基于機器視覺的倉庫智能消防滅火系統(tǒng)架構設計與研究*

陳 思，彭一航

（佛山職業(yè)技術學院 機電工程學院，廣東 佛山 528137）

倉庫由于存放物品雜多、環(huán)境復雜、缺乏人員值守，常發(fā)生各種危害程度的火災，是消防系統(tǒng)研究領域關注的重點對象[1-2]。雖然，目前已經(jīng)出現(xiàn)很多智能火災預警系統(tǒng)，但是火災的擴展速度非常快，分秒之間就會損害大量財物，甚至奪取人們的生命。如果能在第一時間發(fā)現(xiàn)火災，利用倉庫里的智能消防系統(tǒng)準確識別煙霧和火焰，迅速將火苗撲滅，就更有利于減小災情，保護人們的生命財產(chǎn)安全。

1 智能消防系統(tǒng)的研究意義

倉庫智能消防系統(tǒng)要完成全自動無人控制的消防滅火任務，其中很重要的一步是需要快速、準確檢測到火源及其位置[3-4]，考慮到傳統(tǒng)的火災檢測傳感器具有檢測范圍小、檢測距離短及抗干擾能力差等缺點，本文應用檢測范圍大，能實現(xiàn)遠距離檢測的機器視覺檢測技術來檢測火災，同時設計了移動滅火裝置來完成全自動滅火的任務。目前，國內(nèi)外大量研究機構和學者專注于研究基于現(xiàn)代傳感器技術、機器視覺檢測技術及人工智能等技術的智能消防系統(tǒng)，未來智能消防系統(tǒng)產(chǎn)品將會越來越成熟，為人們生命和財產(chǎn)保駕護航。目前，基于機器視覺的智能消防系統(tǒng)還不夠成熟，還沒有得到廣泛應用。隨著計算機科學的發(fā)展和機器視覺檢測技術的不斷成熟，基于機器視覺的智能消防系統(tǒng)具有較高的研究價值。本文對基于機器視覺的倉庫智能消防滅火系統(tǒng)進行架構設計。

2 智能消防系統(tǒng)的整體系統(tǒng)架構設計

整體系統(tǒng)架構設計如圖1所示，選用計算機作為主控中心，根據(jù)倉庫的面積大小，選擇合適的工業(yè)相機數(shù)量，并給每個相機編號，多個工業(yè)相機通過交換器和計算機相連接，計算機采用掃描查詢的方式來讀取工業(yè)相機的輸入信號，并對輸入信號進行分析處理，若所有相機都沒有檢測到煙霧和火焰，則繼讀取輸入信號；若判斷到有相機識別到煙霧和火焰，把識別到煙霧和火焰的相機編號通過以太網(wǎng)發(fā)送給報警系統(tǒng)和移動滅火裝置，觸發(fā)聲光報警系統(tǒng)并通過手機短信通知聯(lián)系人，命令移動滅火裝置執(zhí)行滅火行動，計算機的工作流程如圖2所示。本文所設計的倉庫智能消防滅火系統(tǒng)，需要根據(jù)倉庫的具體情況來布置空間，圖3為空間分布示例，在倉庫角落設置了移動滅火裝置等候區(qū)供滅火裝置充電和待機使用，在貨架周圍布置了磁軌道供移動滅火裝置用于尋跡運動，在倉庫墻壁上選擇適合實際環(huán)境的高度安裝6個工業(yè)相機，相機安裝在兩個貨架中間，有助于移動滅火裝置定位火苗的位置。

