CN207611463U - 一种基于fpga的实时火灾报警与灭火系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于FPGA的实时火灾报警与灭火系统，其包括：TRDB‑D5M摄像头、FPGA控制板、存储器、VGA显示器、GSM模块、舵机控制板、舵机云台、消防设备和电源模块。本实用新型的有益之处在于：可以及时的发现和实时提供直观的、丰富的火灾信息，并对火灾现象中的图像信息做出快速的反应，自动采取有效措施，控制和扑灭火灾，把火灾控制和消灭在初期阶段，从而避免造成重大人身伤亡和财产损失。

Description

一种基于FPGA的实时火灾报警与灭火系统

技术领域

本实用新型涉及一种火灾报警与灭火系统，具体涉及一种基于FPGA的实时火灾报警与灭火系统，属于安防技术领域。

背景技术

现代物流已成为经济发展的重要支柱产业之一，它对国民经济的发展起着巨大的支撑作用。但是物流仓库的防火性能却是一个十分敏感的问题，就目前的技术并不能很好的防止火灾的发生或者发生火灾时不能及时的采取灭火措施。

现如今大多数场所的火灾检测，包括物流的仓库都采用常规火灾探测的方法，如感烟探测器、感温探测器、感光探测器及复合型探测器，它们分别利用火焰的烟雾、温度、光的特性来对火灾进行探测。但物流仓库空间较大，环境复杂，很多传感器的应用效果欠佳，尤其是存在遮挡物时，常规的感烟探测器、感温探测器只有当火灾发展到一定的程度时，才会做出响应，这并不能及时制止火灾的发生，存在严重的安全隐患。

视频监控设备的日益普及与视频图像处理技术的飞速发展极大地推动了视频火灾检测(Video Fire Deteetion，VFD)技术的研究和应用。反应灵敏度更高、适用性更广的视频图像火焰检测系统逐渐被人们重视起来。火焰检测系统利用摄像头采集现场实时图像，将得到的图像数据结合图像处理、模式识别、机器视觉等先进技术进行分析、计算和判断，实现火灾的检测、报警和定位。给消防设备提供准确的火灾信息，并及时进行灭火处理。基于视频图像的火灾检测技术为早期火焰的辨识和判断奠定了基础，并且提供了丰富和直观的图像信息，具有以下优势：

(1)可以在大空间、大面积的环境中使用，也可以与现有的卫星技术相结合，对城市、森林等大范围空间进行火灾检测；

(2)可以在恶劣环境下的室内场所中使用，如多粉尘、高湿度环境；

(3)视频监控系统已被广泛的使用于各种建筑物、高速公路、桥梁、隧道的监控当中，可利用现成的硬件资源实现对火灾的监控，且能为工程建设节省部分投资；

(4)可以提供直观的、丰富的火焰图像信息，如：起火位置、时间、大小和发展事态等，利于对现场火灾的判断并作出合理正确的灭火方案；

(5)可以有效提高报警的准确性、可靠性和快速性，减少漏报和误报。

因此，基于视频图像的火焰检测技术克服了传统火灾检测技术的缺点，不少研究者对视频图像火焰检测算法进行了大量的研究，并提出了许多有效的火灾检测方法，例如：

(1)W.D.DacisKA Notarianni.NASAfire detection study.Technical reportNational Institute of Standardand Technology,March 1996；

(2)Foo.S.Y.A rule-based nachine vision system for fire detection inaircraft dry bays and engine conpartments.Knowledge-based System，1996,9:531-540；

(3)Yamagishi H，Yanaguchi J.Fire flame detection algorithm using acolor camera.Proceedings of International Sysposium on Micromechatronics andHuman Sciene.Japan:Japanese；

(4)高爱莲.基于视频的火焰检测方法研究[D].昆明：昆明理工大学，2008。

随着嵌入式的快速发展，将这些视频图像火焰检测算法应用于嵌入式系统日益成为人们研究的热点。以视频监控为基础，视频图像的火焰检测技术在安全监控方面逐渐发挥出其不可替代的作用。

近几年来，以视频图像为研究基础的火焰识别技术得到广泛关注与研究，国内外很多学者在该领域内做出了杰出的贡献，提出了很多有指导意义的研究方法。

火焰的基本特征包括：颜色特征、火焰运动特征。

火焰的颜色，在通常情况下为红色，随着温度的升高逐渐变为黄色。

火焰的运动特征是指火焰不规则变化的形状、抖动震荡及蔓延。

以火灾火焰的动态特征和静态特征为基础，通过火灾发生初期火焰图像在颜色、形状、边缘轮廓、面积、位置、亮度、高度、闪烁情况、空间能量值以及其他一些运动特征进行判断，得到一些模型及计算方法，达到火焰识别的目的。

