鲁棒性的智能化无人火灾监测技术是消防领域的重要研究目标之一，用于实现火灾信息的防控与传递。非接触式火焰监测技术使消防人员无需任何物理接触即可实时地、远程地对火灾进行防控和火势大小判别。如今，作为自然、便捷、有效的消防防控技术的重要组成部分，非接触式火焰监测应用已渗透到消防领域的方方面面，给消防人员带来更便捷、更安全的防控体验，让人们的生活变得更加安全。目前常用的非接触式监测技术有声速测温间接传播测量法和全息干涉法。

全息干涉法存在以下缺点：

如果不把高温燃烧时的火焰亮度考虑在内的话，将会导致部分原始色彩失真，最终影响测温结果，也就是说该方法对火焰的光线有较高的要求和较强的依赖性，对测温时的工作环境要求较高，难以在实际生活中用于火灾监测，而且价格高，很多情况下难以实现设备通用。

声速测温间接传播测量法存在以下缺点：

系统装置复杂，硬件成本高；除收发设备外，需要额外配置稀有气体和薄壁管等配套硬件设备。

系统设备对测试条件要求高：要求实验设备耐高温、耐腐蚀且部分元件需要特别增添保护措施。比如，当温度高于900摄氏度时，薄壁管需要使用陶瓷材质而非金属材质，即使使用高熔点金属材质薄壁管也无法使用，因为其材质一般较脆且信号会随温度升高而严重衰减。

测量空间范围受限：测温空间大小受限于薄壁管的体积，只能得到较小空间范围的温度值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对火焰光亮无要求且通用性好、造价低的非接触式火灾监测系统及方法。

本发明提供的这种非接触式火灾监测系统，包括信号收发子系统、信道估计子系统和火灾监测子系统；

信号收发子系统包括超声波发送器和超声波接收器，超声波发送器发送超声波信号，超声波接收器接收超声波信号；

信道估计子系统用于描述火焰对超声波信号传播速度造成的影响，并用信道冲激响应(Channel Impulse Response，CIR)进行速度差异表征；

火灾监测子系统包括可视化模块、判别模块和报警模块，可视化模块用于根据信道冲激响应生成可视化的热图，判别模块用于判别是否出现火灾，报警模块用于远程实时报警。

所述超声波发送器为扬声器，其工作频率高于18KHz；所述超声波接收器为麦克风，超声波接收器对接收到的超声波信号用相同的载波频率进行解调，得到基带信号。

所述信号收发子系统是基于树莓派系统实现的。

所述信道估计子系统包括信道估计模块和CIR提取模块；

信道估计模块根据接收到的信号帧与发送的已知信号帧之间的速度差异进行信道估计；

CIR提取模块用于提取有效反射信号，有效信号为穿透火焰和经实体反射得到的超声波信号。

所述CIR提取模块采用差分法来提取所述有效反射信号，将接收到的相邻两时刻训练序列帧的CIR相减，消除由周围静态物体引起的反射信号影响。

所述可视化模块为MATLAB或Python，可视化模块在二维坐标中将不同时刻不同位置的CIR的幅值大小用不同颜色来表示，绘制出热图实现可视化。

所述判别模块为二分法分类器；其对所述可视化模块成像结果的特征进行二分法分类，用以判断是否出现火灾。

所述报警模块为计算机内置扬声器，基于所述二分法分类器的分类结果，若结果为出现火情，则报警模块发出蜂鸣声。

本发明还提供了一种非接触式火灾监测方法，包括如下步骤：

S.1、设计信号帧；

S.2、将设计好的信号帧转化为音频；

S.3、将音频作为超声波信号发送和接收；

S.4、将接收到的超声波信号进行解调得到基带信号；

S.5、测量基带信号的信道，估计信道改变；

S.6、对信道改变进行可视化表征；

S.7、根据可视化表征判断是否出现火灾。

所述S.5中采用信道冲激响应(Channel Impulse Response，CIR)进行信道改变估计；S.6中对CIR可视化，用热图来表征温度对超声波传输速度的影响；S.7中基于黏滞吸收现象和相邻时刻差分后的CIR变化综合判断是否出现火灾。

