专利名称：基于双波段的嵌入式火焰探测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种图像型火灾探测设备，具体地说是一种基于双波段的嵌入式火焰探测装置。
背景技术：
大空间建筑早期火灾的探测技术早已成为设计人员和消防工作者的一个十分关注的话题。火灾统计中不难发现，大空间火灾频发，重特大恶性火灾几乎全部集中在高大空间场所，涉及了各行各业。常规探测器在高大空间的火灾探测方面有一定的局限性，不能真正实现预期的火灾探测以及早期报警要求。如何能够实现高大空间建筑早期火灾预警和火焰定位，最大限度的减少损失，已经成为消防行业急需要解决的问题。随着计算机视觉技术的成熟，消防产品的科技更新，大空间火灾探测已不再是高不可攀的难题。常规探测器中感烟探测器适合保护高度为iaii及12m以下的空间；一级感温探测器适合保护高度为8m及8m以下的空间；紫外或红外火焰探测器适合保护20m及20m以下高度的空间；不难看出，现有的探测器只探测20m以下的火情。而当火灾烟雾上升至13m-23m 左右时开始形成烟层而不再上升，当烟雾层集到一定厚度时开始下沉。而在大空间建筑内， 受空间高度和面积的影响，加之大空间内热风压效应，火灾形成的热气流和烟雾很难到达屋顶，因此常规探测器不能及时感应动作，等到探测器动作时火灾已经发展到一定规模。另外，常规探测器受外界环境因素影响大，在环境恶劣情况下易受干扰，尤其是在会展中心这种功能性要求比较复杂、人员众多的场所内，决不能因为某种误报漏报现象带给人员不必要的恐慌、带来无谓的经济损失。中国专利(申请号201020214207. 6)公开了一种基于高清摄像机内置DSP的火灾视频识别系统，将火灾视频识别的实用算法固化到高清摄像机内置DSP中，可实时完成对目标区域的高清图像的分析和判断。设计采用网络和RS485传输方式将数据信息传回到报警中心。该系统存在以下缺点1.采集光谱带宽过宽，光照强度过大时，干扰无法剔除，易产生误报；2.只采集可见光部分，夜间或者光线强度较低时无法正确对火焰进行识别；3.数据信息传输方式单一很难与传统消防系统兼容；4.供电方式不合理，设备供电电压和消防系统标准电压无法兼容；5.不能检测与联动设备连接状态；6.采用数字摄像机，没有模式视频输出，很难与已有安防系统兼容。中国专利(申请号200510061876.8)公开了基于全方位视觉传感器火灾监控装置，利用全方位视觉传感器对现场监控，将摄得的全方位图像输入计算机不断进行图像处理和分析。该系统存在以下缺点1.采用计算机作为核心处理器，没有嵌入式装置集成度高，安装不灵活，稳定性差，软件安全性差；2.整个火灾监控系统框架建立不完善，存在很多安全隐患；[0014]3.与传统消防系统不兼容，无法和现有的消防系统产生联动关系；4.采集光谱带宽过宽，光照强度过大时，干扰无法剔除，易产生误报；5.不能检测与联动设备连接状态；
实用新型内容针对现有技术中存在的安装灵活差、稳定性差、易产生误报等不足之处，本实用新型要解决的技术问题是提供一种适应性强、抗干扰能力强、误报率低、定位精度高、兼容性好的基于双波段的嵌入式火焰探测装置。为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是本实用新型基于双波段的嵌入式火焰探测装置，安装于大空间建筑火灾报警系统中，包括双波段视频采集单元、图像解码器、中央处理单元、FPGA协处理单元以及图像编码器，其中双波段视频采集单元将采集的模拟视频信号经图像解码器输出到中央处理单元；中央处理单元将分析处理得到的数据送至FPGA协处理单元，FPGA协处理单元将其计算后的数据再反馈至中央处理单元，中央处理单元处理后的图像信号经图像编码器输出。所述双波段视频采集单元为可同时采集彩色视频图像信号和近红外视频图像信号的彩色摄像机和近红外摄像机。所述中央处理单元包括DSP数字信号处理模块以及与其双向连接的内存模块和数据程序存储模块，DSP数字信号处理模块接收图像解码器的输出信号，DSP数字信号处理模块与FPGA协处理单元进行双向数据传输。所述FPGA协处理单元包括数据缓冲模块、降噪处理模块、数据分割模块、单元变换模块、数据提取模块以及结果返回模块，其中数据缓冲模块的输入端通过多数据通道与DSP数字信号处理模块相连，数据缓冲模块的输出端顺次通过有降噪处理模块、数据分割模块、单元变换模块、数据提取模块以及结果返回模块返回接至DSP数字信号处理模块。