2024年4月4日发(作者：)

第３８卷　第５期

２０１８年０９月

西安科技大学学报

Ｖｏｌ．３８　Ｎｏ５

Ｓｅｐ２０１８

ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＸＩ’ＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

　　　　ＤＯＩ：１０．１３８００／ｊ．ｃｎｋｉ．ｘａｋｊｄｘｘｂ．２０１８．０５１６文章编号：１６７２－９３１５（２０１８）０５－０８１８－０６

基于ＦＰＧＡ的智能火灾报警与自动灭火系统

韩晓冰，刘小斌

（西安科技大学通信与信息工程学院，陕西西安７１００５４）

摘　要：针对传统火灾探测技术在复杂环境下难以实现自动灭火和智能报警，提出了一种基于

ＦＰＧＡ的实时智能火灾报警与自动灭火系统。该系统通过ＦＰＧＡ将图像采集、火焰检测、视频显

示、无线传输报警和智能水炮灭火等集合到一个体积较小、方便使用的硬件系统。首先将ＴＲＤＢ

然后经ＦＰＧＡ算法映射对火焰信息检测和定－Ｄ５Ｍ摄像头采集的视频图像进行色彩空间转换，

位后，串口控制舵机云台消防水泡灭火和外扩接口ＧＰＩＯ实现Ｚｉｇｂｅｅ组网无线网络报警及ＧＳＭ

短信通知。实验结果表明：该系统能实时、稳定的监控仓库状况，一旦发现火苗信息会迅速采取

灭火措施，同时报警提示，取得了良好的效果。

关键词：ＦＰＧＡ；视频图像；火焰检测；实时在线；自动灭火

中图分类号：ＴＰ２７３＋．３　　　文献标志码：Ａ

l Rights Reserved.

Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｆｉｒｅａｌａｒｍａｎｄａｕｔｏｍａｔｉｃｆｉｒｅ

ｅｘｔｉｎｇｕｉｓｈｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＦＰＧＡ

ＨＡＮＸｉａｏｂｉｎｇ，ＬＩＵＸｉａｏｂｉｎ

（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００５４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｒｅａｌｔｉｍｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｆｉｒｅａｌａｒｍａｎｄｆｉｒｅｅｘｔｉｎｇｕｉｓｈｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＦＰＧＡｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，

ｉｎｌｉｇｈｔｏｆｔｈａｔｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｆｉｒｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃａｎｎｏｔｒｅａｌｉｚｅａｕｔｏｍａｔｉｃｆｉｒｅｅｘｔｉｎｇｕｉｓｈｉｎｇａｎｄｉｎ

ｔｅｌｌｉｇｅｎｔａｌａｒｍｉｎｃｏｍｐｌｅｘｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．ＴｈｒｏｕｇｈＦＰＧＡｔｈｅｉｍａｇｅｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｆｌａｍｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｖｉｄｅｏ

ｓｈｏｗｓ，ｗｉｒｅｌｅｓｓｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｌａｒｍａｎｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｗａｔｅｒｃａｎｎｏｎｆｉｒｅｅｘｔｉｎｇｕｉｓｈｉｎｇａｒｅａｓｓｅｍｂｌｅｄｉｎｔｏａ

ｓｍａｌｌ，ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｈａｒｄｗａｒｅｓｙｓｔｅｍ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｖｉｄｅｏｉｍａｇｅｓｃｏｌｌｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅＴＲＤＢＤ５Ｍｃａｍｅｒａａｒｅ

ｃｏｎｖｅｒｔｅｄｉｎｔｏｃｏｌｏｒｓｐａｃｅ．Ｔｈｅｎ，ａｆｔｅｒｄｅｔｅｃｔｉｎｇａｎｄｌｏｃａｔｉｎｇｔｈｅｆｌａｍｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｂｙＦＰＧＡａｌｇｏｒｉｔｈｍ

ｍａｐｐｉｎｇ，ｔｈｅｓｅｒｉａｌｐｏｒｔｃｏｎｔｒｏｌｓｔｈｅｆｉｒｅｂｌｉｓｔｅｒｉｎｇａｎｄｅｘｐａｎｄｉｎｇｉｎｔｅｒｆａｃｅＧＰＩＯｏｆｔｈｅｓｔｅｅｒｉｎｇｇｅａｒｔｏ

ｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｗｉｒｅｌｅｓｓｎｅｔｗｏｒｋａｌａｒｍａｎｄＧＳＭｓｈｏｒｔｍｅｓｓａｇｅｎｏｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＺｉｇｂｅｅｎｅｔｗｏｒｋ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉ

ｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃａｎｂｅｕｓｅｄｉｎｒｅａｌｔｉｍｅａｎｄｓｔａｂｌｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｗａｒｅｈｏｕｓｅｃｏｎｄｉ

ｔｉｏｎ．Ｏｎｃｅｆｉｎｄｓｔｈｅｆｉｒｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｔｗｉｌｌｔａｋｅｔｈｅｆｉｒｅｅｘｔｉｎｇｕｉｓｈｉｎｇｍｅａｓｕｒｅｑｕｉｃｋｌｙ，ａｎｄａｔｔｈｅｓａｍｅ

