以CCD图像为基础的自动定位灭火系统开发

王洋

摘 要 本文以CCD图像信息为基础，提出了消防炮自动定位灭火监控系统的总体设计方案。该系统运用由CCD摄像头所提供的颜色信息与动态特征，对火源加以识别与定位，另外，还采用了PGA技术与DSP技术，来促进系统实用性、经济性与可靠性的提升。

【关键词】CCD图像 自动定位灭火系统 开发

大空间建筑物的内部通常会设置有异常复杂的设施，比如安装许多大功率电器、铺设大量电缆电线等，因此，火灾隐患较大。特别是发生火灾时，火势难控且蔓延速度快，易轰燃，给扑救增加了不少难度。对此，积极开发出可有效用于大空间建筑物的早期火灾监控系统十分迫切与必要。随着机器视觉技术的日渐发展与完善，以CCD摄像头为传感器，用其所采集的图像信息来火灾定位，具有较大可行性与独特优越性。

1 系统结构与功能分析

1.1 系统结构

图1为系统的总体结构，各监控区域的消防炮、人工操作台、总控PC的信息交互，均由局域网络实现，此局域网支持RS-485标准的主从模式自定义协议。在消防炮上，不仅安装有近红外CCD摄像头，还安装有CCD摄像头，对于CCD摄像头而言，其所提供的双波段视频信号会被传送到CCD图像处理单元，实施系统化的火源识别与处理。对于消防炮控制器，其经RS-485接口，连接于总控PC，且通过旋转编码器，对消防炮在垂直与水平方向上的位移情况进行检测，另外还负责消防炮的驱动，通过CCD摄像头与消防炮的紧密配合，便可获取火源三维空间坐标，除此之外，消防器控制炮还能将喷水阀门开启，实施扑救。

1.2 主要功能

当发生火灾时，火灾报警装置一旦探测到，便会立即将报警信号发送至总控PC，然后总控PC便会系统化处理现场与报警区域的信息，从中得出最佳搜索方法，之后，便会将定位指令与相关信息发送给各个消防炮，另外，还会以自动拨打电话的方式告知相关工作人员，此时，值班人员可利用人工操作台，通过手动操作来实现灭火。如果值班人员无手动操作灭火，那么当消防炮接收到定位指令后，便会先利用摄像头在其监控区域内，以俯仰与水平方向，自动完成火源空间的定位及火灾的确认工作，当火源得到确认后，微调消防炮，使火源位置处在画面的中央，从中获取火源的三维空间坐标。当消防炮将火源锁定后，适当性延迟设定时间，此时的总控PC通过分析与决策制定，将喷水指令下达到距离火源最近的消防炮，接收指令后，此消防炮便会开启阀门，实施定点扑救。

2 系统核心技术

2.1 以CCD图像信息为基础的火灾图像识别算法

系统利用CCD摄像頭所提供的近红外波段与见光波段（双波段）图像，结合火灾发生早期火焰无规律变化与不稳定特性，另依据火焰的色彩模型与动态特征，选用计算机视觉技术，构建可行、有效、系统化的火灾识别判据。

背景与火焰之间有着明显的对比，算法的判断依据为火焰灰度，开展二值化操作，基于火灾现场图像，从中将火焰区域分割出来，然后通过各种处理，比如图像分割、增强等，从中挖掘出可以准确描述火灾特征、形态的参数，最后依据这些特征参数，结合判别规则，识别火灾图像信息，对是否为火源进行判断。对于早期火灾而言，其火焰非常不稳定，而且在诸如闪烁、抖动、边缘、形态及亮度等特征上，也呈现出无规律性。算法的主要判断依据即为火焰红外波段的运动特征，另外，与可见光波段信息相结合，构建色彩判断依据，从中便可得到各种火焰的特征判断依据，如此一来，便能够有效规避与克服单一判断依据所带来的不足和缺陷，将外界干扰排除掉，促进火灾判别有效性、可靠性的提升。

2.2 TMS320LIF2407A消防炮控制器

以DSP芯片为基础的TMS320LIF2407A消防炮控制器，可使消防炮在垂直与水平方向上进行输出驱动与位置检测，因此，能够对消防炮的三维运动施加有效控制。该消防炮控制器拥有2组旋转编码器输入信号接口，能够准确、实时测量消防炮在垂直与水平方向上的位移情况；另外，位置极限信号与开关量输出控制信号均有四路，能够控制消防炮，使其垂直旋转与水平旋转，还能选择消防炮喷出水流的状态，即直流状态或喷雾状态；除此之外，还设置有RS-485接口，负责接收控制命令，以及传送处理信息。

2.3 嵌入式图像处理单元

国内外投入实际应用状态的各种火灾监控系统中，大部分的信息处理单元均为计算机，因而，系统的设备比较复杂，且安装繁琐，维护困难，特别是处于长时间运行状态的系统设备，计算机时常出现故障，从而对系统使用寿命造成影响。本系统为较好进行数字图像的处理及视频信号的采集，选用的是嵌入式图像信息处理单元，此单元能够简化结构，实现系统成本的降低。另外，系统采用的是由Philips公司所生产的SAA7113视频解码芯片，尤其来完成视频采集，还选用了Altera公司所生产的FPGA芯片EPCI C6Q240C，实现同步逻辑控制，除此之外，还移植有火焰识别算法。此系统内部还设置有NIOSⅡ软内核处理器。对于NIOSⅡ而言，其实为一个可开展SOPC设计并且灵活可靠的嵌入式处理器软核。其能够提供比较复杂控制逻辑的SDRAM接口电路，便于系统运用大容量SDRAM来缓存多帧图像。

3 结语

综上，该系统现今已经通过测试与验收，经现场试验结果得知，该系统能够对火源进行有效识别与定位，消防炮保护半径可达70m，而在系统响应时间方面，低于60s，扑救精度3m内，定位精度1m内。此系统还能提供早期火灾的监控与扑救。

参考文献

[1]谢志冰.基于CCD图像的消防炮自动定位灭火监控系统的研究与开发[D].上海大学，2007.

[2]张亚娟.基于CCD图像传感器的云母槽自动检测与控制系统的设计[D].重庆大学，2016.

作者单位

营口世纪电子仪器有限公司 辽宁省营口市 115004endprint