本实用新型还包括CAN总线传输单元，中央处理单元的DSP数字信号处理模块通过CAN总线传输单元实时向基于双波段的嵌入式火焰探测系统传输报警信息、控制信息；本实用新型还包括输入输出单元，中央处理单元的DSP数字信号处理模块通过输入输出单元输入输出报警信号。本实用新型还包括以太网模块，中央处理单元的DSP数字信号处理模块通过以太网模块接入网络。本实用新型还具有无线传输单元，一端与中央处理单元的DSP数字信号处理模块进行双向连接，另一端将分析处理后的报警数据无线传输至报警控制中心。本实用新型还具有正确显示火灾发生时间的实时时钟模块，其与中央处理单元的DSP数字信号处理模块进行双向连接。本实用新型还具有防止软件系统被抄袭的安全单元，其与中央处理单元的DSP数字信号处理模块进行双向连接。本实用新型具有以下有益效果及优点1.本实用新型采用双波段摄像机，根据外界条件自动选择有效采集光谱的频段，具有分辨发射光源与干扰光源的能力，对环境干扰的抵抗能力强，弥补了以往由于采集光谱带宽过宽，光照强度过大时而产生的干扰，具有多种火灾识别模式，可靠性高，有效降低了误报率；2.本实用新型由于采用嵌入式技术，分析处理完全由探测装置独立完成，减轻服务器压力，理论上服务器可连接上万台探测装置，系统性能强，应用范围广；3.本实用新型应用多种现场总线技术，完全融合于原有安防系统和消防系统，将复杂繁琐的工作交给协处理模块，实现实时图像分析；报警的同时显示火场图像信号，并自动进行录像，保留现场资料，便于事故分析；4.装置集成度高，内置双波段摄像机，无需额外添加摄像机；具有保护面积大、距离远、响应速度快等特点，实现早期报警；5.特殊场合可应用GPRS或无线工业模块，节省布线。
图1为包括本实用新型在内的基于双波段的嵌入式火焰探测系统结构框图；图2为本实用新型基于双波段的嵌入式火焰探测装置基本结构框图；图3为本实用新型中FPGA协处理单元结构框图；图4为本实用新型结构框图；图5为本实用新型的机械结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。如图1所示，基于双波段的嵌入式火焰探测系统应用于大空间建筑内，实现对大空间建筑的早期火灾探测、报警、联动、发出信息和图像。基于双波段的嵌入式火焰探测系统由本实用新型基于双波段的嵌入式火焰探测装置、联动模块、水炮、网络交换机、管理终端、硬盘录像机、电视墙、区域控制箱、报警主机组成。本实用新型为多个(1 N个)，覆盖整个建筑内所有需要监测火情的空间，采集多组视频数据后进行火焰识别，通过数据总线将识别结果传输给区域控制箱，再由区域控制箱将多路探测结果汇总后传输给报警主机， 同时通过网络将识别结果和视频图像传输给管理终端以便记录和查询。本实用新型将采集的视频图像输出给硬盘录像机并由硬盘录像机输出给电视墙。当识别到有火灾发生时会产生报警输出给联动模块，联动模块瞬时打开水炮。如图2所示，本实用新型一种基于双波段的嵌入式火焰探测装置，安装于大空间建筑火灾报警系统中，包括双波段视频采集单元、图像解码器、中央处理单元、FPGA协处理单元以及图像编码器，其中双波段视频采集单元根据外界条件自动选择有效采集光谱的频段，将采集的模拟视频信号接至图像解码器，图像解码器将解码后的图像信号输出到中央处理单元的DSP数字信号处理模块进行分析处理；中央处理单元将分析处理得到的数据送至FPGA协处理单元，FPGA协处理单元将其计算后的数据再反馈至中央处理单元，中央处理单元处理后的图像信号经图像编码器输出，除DSP数字信号处理模块外，中央处理单元内部还具有内存模块SDRAM和数据程序存储模块，即闪存FLASH。双波段视频采集单元彩色摄像机采集可见光和近红外双频段，探测器可根据光线的强弱、火焰自身特征、外界干扰等条件自动选择有效采集光谱的频段。已达到清晰识别火焰图像和去除干扰的目的。图像解码器接收双波段视频采集单元的视频模拟信号，经解码后输出至中央处理单元的DSP数字信号处理模块，DSP数字信号处理模块首先将双路视频数据进行同步接收，将双路视频数据几乎同时搬运到内存模块并进行二次视频数据拷贝，整个搬运双路视频数据过程尽可能的使两路视频数据同步进行，以免后期数据处理两路视频帧没有同步，将二次拷贝的视频数据进行分析处理，采用了图像处理、计算机视觉、人工智能等多项高新技术达到火焰准确识别和定位；中央处理单元将上述分析处理得到的数据送至FPGA协处理单元进行辅助计算，中央处理单元最终将处理结果输出至图像编码器。