КОМПЛЕКСНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ИЗВЕЩАТЕЛЬ

Заявляемая полезная модель относится к сфере охранной сигнализации, в частности, к области обеспечения пожарной безопасности, а именно к средствам оповещения о возгорании, задымлении различных зданий, сооружений. Устройство может быть использовано как самостоятельно, так и в составе полноценного охранного комплекса. Полезная модель также может быть применена для выполнения ряда вспомогательных функций, таких как обнаружение дыма, технологический контроль над работой оборудования и его целостности, обнаружение движения в контролируемой зоне.
Из всего многообразия средств того же назначения, что и заявляемая полезная модель, известно устройство для обнаружения пожара с визуальным подтверждением, содержащее видеокамеру, пожарный извещатель, видеопроцессор, интерфейс, мультиплексор, блок управления, передатчик сигналов, блок питания и двухпроводную сигнальную линию. Выход видеокамеры соединен со входом видеопроцессора, выход которого соединен с первым входом мультиплексора, выход пожарного извещателя соединен с первым входом блока управления и первым входом интерфейса, выход которого подключен ко второму входу мультиплексора, выход которого соединен со вторым входом передатчика сигналов, вход блока питания подключен к сигнальной линии и выходу передатчика сигналов, выход блока питания подключен к входу пожарного извещателя, первому входу передатчика сигналов, второму входу интерфейса, второму входу блока управления и третьему входу мультиплексора, выход блока управления подключен ко входу видеокамеры и второму входу видеопроцессора (патент РФ на полезную модель №66578).
Известное устройство формирует цифровой видеоснимок с помощью видеокамеры при срабатывании пожарного извещателя, однако непосредственное обнаружение пожара в данном устройстве происходит в результате анализа сигналов, получаемых с инфракрасного (ИК) и ультрафиолетового (УФ) сенсоров, а видеокамера используется для регистрации событий только при срабатывании пожарного извещателя. Таким образом, во-первых, теряются многие полезные функции, присущие видеомониторингу объекта при отсутствии пожара, а во-вторых, неиспользование видеоданных для детектирования пожара снижает помехоустойчивость устройства. Кроме того, данное устройство не обеспечивает контроль чистоты внешнего стекла и подогрева стекла, поэтому не может быть использовано на открытых объектах.
Известно устройство обнаружения пожара по видеоизображению, которое состоит из видеокамеры, блока обработки информации, интерфейса передачи извещений. Принцип действия данного устройства основан на анализе изображений по структурной и частотной составляющим видеопоследовательности, то есть оно фактически является детектором активности с программной поддержкой, позволяющей обнаружить пожар (публикация ВОИС № WO 0167415).
Недостатком известного устройства является использование аналоговой видеокамеры и устройства аналого-цифрового преобразования, что снижает скорость и точность передачи видеоизображения для обработки центральным процессором и, как следствие, дальность и точность обнаружения возгорания.
Известно устройство обнаружения пламени по видеоизображению, которое состоит из видеокамеры, цифрового сигнального процессора и вспомогательных устройств. Принцип работы устройства состоит в выделении на видеоизображении участков, похожих на пламя, и анализ их постоянной и переменной составляющих по специальному алгоритму (патент US №6184792).
Недостатками данного устройства являются низкая помехозащищенность на открытых технологических объектах и возможность ложных срабатываний при модуляции яркости объектов, похожих по цвету на пламя (например, колебания листвы на фоне красно-оранжевых частей строений и т.п.).
Известно устройство для обнаружения пожара, содержащее видеокамеру и блок обнаружения пожара, фильтр искажений и блок распознавания искажений, блок анализа фона и модуль принятия решений, при этом выход видеокамеры подключен к входу фильтра искажений, входу блока распознавания искажений, первому входу блока обнаружения пожара и первому входу модуля принятия решений, выход фильтра искажений подключен ко второму входу блока обнаружения пожара, выход блока распознавания искажений подключен к третьему входу блока обнаружения пожара, выход блока анализа фона подключен к четвертому входу блока обнаружения пожара, первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно к второму, третьему и четвертому входам модуля принятия решений (патент РФ на полезную модель №66580).