圖1 整體系統(tǒng)架構設計圖

圖2 計算機工作流程圖

圖3 空間分布示例圖

3 移動滅火裝置模塊

火災擴展速度快、破壞力極強，倉庫布置了識別火焰和煙霧的機器視覺系統(tǒng)，當機器視覺系統(tǒng)識別到火焰和煙霧時能及時發(fā)出報警信號，通知倉管人員。但是倉庫一旦發(fā)生了火災，人們的救援活動難免會滯后，難以及時滅火，而且火災救援工作的危險性較大[5-7]。如果倉庫里的智能滅火機器人能配合倉庫里機器視覺系統(tǒng)來第一時間展開滅火工作，在火災發(fā)生初期快速將火苗撲滅，加快求援的響應速度，就能減小災情。本文對基于機器視覺的移動滅火裝置模塊進行研究，移動滅火裝置在接收到求救信號時，迅速尋跡到目的地附近，打開二氧化碳滅火器的電磁閥進行滅火。

3.1 移動滅火裝置的設計

移動滅火裝置由動力源單元、控制電路系統(tǒng)、執(zhí)行單元及機械本體組成。機械本體選用耐高溫材料進行設計，起到支撐和保護內(nèi)部的控制電路、執(zhí)行單元和動力源單元的作用。移動滅火裝置需要運輸10kg的二氧化碳滅火器，所以動力源選用規(guī)格為24V20AH的大功率鋰電池。執(zhí)行單元模塊選用直流電機來驅動整個機械本體，選用電磁閥來控制二氧化碳滅火器。

3.2 移動滅火裝置控制電路系統(tǒng)設計

移動滅火裝置的控制電路系統(tǒng)由主控單元、無線充電模塊、無線通信模塊、尋跡運動模塊、射頻讀卡模塊、機器視覺檢測模塊及滅火裝置驅動模塊組成，選用西門子S7-1200PLC作為主控電路的控制元件，主控單元與倉庫里機器視覺檢測系統(tǒng)的電腦主機通過無線通信模塊進行通信，當接收到電腦主機的火災救援信號，移動滅火裝置通過霍爾傳感器尋跡到火災附近，再通過移動滅火裝置上的工業(yè)相機確定火災的確定地點，然后控制電磁閥打開移動滅火裝置上的滅火器將火苗撲滅。本文設計的移動滅火裝置，帶有無線感應充電模塊，移動裝置上的電感與等候區(qū)的電感通過互感實現(xiàn)無線充電，在檢測到自身的電壓過低時，自主啟動充電任務，在等候區(qū)補充電能。見圖4。

圖4 移動滅火裝置電路系統(tǒng)組成框架圖

3.3 移動滅火裝置運動軌跡規(guī)劃

當智能消防系統(tǒng)檢測到火災信號后，移動滅火裝置必須快速準確到達火災發(fā)生的地點，所以自動尋跡到達目的地也是很重要的一個環(huán)節(jié)，本設計在倉庫內(nèi)布置了磁軌道供移動滅火裝置尋跡，并在存在分支的節(jié)點和轉彎處布置了射頻卡供移動滅火裝置定位。圖5為軌道布置示例，A-A'，B-B'，C-C'，D-D'，D-D'，E-E'及F-F'通道的上方各安裝了一個工業(yè)相機，當相應的相機檢測到火災，與工業(yè)相機相連的電腦主機將檢測到火災的相機對應的編號發(fā)送給移動滅火裝置。在接收到火災信號和檢測到火災的相機編號時，移動滅火裝置從等候區(qū)出發(fā)通過霍爾傳感器尋跡到達相應的通道，再利用移動裝置上的相機檢測火災的準確地點，實施滅火行動。在完成任務后，移動滅火裝置返回等候區(qū)充電。

圖5 軌道布置示例

4 結束語

火災是人類的公敵，目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)很多智能火災預警系統(tǒng)，但是火災擴展速度快、破壞力極強，響應速度快的主動滅火裝置更有利于減小災情。傳統(tǒng)的火災檢測傳感器，具有檢測距范圍小、抗干擾能力差的缺點。機器視覺的檢測范圍廣，能實現(xiàn)遠距離檢測，在智能消防領域有著重要的研究價值。目前主動實施滅火行動的產(chǎn)品還不夠成熟，關鍵技術還有待開發(fā)研究，智能消防系統(tǒng)研究應當?shù)玫礁嗟年P注和投入，希望有更多的機構和學者投入到該領域的研究中。