本发明通过超声波发送器不间断的发送一个预定义、已知的信号帧，超声波信号穿过火焰经过反射面的反射被超声波接收器接收，再将接收到的超声波信号用相同的载波频率进行解调得到基带信号。接着利用基于信道冲激响应，对火焰造成的信道改变进行估计，即超声波穿透火焰前后的速度差异可用CIR 来描述。最后，使CIR可视化，用热图来表征火焰对超声波传输速度的影响，进而判断有无火焰出现并实时报警，达到火灾监测的目的。本发明基于黏滞吸收和超声波在不同温度下传输速度不同，将该速度差异用CIR来描述，再将 CIR可视化，进一步地对成像结果分类，最终实现火灾判断和远程实时报警。系统硬件体积小，系统平台易于部署，因而设备成本较低，可实现日常空气环境下火灾监测且监测范围较远；对光线等物理条件没有特殊要求或者依赖，通用性好。

附图说明

图1为本发明一个优选实施例的施工流程框图。

图2为本优选实施例中控制桩的立面放大示意图。

图3为本优选实施例中工作井、接收井的施工流程图。

图4为本优选实施例中工作井外防护体系示意图。

图5为本优选实施例中临时支撑的结构示意图。

图6为本优选实施例中顶管后座的俯视示意图。

图7为本优选实施例中防回弹机构的主视放大示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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，可以是两个元件内部的连通。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。

首先需要说明的是本方案基于下述物理原理。

如图1、图2所示，超声波在传输过程中接触到火焰(本质为空气)时表现出穿透，而遇到木板(本质为实体)时则会出现反射。这是由于两者所属于的传输介质不同决定的。火焰的本质是处于激发态的空气中的原子退回到基态时放出来的光子，实质就是空气。相同路径下，超声波经过火焰后传输至墙面，所用的传播时间为τ1，超声波不经过火焰直接传播到反射面上的时间为τ2。因为超声波信号在高温空气中的传播速度更快，具体表现为温度每上升/下降 5℃，超声波的传播速度约上升/下降3m/s，因此，τ1<τ2。又由于信号的多径效应，超声波在传播过程中会出现不同路径传输时延的差异。基于此采用信道冲激响应(Channel Impulse Response，CIR)来描述火焰对超声波传输速度的影响，最后用热图的方式来将该影响进行可视化展示。

优选实施例一，如图3所示，本实施例公开的这种非接触式火灾监测系统，包括信号收发子系统、信道估计子系统和火灾监测子系统；信号收发子系统用于发射并接收超声波信号，信道估计子系统用于根据接收到的超声波信号提取有效的CIR动态分量，火灾监测子系统用于将真实收集到的多个数据进行火灾判断，并在出现火灾时实时报警。

本实施例中信号收发子系统包括超声波发送器、超声波接收器。其中超声波发送器为扬声器，其工作频率高于18KHz以确保发送的超声波信号不会被人耳听到。超声波接收器为麦克风，用于接收反射后的超声波信号，并对之用相同的载波频率进行解调，得到基带信号。树莓派系统通用性好且兼容性好，利于实现扬声器和麦克风的轻量级控制。信号收发子系统使用前，先预先设计训练信号帧序列集，使信号帧序列集自相关性强，便于进行信道测量；并将训练好的信号帧序列集保存为音频文件格式；处理完成后由信号收发子系统的超声波发送器不间断播放一段时间，再由超声波接收器接收后通过信道估计子系统处理。

信道估计子系统包括信道估计模块和CIR提取模块。抽头用于测量声音传播路径距离差异小于7mm的所有多径信号。抽头数量的大小反映信号的传播距离；抽头数量越少，信号的传播距离越短，反射物体越靠近超声波发送器和超声波接收器，反之亦然。

信道估计模块根据接收到的信号帧与发送的已知信号帧之间的传播速度差异进行信道估计。但是由于测量到的CIR是在特定距离范围内所有静态和动态物体反射信号的叠加，而火焰对信道的影响是动态的，因此提取有效反射信号需要消除静态物体反射的影响。所以为此设置了CIR提取模块用于提取有效的反射信号。