如图3所示，FPGA协处理单元包括数据缓冲模块，其输出端通过多数据通道与DSP数字信号处理模块相连，数据缓冲模块的输出端顺次通过有降噪处理模块、数据分割模块、单元变换模块、数据提取模块以及结果返回模块与DSP数字信号处理模块相连。如图4所示，为了保证系统的版权安全，保证硬件系统全球唯一性，防止软件系统被抄袭，本实用新型内部接有安全单元，其与中央处理单元的DSP数字信号处理模块进行双向连接。本实用新型还可以具有无线传输模块，将其分析处理后的报警数据无线传输至报警控制中心。本实用新型还可以具有以太网模块，中央处理单元的DSP数字信号处理模块通过以太网模块接入网络，以便在局域网或广域网内使用本装置；本实用新型还可以火焰探测装置内部接有实时时钟模块，其与中央处理单元的DSP数字信号处理模块进行双向连接，以便正确显示火灾发生时间；所述火焰探测装置内部接有CAN总线传输单元，中央处理单元的DSP数字信号处理模块通过CAN总线传输单元实时向基于双波段的嵌入式火焰探测系统传输报警信息、控制信息；所述火焰探测装置内部接有输入输出单元，中央处理单元的DSP数字信号处理模块通过输入输出单元输出报警信号，通过报警输出连接其他报警设备产生联动关系；所述火焰探测装置内部接有指示电路，设于中央处理单元的DSP数字信号处理模块的输出端，用于显示系统的工作状态、电源状态、联动设备连接状态。本实用新型采用嵌入式架构，是在通过对火焰的热、色、形、光谱及运动特性的研究基础上，提出的一种基于彩色影像和近红外影像的双波段火灾识别装置。双波段的嵌入式火焰探测装置由彩色和近红外摄像机作为其前端设备。彩色摄像机和近红外摄像机采用频谱回应范围400nm 1200nm的CXD或COMS图像传感器，可同时采集彩色视频图像信号和近红外视频图像信号。彩色摄像机采集可见光频段，近红外摄像机采集近红外频段。白天或有光照条件下采用彩色摄像机进行火焰和烟雾识别。近红外摄像机可以在任何光照条件下清晰的获取火焰图像，最适合在无光照或者低光照条件下清晰的获得火焰图像，并用于拍摄酒精类燃烧或物质燃烧的清晰图像。光线过强时还可以弥补彩色摄像机的不足，消除可见光干扰。软件处理采用图像处理、计算机视觉、人工智能等多项高新技术，实现大空间建筑早期火灾的探测和二维空间火焰定位功能。抗环境干扰，适合各种光线条件。具有控制距离远、保护面积大、响应速度快、灵敏度高、可靠性强等特点，是一种高性价比、高智能化、高集成化的智能火焰探测装置。对现有火灾探测装置包括点型红外火焰探测装置、吸气式感烟火灾探测装置、点型一氧化碳火灾探测装置形成补充。如图5所示，本实用新型的机械结构分为四大模块，包括镜头模块1、双波段视频采集单元2、图像处理模块3 (包括如图2或图4所示的除双波段视频采集单元以外的其他部分)以及接口模块4。镜头模块1包括两个红外定焦镜头，把被观察目标的光像呈现在摄像机的靶面上，双波段图像采集模块2把双波段光信号转为数字信号进行处理后以模拟图像形式输出给图像处理模块3，图像处理模块3对视频图像进行分析处理，将分析结果传输给接口模块4。本实用新型基于上述结构，能够实现对大空间建筑进行早期火灾探测、报警、联动。本实用新型采用嵌入式平台技术与计算机视觉技术和光学技术，中央处理单元完成主要分析处理任务，FPGA协处理单元通过多数据通道连接DSP数字信号处理模块完成辅助计算任务，双波段摄像头完成不同波段的图像采集，实时性强的现场工业总线技术。FPGA协处理单元包括基本逻辑部分和辅助计算部分。辅助计算部分对数据逐步通过以下操作数据缓冲准备、降噪处理、数据分割、单元变换、数据提取、结果发送；图像解码器负责数字视频信息的采集，提交给DSP数字信号处理模块；图像编码器负责输出处理后的视频信息，以太网模块、无线传输模块、CAN总线传输模块完成与火灾控制中心的数据交换，提交探测信息。本实施例中，安全单元采用ESAM高端安全智能卡专用安全微处理器，符合 IS07816通讯协议，其内部包括加密解密算法模块和安全数据存储模块，具有防篡改设计、 唯一序列号和可探测到外部攻击后内部数据自毁等安全设计。