В данном устройстве детектирование пламени основано только на анализе видеоизображения, получаемого с камеры видимого диапазона. В этом случае возможен ряд ситуаций, в которых извещатель будет подавать сигналы ложной тревоги, что негативно сказывается на эксплуатационных характеристиках устройства.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является оптический пожарный извещатель, содержащий датчики инфракрасного и ультрафиолетового излучения, выходы которых через схемы согласования соединены с управляющим микропроцессором, видеокамеру, видеопроцессор, оперативную и энергонезависимую видеопамять, при этом выход видеокамеры соединен со входом видеопроцессора, один из входов-выходов видеопроцессора соединен с входом-выходом энергонезависимой видеопамяти, другой вход-выход соединен с входом-выходом оперативной видеопамяти, а третий вход-выход соединен с входом-выходом управляющего микропроцессора (патент РФ на полезную модель №52227).
Видеокамера в известном устройстве предназначена для регистрации событий, при этом информация с камеры никаким образом не обрабатывается и не анализируется. Поэтому при эксплуатации данного устройства детектирование огня происходит на основе анализа по ИК и УФ каналам одновременно без применения видеокамеры. Вопреки декларируемому, использование данного устройства на открытых объектах представляется затруднительным ввиду отсутствия в конструкции устройства блоков контроля чистоты внешнего стекла и обогрева стекла.
Задачей заявляемого технического решения является создание устройства, обеспечивающего комплексное обслуживание открытого/закрытого объекта в плане организации пожарной охраны, а именно обеспечивающего контроль за возможными возгораниями, детектирование дыма, движения, осуществление технологического контроля.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой полезной модели, заключается в повышении точности обнаружения возгорания, дальности срабатывания. Также технический результат заключается в обеспечении возможности локализации нескольких очагов пламени, локализации очага возгорания в пространстве, обеспечении возможности обнаружения задымления.
Заявляемое устройство, кроме того, обладает следующими преимуществами:
- высокая помехозащищенность и устойчивость к ложным срабатываниям;
- возможность использования детектора (извещателя) в охранной системе видеонаблюдения, ВК СОТ (Видеокамера Системы Охранного Телевидения);
- возможность технологического контроля работоспособности и целостности оборудования.
- возможность использования детектора в ночном режиме.
Поставленная задача решается тем, что у комплексного оптического извещателя, содержащего микроконтроллер, соединенный с его входом фоточувствительный канал, видеокамеру, блоки оперативной и энергонезависимой памяти, и центральный процессор, соединенный с блоками передачи выходных данных, блоки оперативной и энергонезависимой памяти, видеокамера и микроконтроллер подключены к центральному процессору с возможностью одновременной обработки центральным процессором сигнала с фоточувствительного канала и сигнала с видеокамеры, при этом извещатель снабжен блоком ИК-подсветки, соединенным с выходом центрального процессора, датчиком загрязнения стекла, а также блоком обогрева стекла, выходы которых подключены к входам микроконтроллера. В качестве фоточувствительного канала может быть использован датчик инфракрасного и/или ультрафиолетового излучения. Дополнительно устройство может быть оснащено блоком управления оптикой и блоком управления поворотной платформой извещателя, подключенными к центральному процессору.
Полезная модель поясняется следующими изображениями, где на
Фиг.1 приведена блок-схема аппаратной части заявляемого устройства, а на
Фиг.2 приведена блок-схема программной части устройства.