，ｏｂｔａｉｎｉｎｇｔｈｅｇｏｏｄｅｆｆｅｃｔ．ｔｉｍｅｔｈｅａｌａｒｍａｃｔｉｖａｔｅｓ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦＰＧＡ；ｖｉｄｅｏｉｍａｇｅ；ｆｌａｍｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｒｅａｌｔｉｍｅｏｎｌｉｎｅ；ａｕｔｏｍａｔｉｃｆｉｒｅｅｘｔｉｎｇｕｉｓｈｉｎｇ

收稿日期：２０１８－０３－１０　　　责任编辑：高　佳

基金项目：西安市科技计划资助项目（ＣＸＹ１４３６（３））

通信作者：韩晓冰（１９６８－），男，陕西西安人，教授，Ｅｍａｉｌ：３７４６０４９７３＠ｑｑ．ｃｏｍ

　　　　　　

第５期韩晓冰等：基于ＦＰＧＡ的智能火灾报警与自动灭火系统

８１９

０　引　言

目前，大部分物流仓库场所都是利用火焰的

温度、烟雾和光的特性对火灾进行探测，预防火灾

的发生。但物流仓库空间大、环境复杂，仅利用感

烟、感温、感光等传感器进行探测的效果极不理

想。只有当火灾发生到一定程度的时候才会做出

响应且由人为手动操作灭火处理。但这种方式存

在严重的安全隐患，况且如今室内用的火灾报警

系统多数都是采用有线传感器网络。这种方案不

仅布线繁琐、扩展不便，而且有线线路很容易被各

种物质腐蚀、破坏。特别是检测到火苗后采取的

灭火措施远远达不到智能自动化的程度，都是在

人工获取到火灾的报警信息后才能实施各种灭火

措施，无法实时高效的防患于未然。

因此，为了充分利用视频图像信息的丰富性

和直观性，文中设计了一种视频图像实时在线检

测火焰信息与灭火系统。采用视频图像识别火焰

技术具有如下优势：即使在大范围、高湿度、多粉

尘的室内，都可以良好、稳定地应用。工作人员上

班时可以实时在线的对仓库进行监控，及时了解

仓库的信息。下班后也可以通过ＧＳＭ短信消息及

时了解有无火灾情况。摄像头一旦检测到火焰

时，水炮会立即根据视频图像检测到火焰发生的

位置，快速做出灭火处理措施，并且将火灾信息及

时地发送到工作人员的手机中。从而实现了即便

在各种不同恶劣环境下，也可以准确地检测火灾

信息，高效地处理火灾情况。该设计极大的减轻

了工作人员的工作量，同时也降低了各物流厂商

的成本，很好地解决了仓库全天候的火灾预防问

题。

１　系统整体设计结构框图

该设计采用软硬结合的方式构成一个完整的

系统。用硬件方法完成具体器件的功能配置、数

据采集和初期简单的数据处理；用软件方法完成

火焰检测的算法设计，从而实现软硬件协同工作。

当然，其最突出的优势是通过摄像头采集，火焰检

测及识别，ＶＧＡ实时视频显示和舵机云台控制的

消防设备等多个模块集合到一个体积较小的硬件

系统中，使得系统更加小型化、便利化。如图１所

示，该系统由基于Ａｌｔｅｒａ公司的ＣｙｃｌｏｎｅＩＶ系列

ＦＰＧＡ芯片ＥＰ４ＣＥ１１５Ｆ２９Ｃ７单元，视频图像采集

模块，基于舵机云台的灭火模块，Ｚｉｇｂｅｅ终端与协

调器模块，ＧＳＭ和ＰＣ机模块等组成。其中ＦＰＧＡ

控制板主要完成硬件的控制以及智能火焰检测识

别算法的硬件映射。ＴＲＤＢＤ５Ｍ摄像头作为视频

采集元件，将采集到的图像数据处理后帧缓冲于

ＤＤＲ中，经ＶＧＡ接口将视频传送至显示器显示。

利用Ａｒｄｕｉｎｏ开发板可以随意旋转舵机云台控制

灭火设备随时对准火苗，并且Ｚｉｇｂｅｅ可以及时的

将火灾信息发送到ＰＣ机监控中心，同时ＧＳＭ模

块也会及时地将发生火灾的消息通过短信的方式

告知工作人员。这样不仅可以及时地让工作人员

了解到有无火灾的信息，也可以通过灭火设备迅

速对火苗进行灭火处理，检测响应速率可以达到

ＭＳ级别。

!"#$

5

>?014*

*+,-.,/#

=<

01(23

@AB

'()

$%!&

:;<

67

C

012344

012344

%)

1

./

+,-

'(

)*

!"#

89-

,,+

67-

5!&

%&

图１　系统的整体结构

Ｆｉｇ．１　Ｏｖｅｒａｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ

１．１　ＦＰＧＡ顶层设计视频图像采集

如图２所示，其中基于ＦＰＧＡ的视频图像采集

处理的顶层模块包括：ＴＲＤＢＤ５Ｍ数字摄像头初

始化模块、视频图像采集模块、视频图像数据格式

转换模块、多端口ＤＤＲ控制器模块、ＶＧＡ接口控

制模块、智能火焰检测及定位进而自动灭火模

块等。

6/

9:%&

78./4

5%&

./01

23%&

'(

,-%&

)*+

C'%&

@AB