CIR提取模块采用差分法提取有效反射信号。提取时，计算相邻两个时刻的CIR之差，即可将静态物体的反射影响消除。测量到的CIR为静态分量和动态分量的叠加,如图4中矢量OA、OB、OD所示；而CIR静态分量的幅值和相位恒定不变，如矢量OC所示；CIR动态分量如矢量CA、CB、CD所示，CIR动态分量的幅值和相位会变化，因此导致组合CIR的幅值和相位相应改变。使用差分法，将相邻两时刻的CIR相减，可以消除由周围静态物体引起的反射信号影响，从而提取有效的CIR动态分量。

火灾监测子系统包括可视化模块、判别模块和报警模块。

可视化模块为PC计算机中的MATLAB、Python等软件平台，在二维坐标中将不同时刻不同位置的CIR的幅值大小用不同颜色来表示，绘制出热图将CIR数据进行可视化。根据信道冲激响应生成可视化的热图。如图5所示，横坐标为时间，纵坐标为超声波信号的传播距离(抽头数*3.5mm)，颜色深浅代表超声波信号的强度，数值越高，颜色越浅，信号强度越大。由图5可知：(1)超声波信号因多径效应，经过多条传播路径从扬声器到达麦克风，图5中的每条深浅不一横线表示不同传播距离的超声波信号强度不同。最上方深红色的路径，表示信号最强、传播距离最短的信号路径。此路径为扬声器以最短路径、最小衰减传输到麦克风的直达径(Line-of-Sight，LOS)。距离接近2m处的路径信号强度弱于直达径，但强于其他距离的路径，因为超声波经反射面(墙)反射后被麦克风接收到的路径是除直达径之外第二短的路径，信号在空气中传播有一定衰减。但在第6s后，由于火焰的出现，超声波经过火焰时出现了黏滞吸收，信号的强度显著变弱。

本实施例中为了更好地观测火焰对超声波波形的影响，将图5相邻的时刻的CIR强度值两两相减，效果如图6所示：(1)CIR的静态分量成功被消除。

(2)第6s后，经过火焰的路径因火焰以及火焰附近空气不稳定，出现了明显的CIR的动态分量变化。(3)因超声波传播速度的差异，在6s后，2m处附近出现了两条特征相似的路径。

判别模块为二分法分类器，判别原则是当同时出现了黏滞吸收现象(图5 的2m距离处、6s时刻前后)和图4、6中相似路径(2m距离附近、6s时刻之后的上下两条“横线”)，则判定在第6s时刻出现了火灾。二分法分类器能将真实收集到的多个数据进行判定，进而判定是否应火灾报警。

报警模块为计算机内置扬声器，基于所述二分法分类器的分类结果，若结果为出现火情，则报警模块发出蜂鸣声；反之，则不报警。

相较现有监控系统而言，本实施例具有如下优点：

1、实现对空气环境中火灾出现进行非接触式监测且监测范围较远，对光线等物理条件没有特殊要求或者依赖。

2、设备体积小、成本低且设备通用；硬件部署控制灵活、设备灵敏度高，对温度变化感知灵敏。

3、综合黏滞吸收和超声波在不同温度下的传输速度差异原理，将该速度差异用CIR来描述，所搭建系统能够建立起火灾发生与否和超声波信道模型的对应关系。

4、将CIR可视化，将火焰对超声波信号影响的结果转换成可视化的热图，能够进行超声波成像且效果直观，对成像结果的主要特征进行二分法分类，便可实现有无火灾出现的判断和火灾出现时远程实时报警。