国内外已经有许多学者对火灾中的火焰识别做了深入的研究工作，较为简单的火焰检测算法利用视频图像的颜色信息和亮度信息。Celik等人先是在RGB空间对火焰颜色进行建模，提出了火焰的RGB颜色模型，经过进一步研究，又提出了YcbCr空间中更具有一般性的火焰颜色模型。Yamagishi等人提出一种基于HSV色彩空间的彩色图像火焰检测算法，这种方法更适合人类视觉感知。Chen等人分析了火焰视频图像在HIS色彩空间中的特征，并提出了一套基于色调和饱和度的视频火焰检测算法。

数字图像处理系统的核心是图像处理器，主要包括：CPU、GPU、DSP、FPGA、ASIC等。

FPGA经过二三十年的发展，达到了一个很高的工艺水平，用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置，以实现用户的逻辑，它还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，它的这些特性将得到进一步发展。作为ASIC领域中的一种半定制电路，FPGA既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。可以毫不夸张的讲，FPGA能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU，下至简单的74电路，都可以用FPGA来实现。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于FPGA的实时火灾报警与灭火系统。

为了实现上述目标，本实用新型采用如下的技术方案：

一种基于FPGA的实时火灾报警与灭火系统，其特征在于，包括：TRDB-D5M摄像头、FPGA控制板、存储器、VGA显示器、GSM模块、舵机控制板、舵机云台、消防设备和电源模块，其中，

前述TRDB-D5M摄像头的信号输出端与FPGA控制板的输入端电性连接；

前述存储器、VGA显示器、GSM模块、舵机控制板的信号输入端与FPGA控制板的输出端电性连接；

前述舵机云台的信号输入端与舵机控制板的输出端电性连接；

前述消防设备的信号输入端与舵机云台的输出端电性连接；

前述电源模块与FPGA控制板和舵机云台电性连接。

前述的基于FPGA的实时火灾报警与灭火系统，其特征在于，前述FPGA控制板选用的是Altera公司的Cyclone IV系列的EP4CE115F29C7。

前述的基于FPGA的实时火灾报警与灭火系统，其特征在于，前述存储器选用的是DDR存储器。

前述的基于FPGA的实时火灾报警与灭火系统，其特征在于，前述舵机控制板选用的是基于Arduino的板卡。

前述的基于FPGA的实时火灾报警与灭火系统，其特征在于，前述消防设备为水炮。

本实用新型的有益之处在于：

(1)本实用新型的系统可以及时的发现和实时提供直观的、丰富的火灾信息，并对火灾现象中的图像信息做出快速的反应，采取有效措施，控制和扑灭火灾，把火灾控制和消灭在初期阶段，从而避免造成重大人身伤亡和财产损失；

(2)本实用新型的系统可以在大空间、大面积的环境中使用，可以在多粉尘、高湿度的室内场所中使用，特别是在无人值守的物流仓库，能大大减轻工作人员的工作量，从而解决在恶劣条件下发生火灾时，人员无法安全进行灭火的情况。

附图说明

图1是本实用新型的基于FPGA的实时火灾报警与灭火系统的一个具体实施例的组成示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作具体的介绍。

参照图1，本实用新型的基于FPGA的实时火灾报警与灭火系统(以下简称系统)包括：TRDB-D5M摄像头、FPGA控制板、存储器、VGA显示器、GSM模块、舵机控制板、舵机云台、消防设备和电源模块。

一、TRDB-D5M摄像头

TRDB-D5M摄像头支持I2C总线协议，其信号输出端与FPGA控制板的输入端电性连接。

TRDB-D5M摄像头是视频采集器件，其经VGA接口将视频传送至VGA显示器，实现视频图像实时显示。

二、FPGA控制板

FPGA控制板主要是用来完成所有硬件的控制以及火焰识别检测的算法的，其通过Verilog完成具体器件的功能配置、数据采集和初期简单的数据处理。

FPGA控制板我们选用的是Altera公司的Cyclone IV系列的EP4CE115F29C7。该FPGA控制板具有图像采集、图像存储、图像处理(火焰检测算法)、图像显示以及控制设备等功能，这些功能都是由该公司的工程设计师设计好并固化于FPGA控制板上的，均使用纯硬件的方法实现，没有嵌入NiosII软核，具有很高的实时性和可靠性。使用时，根据该FPGA控制板的各个控制接口对应的把所有的硬件模块搭建并连接起来，然后做适当的调试让其正常运行即可。

