基于單片機與圖像識別技術的家庭消防系統設計

歐廣源 馬書研 田麗平

摘 要：本文設計了一款基于單片機與圖像識別技術的家庭消防系統。它主要由控制器、具有火焰圖像識別功能的旋轉攝像頭、水基型自動噴射滅火器、電動旋轉機構、電動伸縮桿、環形電動導軌及各類傳感模塊組成，是一套緊湊、獨立、功能有別于當今市面上各類消防系統的家庭式全自動消防系統。該系統實現了滅火裝置與判別裝置的有效聯動，大大提高了系統的覆蓋范圍、準確性與即時性，能更好地保障家庭安全。

關鍵詞：家庭消防系統;單片機;圖像識別;直線電動軌道;水基型自動噴射滅火器

中圖分類號：TU855;TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）19-0018-03

Abstract： This paper designs a family fire protection system based on single chip microcomputer and image recognition technology. It is mainly composed of controller， rotating camera with flame image recognition function， water-based automatic sprinkler fire extinguisher， electric rotating mechanism， electric telescopic rod， annular electric guide rail and various sensing modules. It is a compact and independent system， The function is different from all kinds of fire-fighting systems in the market today. The system realizes the effective linkage between fire extinguishing device and discrimination device， greatly improves the coverage， accuracy and timeliness of the system， and can better ensure family safety.

Keywords： home fire protection system;singlechip;image recognition;eletric circular track;water based automatic sprinkler

目前，家庭火災日趨增多，成因復雜，滅火難度大大增加，因家庭火災造成的死亡人數逐漸增多。由此，家庭消防成為建筑安全的新趨勢。然而，目前市面上各類全自動消防系統不能很好地滿足家庭消防的需求，存在以下問題：系統獨立性差，響應遲緩;靈敏度低，一般啟動滅火工作時，火勢已經不可遏制，只能起到減緩火勢蔓延的作用;大劑量、大范圍地噴灑滅火劑，即使撲滅了火災，也會給用戶帶來非常大的損失;主要針對大型建筑，維護成本高，多為噴淋水滅火[1-4]。因此，市場上的消防系統無法為家庭提供很好的防護，導致家庭火災日漸增多，造成大量的人員傷亡與財產損失。鑒于此，本文設計了一款基于單片機與圖像識別技術的家庭消防系統。該系統能實現無人值守、自動識別火災，并能針對起火點進行小范圍精確滅火。

1 總體設計

為了減少家庭火災的發生，最大限度地確保人員生命及財產安全，為用戶提供一種準確性更高、價格更低、安全性更高的產品，本文設計了一款基于單片機與圖像識別技術的家庭消防系統。該系統的硬件主要包括控制器、具有火焰圖像識別功能的旋轉攝像頭、電動伸縮桿、水基型自動噴射滅火器、傳感器、直線型電動軌道、步進電機、蓄電池以及電動旋轉機構，使用24 V 不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）進行供電，該系統的具體結構見圖1。

該系統的工作流程如圖2所示。具體流程：具有火焰圖像識別功能的旋轉攝像頭工作，監測環境是否產生火焰，若未監測到火焰，則持續監測;若監測到火焰，則啟動直線型電動導軌移動滅火裝置靠近可以著火點，并啟動電動旋轉機構正對可以著火點，同時啟動電動伸縮桿使傳感器、滅火噴射口靠近可疑著火點;通過溫度檢測、煙霧檢測、有毒氣體檢測進行二次確認，若滿足一個或多個條件，則啟動激光測距模塊，調整自動噴射滅火器內置回流型泵的壓力并打開電磁閥進行噴射滅火;當攝像頭識別可疑著火點處無火焰后，系統復位，重新進入正常監測狀態。

2 系統各部分設計

2.1 控制器

控制器是系統的數據處理與指令發送中心。本研究選用STC89C52單片機作為系統的控制器主體。控制器結構簡單，處理數據速度快，工作穩定，采用C語言作為編程語言，易于設計與開發[5-7]。

2.2 具有火焰圖像識別功能的旋轉攝像頭

具有火焰圖像識別功能的旋轉攝像頭一般安裝在房間或走廊頂部的對角位置，保證圖像采集范圍最大，覆蓋整個房間或走廊空間。一般設置兩個旋轉攝像頭，兩個攝像頭的圖像采集范圍可冗余交錯。攝像頭需要連續工作采集圖像數據。該系統主要通過以下兩種方法實現大范圍火焰圖像識別，并進行火災的第一次確認。第一，火焰像素點的顏色主要分布在橙黃色到白色之間，故提前建立火焰顏色模型，對所采集的各圖像的像素點與火焰顏色模型進行對比，以判斷環境中是否產生火焰。第二，根據火焰運動特征判斷。由于空氣的流動，火焰的整體輪廓會隨著時間而持續改變，呈現一種抖動的狀態，因此圖像中火焰的像素值會存在一定的時間變化率。攝像頭使用幀間差法檢測出火焰的時間變化率判斷是否產生火焰，即將連續采集的兩幀圖像直接相減以獲取圖像中像素值的變化，再與設定的火焰燃燒時圖像像素值變化范圍值進行對比。