优选实施例二，如图7所示，本实施例提供了一种非接触式火灾监测方法，包括如下步骤：

S.1、设计信号帧。

S.2、将设计好的信号帧转化为音频。

S.3、将音频作为超声波信号发送和接收。

S.4、将接收到的超声波信号进行解调得到基带信号。

S.5、测量基带信号的信道，采用信道冲激响应(Channel Impulse Response，CIR)进行信道改变估计。

S.6、对信道改变进行可视化表征，对CIR可视化，用热图来表征温度对超声波传输速度的影响。

S.7、根据可视化表征判断是否出现火灾；基于黏滞吸收现象和相邻时刻差分后的CIR变化综合判断是否出现火灾。

通过超声波发送器不间断的发送一个预定义、已知的信号帧，超声波信号穿过火焰经过反射面的反射被超声波接收器接收，再将接收到的超声波信号用相同的载波频率进行解调得到基带信号。接着基于信道冲激响应，对火焰造成的信道改变进行估计，即超声波穿透火焰前后的速度差异可用CIR来描述。最后，使CIR可视化，用热图来表征火焰对超声波传输速度的影响，进而判断有无火焰出现并实时报警，达到火灾监测的目的。本发明基于黏滞吸收和超声波在不同温度下传输速度不同，将该速度差异用CIR来描述，再将CIR可视化，进一步地对成像结果分类，最终实现火灾判断和远程实时报警。系统硬件体积小，系统平台易于部署，因而设备成本较低，可实现日常空气环境下火灾监测且监测范围较远；对光线等物理条件没有特殊要求或者依赖，通用性好。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种非接触式火灾监测系统，其特征在于，包括信号收发子系统、信道估计子系统和火灾监测子系统；

信号收发子系统包括超声波发送器和超声波接收器，超声波发送器发送超声波信号，超声波接收器接收超声波信号；

信道估计子系统用于描述火焰对超声波信号传播速度造成的影响，并用信道冲激响应(Channel Impulse Response，CIR)进行速度差异表征；

火灾监测子系统包括可视化模块、判别模块和报警模块，可视化模块用于根据信道冲激响应生成可视化的热图，判别模块用于判别是否出现火灾，报警模块用于远程实时报警；

所述判别模块为二分法分类器；其对所述可视化模块成像结果的特征进行二分法分类，用以判断是否出现火灾。

2.如权利要求1所述的一种非接触式火灾监测系统，其特征在于：所述超声波发送器为扬声器，其工作频率高于18KHz；所述超声波接收器为麦克风，超声波接收器对接收到的超声波信号用相同的载波频率进行解调，得到基带信号。

3.如权利要求1所述的一种非接触式火灾监测系统，其特征在于：所述信号收发子系统是基于树莓派系统实现的。

4.如权利要求1所述的一种非接触式火灾监测系统，其特征在于：所述信道估计子系统包括信道估计模块和CIR提取模块；

信道估计模块根据接收到的信号帧与发送的已知信号帧之间的速度差异进行信道估计；

CIR提取模块用于提取有效反射信号，有效信号为穿透火焰后得到的反射超声波信号。

5.如权利要求4所述的一种非接触式火灾监测系统，其特征在于：所述CIR提取模块采用差分法来提取所述有效反射信号，将接收到的相邻两时刻训练序列帧的CIR相减，消除由周围静态物体引起的反射信号影响。

6.如权利要求1所述的一种非接触式火灾监测系统，其特征在于：所述可视化模块为MATLAB或Python，可视化模块在二维坐标中将不同时刻不同位置的CIR的幅值大小用不同颜色来表示，绘制出热图实现可视化。

7.如权利要求1所述的一种非接触式火灾监测系统，其特征在于：所述报警模块为计算机内置扬声器，基于所述二分法分类器的分类结果，若结果为出现火情，则报警模块发出蜂鸣声。

8.一种非接触式火灾监测方法，其特征在于，本方法包括如下步骤：

S.1、设计信号帧；

S.2、将设计好的信号帧转化为音频；

S.3、将音频作为超声波信号发送和接收；

S.4、将接收到的超声波信号进行解调得到基带信号；

S.5、测量基带信号的信道，估计信道改变；

S.6、对信道改变进行可视化表征；

S.7、根据可视化表征判断是否出现火灾。

9.如权利要求8所述的一种非接触式火灾监测方法，其特征在于：所述S.5中采用信道冲激响应(Channel Impulse Response，CIR)进行信道改变估计；S.6中对CIR可视化，用热图来表征温度对超声波传输速度的影响；S.7中基于黏滞吸收现象和相邻时刻差分后的CIR变化综合判断是否出现火灾。