工作时，TRDB-D5M摄像头采集视频信息，FPGA控制板进行算法处理，判别是否有火灾信息，当发现有火灾信息时，通过串口控制来驱动舵机云台进行灭火，同时，通过14脚扩展口控制GSM模块将预警信息发送到负责仓库的相关技术人员的手机中。

三、存储器

存储器是用来临时存储图像数据的，其信号输入端与FPGA控制板的输出端电性连接。

作为一种优选的方案，存储器选用的是双速率同步动态随机存储器(DDR存储器)。

四、VGA显示器

VGA显示器的信号输入端与FPGA控制板的输出端电性连接。

五、GSM模块

GSM模块是用来发送预警信息通知的，将预警信息发送到负责仓库的相关技术人员的手机中，提醒工作人员事故的发生，为远程数据传送和监控设备的通信提供了强大的支持。

GSM模块的信号输入端与FPGA控制板的输出端电性连接。

六、舵机控制板

舵机控制板的信号输入端与FPGA控制板的输出端电性连接，其接收FPGA控制板的指令，并采用常规技术对舵机云台进行控制，控制舵机云台360°旋转，从而驱动消防设备对准着火点并高效地灭火。在灭火的过程中，TRDB-D5M摄像头对火苗信息进行实时监控，FPGA控制板对火苗信息进行实时检测，当不能检测到火苗信息时(即火扑灭)，FPGA控制板向舵机控制板发送“停止”指令，消防设备自动停止。

作为一种优选的方案，舵机控制板选用的是基于Arduino的板卡。

七、舵机云台

舵机云台是作为消防灭火平台使用的，其信号输入端与舵机控制板的输出端电性连接。

八、消防设备

消防设备的信号输入端与舵机云台的输出端电性连接。消防设备为水炮

九、电源模块

电源模块与FPGA控制板和舵机云台电性连接。

本实用新型的基于FPGA的实时火灾报警与灭火系统，其工作过程如下：

1、通过I2C接口对TRDB-D5M摄像头进行功能设定，接着根据TRDB-D5M摄像头的输出时序，采集有效像素数据；

2、对有效像素数据缓存至DDR存储器中，同时进行颜色空间转换，将采集到的RGB型图像转化为YCbCr空间图像；

3、在YCbCr空间进行火焰检测，FPGA控制板依据算法需求抽取缓存中的部分帧图像，用于实现火焰检测的算法并输出火焰的定位信息，并将转化后的图像送至VGA显示器显示；

4、FPGA控制板判断异常图像，确定是否需要灭火，若要灭火则依据定位信息，通过串口发送云台控制指令(基于FPGA控制板实现火焰算法的处理及实现各种接口的控制)，控制云台实现灭火，同时通过GSM模块发出预警信息给工作人员。

由此可见，本实用新型的基于FPGA的实时火灾报警与灭火系统，其将视频采集、火焰检测、水炮和无线报警等多种功能集成在了一个体积较小的嵌入式系统中，体积缩小，使用更方便。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本实用新型，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于FPGA的实时火灾报警与灭火系统，其特征在于，包括：TRDB-D5M摄像头、FPGA控制板、存储器、VGA显示器、GSM模块、舵机控制板、舵机云台、消防设备和电源模块，其中，

所述TRDB-D5M摄像头的信号输出端与FPGA控制板的输入端电性连接；

所述存储器、VGA显示器、GSM模块、舵机控制板的信号输入端与FPGA控制板的输出端电性连接；

所述舵机云台的信号输入端与舵机控制板的输出端电性连接；

所述消防设备的信号输入端与舵机云台的输出端电性连接；

所述电源模块与FPGA控制板和舵机云台电性连接。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的实时火灾报警与灭火系统，其特征在于，所述FPGA控制板选用的是Altera公司的Cyclone IV系列的EP4CE115F29C7。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的实时火灾报警与灭火系统，其特征在于，所述存储器选用的是DDR存储器。

4.根据权利要求1所述的基于FPGA的实时火灾报警与灭火系统，其特征在于，所述舵机控制板选用的是基于Arduino的板卡。

5.根据权利要求1所述的基于FPGA的实时火灾报警与灭火系统，其特征在于，所述消防设备为水炮。