兩種判斷方法相結合使該攝像頭精度高且不受其他移動目標的干擾，確保火災一次確認的準確性。

2.3 電動伸縮桿

雖然環形電動軌道使進行火災二次確認的傳感器與滅火裝置可以更加接近著火點，但目前家庭式商品房高度大概2.8 m，因此還需要額外安裝一個電動伸縮桿，以確保可疑著火點進入傳感器的檢測范圍。電動伸縮桿最大伸長長度為2.5 m，可在任意位置停止，自帶機鎖，伸縮桿到達底部會自動停止，確保電機不會空燒，以確保傳感器探測到房間內的每一個角落，實現探測范圍的全覆蓋。

2.4 水基型自動噴射滅火器

水基型自動噴射滅火器主要由儲存箱、電磁閥、加壓噴頭以及回流泵組成。儲存箱中儲存有數升水基型滅火劑，該滅火劑適用于油、電、氣和其他物質引起的各類火災。電磁閥在回流泵達到足夠壓力前保持關閉狀態，以確保最大限度地節約使用滅火劑。回流型泵可以通過改變轉速調節壓力，當電磁閥關閉時泵內電機不會停轉，但回流閥會打開，滅火劑會在泵內循環。

2.5 各類傳感器模塊

2.5.1 小范圍溫度檢測模塊。本系統通過溫度傳感器對溫度進行檢測，并將溫度作為判定火災的依據之一。該小范圍溫度檢測模塊采用的是PT100溫度傳感器，其測溫范圍廣（-199～600 ℃），穩定性高，溫度漂移在0.04%以下。該溫度傳感器的工作溫度為-40～200 ℃，能在火災發生初期正常工作。

2.5.2 煙霧檢測模塊。物質的燃燒往往會產生煙霧。因此，可以通過檢測空氣中的煙霧濃度來判別是否發生火災。煙霧檢測模塊選用MQ-2型半導體可燃氣體敏感元件煙霧傳感器實現煙霧的檢測，具有靈敏度高、響應快、抗干擾能力強等優點，而且價格低廉，使用壽命長。該傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫（SnO2）。當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大[8]。

2.5.3 有毒氣體檢測模塊。當前，大多數電器、家具等都含有塑料和其他復合材料成分，這些物質在燃燒時會產生部分有毒氣體，因此檢測空氣中有毒氣體濃度也是判別是否發生火災的一個重要方法。該模塊主要選用MQ-5氣體傳感器實現有毒氣體檢測，可檢測出空氣中的甲烷（存在于天然氣中）、丙烷（存在于液化氣中）等有毒氣體[9]。當MQ-5氣體傳感器所處環境中存在有毒氣體時，其電導率隨空氣中有毒氣體濃度的增加而增大。其將電導率變化轉換為輸出信號傳給控制器進行處理，進而判斷環境中是否產生火焰。

2.6 環形電動導軌

考慮到傳感器檢測范圍有限，以及水基型自動噴射滅火器的噴射距離與精準度等因素，在空間較大的房間頂部加裝一個環形電動導軌，其長度和寬度大致與房間或走廊的長度和寬度相同。該環形電動導軌由地腳、感應座、限位開關、感應片、聯軸器、電機籠及步進電機組成。控制器通過步進電機控制器控制步進電機的轉速與轉向，步進電機置于直線電動導軌末端的電機籠中，電機轉動帶動環形電動導軌的內置同步輪轉動，使鋼絲同步帶移動，進而驅動滑臺及其連接的承載多種器件的載物平臺移動。該環形電動導軌具有靜音、美觀、移動速度快等特點，同時增大了傳感器的探測范圍，并使得傳感器與滅火裝置進一步接近可疑著火點，能更精準地進行火災二次確認，及時向著火點噴射滅火劑。

2.7 UPS不間斷電源

本文設計的消防系統采用24 V的UPS供電，以滿足消防設備對電源的要求。UPS是一種含有儲能裝置的不間斷電源。當市電輸入正常時，該UPS將市電變壓整流后供應給負載使用，此時的UPS就是一臺直流式電變壓器，同時向機內電池充電;當市電中斷（事故停電，如火災發生）時，UPS立即將電池的直流電能向負載供應，使負載維持正常工作，并保護負載軟、硬件不受損壞[10]。由UPS供電，增強了系統的可靠性。

2.8 電動旋轉機構

電動旋轉機構由步進電機驅動器和步進電機構成。步進電機與步進電機驅動器固定在載物平臺的邊緣，步進電機的轉軸與電動伸縮桿末端的固定孔相連，步進電機可帶動電動伸縮桿在垂直面上進行360°旋轉，實現噴頭噴射范圍與傳感器檢測范圍全方位覆蓋。

3 結語

本文設計的家庭式全自動消防系統能較好地解決市面上一般消防系統存在的問題，具有精準判別火災、迅速滅火等優勢，將其應用于具體環境中能有效防止火災的發生與蔓延。

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