以CCD圖像為基礎的自動定位滅火系統開發

王洋

摘 要 本文以CCD圖像信息為基礎，提出了消防炮自動定位滅火監控系統的總體設計方案。該系統運用由CCD攝像頭所提供的顏色信息與動態特征，對火源加以識別與定位，另外，還采用了PGA技術與DSP技術，來促進系統實用性、經濟性與可靠性的提升。

【關鍵詞】CCD圖像 自動定位滅火系統 開發

大空間建筑物的內部通常會設置有異常復雜的設施，比如安裝許多大功率電器、鋪設大量電纜電線等，因此，火災隱患較大。特別是發生火災時，火勢難控且蔓延速度快，易轟燃，給撲救增加了不少難度。對此，積極開發出可有效用于大空間建筑物的早期火災監控系統十分迫切與必要。隨著機器視覺技術的日漸發展與完善，以CCD攝像頭為傳感器，用其所采集的圖像信息來火災定位，具有較大可行性與獨特優越性。

1 系統結構與功能分析

1.1 系統結構

圖1為系統的總體結構，各監控區域的消防炮、人工操作臺、總控PC的信息交互，均由局域網絡實現，此局域網支持RS-485標準的主從模式自定義協議。在消防炮上，不僅安裝有近紅外CCD攝像頭，還安裝有CCD攝像頭，對于CCD攝像頭而言，其所提供的雙波段視頻信號會被傳送到CCD圖像處理單元，實施系統化的火源識別與處理。對于消防炮控制器，其經RS-485接口，連接于總控PC，且通過旋轉編碼器，對消防炮在垂直與水平方向上的位移情況進行檢測，另外還負責消防炮的驅動，通過CCD攝像頭與消防炮的緊密配合，便可獲取火源三維空間坐標，除此之外，消防器控制炮還能將噴水閥門開啟，實施撲救。

1.2 主要功能

當發生火災時，火災報警裝置一旦探測到，便會立即將報警信號發送至總控PC，然后總控PC便會系統化處理現場與報警區域的信息，從中得出最佳搜索方法，之后，便會將定位指令與相關信息發送給各個消防炮，另外，還會以自動撥打電話的方式告知相關工作人員，此時，值班人員可利用人工操作臺，通過手動操作來實現滅火。如果值班人員無手動操作滅火，那么當消防炮接收到定位指令后，便會先利用攝像頭在其監控區域內，以俯仰與水平方向，自動完成火源空間的定位及火災的確認工作，當火源得到確認后，微調消防炮，使火源位置處在畫面的中央，從中獲取火源的三維空間坐標。當消防炮將火源鎖定后，適當性延遲設定時間，此時的總控PC通過分析與決策制定，將噴水指令下達到距離火源最近的消防炮，接收指令后，此消防炮便會開啟閥門，實施定點撲救。

2 系統核心技術

2.1 以CCD圖像信息為基礎的火災圖像識別算法

系統利用CCD攝像頭所提供的近紅外波段與見光波段（雙波段）圖像，結合火災發生早期火焰無規律變化與不穩定特性，另依據火焰的色彩模型與動態特征，選用計算機視覺技術，構建可行、有效、系統化的火災識別判據。

背景與火焰之間有著明顯的對比，算法的判斷依據為火焰灰度，開展二值化操作，基于火災現場圖像，從中將火焰區域分割出來，然后通過各種處理，比如圖像分割、增強等，從中挖掘出可以準確描述火災特征、形態的參數，最后依據這些特征參數，結合判別規則，識別火災圖像信息，對是否為火源進行判斷。對于早期火災而言，其火焰非常不穩定，而且在諸如閃爍、抖動、邊緣、形態及亮度等特征上，也呈現出無規律性。算法的主要判斷依據即為火焰紅外波段的運動特征，另外，與可見光波段信息相結合，構建色彩判斷依據，從中便可得到各種火焰的特征判斷依據，如此一來，便能夠有效規避與克服單一判斷依據所帶來的不足和缺陷，將外界干擾排除掉，促進火災判別有效性、可靠性的提升。

2.2 TMS320LIF2407A消防炮控制器

以DSP芯片為基礎的TMS320LIF2407A消防炮控制器，可使消防炮在垂直與水平方向上進行輸出驅動與位置檢測，因此，能夠對消防炮的三維運動施加有效控制。該消防炮控制器擁有2組旋轉編碼器輸入信號接口，能夠準確、實時測量消防炮在垂直與水平方向上的位移情況；另外，位置極限信號與開關量輸出控制信號均有四路，能夠控制消防炮，使其垂直旋轉與水平旋轉，還能選擇消防炮噴出水流的狀態，即直流狀態或噴霧狀態；除此之外，還設置有RS-485接口，負責接收控制命令，以及傳送處理信息。

2.3 嵌入式圖像處理單元

國內外投入實際應用狀態的各種火災監控系統中，大部分的信息處理單元均為計算機，因而，系統的設備比較復雜，且安裝繁瑣，維護困難，特別是處于長時間運行狀態的系統設備，計算機時常出現故障，從而對系統使用壽命造成影響。本系統為較好進行數字圖像的處理及視頻信號的采集，選用的是嵌入式圖像信息處理單元，此單元能夠簡化結構，實現系統成本的降低。另外，系統采用的是由Philips公司所生產的SAA7113視頻解碼芯片，尤其來完成視頻采集，還選用了Altera公司所生產的FPGA芯片EPCI C6Q240C，實現同步邏輯控制，除此之外，還移植有火焰識別算法。此系統內部還設置有NIOSⅡ軟內核處理器。對于NIOSⅡ而言，其實為一個可開展SOPC設計并且靈活可靠的嵌入式處理器軟核。其能夠提供比較復雜控制邏輯的SDRAM接口電路，便于系統運用大容量SDRAM來緩存多幀圖像。

3 結語

綜上，該系統現今已經通過測試與驗收，經現場試驗結果得知，該系統能夠對火源進行有效識別與定位，消防炮保護半徑可達70m，而在系統響應時間方面，低于60s，撲救精度3m內，定位精度1m內。此系統還能提供早期火災的監控與撲救。

參考文獻

[1]謝志冰.基于CCD圖像的消防炮自動定位滅火監控系統的研究與開發[D].上海大學，2007.

[2]張亞娟.基于CCD圖像傳感器的云母槽自動檢測與控制系統的設計[D].重慶大學，2016.

作者單位

營口世紀電子儀器有限公司 遼寧省營口市 115004endprint