本实用新型将安全微处理器的1\0 口连接可编程逻辑器件(即FPGA协处理单元的基本逻辑单元)，通过可编程逻辑器件的内部寄存器映射到DSP的外部存储器接口进行操作。并通过配置可编程逻辑器件的寄存器状态，控制读写时序和改变安全微处理器的状态。加密过程采用随机数产生随机密钥， 一次一密钥，隐藏加密信息，安全性极高。由于本实用新型采用嵌入式技术，分析处理完全由探测装置独立完成，使整个系统集成度高，内置双波段摄像机，无需额外添加摄像机。本实用新型安装简单，可以在各种条件下进行连续火情监控、火情定位、火情识别，并可融入现有监控系统和消防系统，真正实现预期的火灾探测、早期报警要求。
权利要求1.一种基于双波段的嵌入式火焰探测装置，安装于大空间建筑火灾报警系统中，其特征在于包括双波段视频采集单元、图像解码器、中央处理单元、FPGA协处理单元以及图像编码器，其中双波段视频采集单元将采集的模拟视频信号经图像解码器输出到中央处理单元；中央处理单元将分析处理得到的数据送至FPGA协处理单元，FPGA协处理单元将其计算后的数据再反馈至中央处理单元，中央处理单元处理后的图像信号经图像编码器输出。
2.按权利要求1所述的基于双波段的嵌入式火焰探测装置，其特征在于所述双波段视频采集单元为可同时采集彩色视频图像信号和近红外视频图像信号的彩色摄像机和近红外摄像机。
3.按权利要求1所述的基于双波段的嵌入式火焰探测装置，其特征在于所述中央处理单元包括DSP数字信号处理模块以及与其双向连接的内存模块和数据程序存储模块，DSP数字信号处理模块接收图像解码器的输出信号，DSP数字信号处理模块与FPGA协处理单元进行双向数据传输。
4.按权利要求1所述的基于双波段的嵌入式火焰探测装置，其特征在于所述FPGA协处理单元包括数据缓冲模块、降噪处理模块、数据分割模块、单元变换模块、数据提取模块以及结果返回模块，其中数据缓冲模块的输入端通过多数据通道与DSP数字信号处理模块相连，数据缓冲模块的输出端顺次通过有降噪处理模块、数据分割模块、单元变换模块、数据提取模块以及结果返回模块返回接至DSP数字信号处理模块。
5.按权利要求1所述的基于双波段的嵌入式火焰探测装置，其特征在于还包括CAN总线传输单元，中央处理单元的DSP数字信号处理模块通过CAN总线传输单元实时向基于双波段的嵌入式火焰探测系统传输报警信息、控制信息。
6.按权利要求1所述的基于双波段的嵌入式火焰探测装置，其特征在于还包括输入输出单元，中央处理单元的DSP数字信号处理模块通过输入输出单元输入输出报警信号。
7.按权利要求1所述的基于双波段的嵌入式火焰探测装置，其特征在于还包括以太网模块，中央处理单元的DSP数字信号处理模块通过以太网模块接入网络。
8.按权利要求1所述的基于双波段的嵌入式火焰探测装置，其特征在于还具有无线传输单元，一端与中央处理单元的DSP数字信号处理模块进行双向连接，另一端将分析处理后的报警数据无线传输至报警控制中心。
9.按权利要求1所述的基于双波段的嵌入式火焰探测装置，其特征在于还具有正确显示火灾发生时间的实时时钟模块，其与中央处理单元的DSP数字信号处理模块进行双向连接。
10.按权利要求1所述的基于双波段的嵌入式火焰探测装置，其特征在于还具有防止软件系统被抄袭的安全单元，其与中央处理单元的DSP数字信号处理模块进行双向连接。
专利摘要本实用新型涉及一种基于双波段的嵌入式火焰探测装置，安装于大空间建筑火灾报警系统中，包括双波段视频采集单元、图像解码器、中央处理单元、FPGA协处理单元以及图像编码器，其中双波段视频采集单元将采集的模拟视频信号经图像解码器输出到中央处理单元；中央处理单元将分析处理得到的数据送至FPGA协处理单元，FPGA协处理单元将其计算后的数据再反馈至中央处理单元，中央处理单元处理后的图像信号经图像编码器输出。本实用新型具有分辨发射光源与干扰光源的能力，对环境干扰的抵抗能力强，弥补了以往由于采集光谱带宽过宽，光照强度过大时而产生的干扰，具有多种火灾识别模式，可靠性高，有效降低了误报率。
文档编号G08B17/12GK202306757SQ201120211440
公开日2012年7月4日 申请日期2011年6月21日 优先权日2011年6月21日
发明者邱怀骏, 高名杨 申请人:沈阳天目科技有限公司