Позициями на блок-схемах обозначены:
1 - Видеокамера
2 - Блок инфракрасной (ИК) - подсветки
3 - Фоточувствительный канал
4 - Датчик загрязнения стекла
5 - Датчик температуры
6 - Блок обогрева стекла
7 - Микроконтроллер
8 - Центральный процессор
9 - Оперативная память
10 - Энергонезависимая память
11 - LAN - интерфейс
12 - RS-485 - интерфейс
13 - Сухой контакт
14 - Блок управления оптикой
15 - Блок управления поворотной платформой
16 - Видеоданные
17 - Данные с ИК/УФ сенсора
18 - Данные с датчика загрязнения стекла
19 - Данные с датчика температуры
20 - Блок управления оптикой
21 - Блок управления поворотной платформой
22 - Блок детектирования пламени
23 - Блок детектирования дыма
24 - Блок детектирования движения
25 - Блок технологического контроля
26 - Блок частотного анализа сигнала ИК/УФ сенсора
27 - Блок анализа чистоты стекла
28 - Блок обработки температурных данных
29 - Блок принятия решения
30 - Модуль цветной проверки
31 - Модуль определения движущихся объектов
32 - Модуль частотно-временной проверки
33 - Модуль анализа данных нейронной сетью
34 - Модуль разделения на зоны
35 - Модуль пространственно-частотной фильтрации
36 - Модуль выделения переднего плана и неподвижного фона
37 - Модуль проверки по насыщенности
38 - Модуль пространственно-частотной фильтрации
39 - Модуль частотно-временного анализа
40 - Модуль выделения переднего плана и неподвижного фона
41 - Модуль трекинга движущихся объектов
42 - Модуль детектирования интересующего объекта
43 - Модуль мониторинга состояния объекта (считывание показаний приборов)
Заявляемое устройство содержит видеокамеру 1, выход которой подключен к входу центрального процессора 8, управляемый центральным процессором, фоточувствительный канал 3, датчик загрязнения стекла 4, датчик температуры 5, выходы которых подключены к входам блока микроконтроллера 7, при этом микроконтроллер 7 подключен к одному из входов центрального процессора 8. Входы блока обогрева стекла 6, блока ИК-подсветки 2 и сухого контакта 13 подключены к выходам центрального процессора 8. Центральный процессор 8 также соединен линиями ввода-вывода с блоками оперативной памяти 9, энергонезависимой памяти 10, LAN-интерфейса 11, RS-485-интерфейса 12, блоком управления оптикой 14 и блоком управления поворотной платформой 15. Питание извещателя организовано от внешнего источника.
Видеокамера 1 предназначена для регистрации и преобразования видеоизображения в цифровой сигнал и выполнена на основе ПЗС матрицы. В качестве такой видеокамеры может быть использована, например, модель Aptina MT9D131 с разрешением 1600×1200 пикселов.
Блок ИК-подсветки 2 управляется центральным процессором 8. ИК-подсветка необходима для освещения зоны видимости камеры в темное время суток и не оказывает влияние на работоспособность пожарного ИК-сенсора, т.к. диапазон ее излучения находится вне зоны чувствительности ИК-сенсора.
Фоточувствительный канал 3 представляет собой чувствительный ИК-элемент либо УФ-датчик либо комбинированный ИК-УФ-датчик (в зависимости от варианта исполнения устройства) и предназначен для подтверждения обнаружения пламени.
Датчик загрязнения стекла 4 выполнен в виде оптической схемы, позволяющей контролировать чистоту внешних стекол описываемого устройства.
Датчик температуры 5 передает в микроконтроллер температурные данные необходимые для алгоритма включения/выключения модуля обогрева стекла.
Блок обогрева стекла 6 включает в себя нагревательные элементы. Этот блок обеспечивает включение обогрева внешних стекол устройства при их обледенении или запотевании, в соответствии с логикой алгоритма центрального процессора 8.
Блок микроконтроллера 7 является аппаратно-программным устройством, предназначенным для преобразования аналоговых сигналов, поступающих с канала 3, датчика загрязнения стекла 4 и датчика температуры 5 в цифровые сигналы с их последующей обработкой. Микроконтроллер 7 формирует сигнал о возгорании на основе данных, поступающих с канала 3, сигнал о загрязнении внешних стекол датчика, а также сигнал с температурного датчика 5 и передает эти сигналы в центральный процессор 8. Таким образом, в блоке 7 содержатся программные блоки частотного анализа сигнала 26, анализа чистоты стекла 27 и обработки температурных данных 28.
Центральный процессор 8 одновременно обрабатывает поступающие на него данные с видеокамеры 1 и микроконтроллера 7, и с помощью алгоритма принимает решение о состоянии всего устройства и формирует соответствующие сигналы, передаваемые через интерфейсы 11 и/или 12. Также с помощью анализа данных, получаемых от видеокамеры и температурного датчика, центральный процессор формирует сигналы включения/выключения ИК-подсветки и обогрева стекла соответственно. В случае обнаружения возгорания также подается команда на замыкание сухого контакта 13. Кроме того, в соответствии с логикой алгоритма, центральный процессор управляет режимами работы оптики 14 и поворотной платформы 15. В центральном процессоре 8 аппаратно реализованы блоки детектирования 22, 23, 24, 25, а также блок принятия решений 29.
Оперативная память 9 является энергозависимой частью системы описываемого устройства, в которой временно хранятся данные и команды, необходимые центральному процессору 8 для выполнения им операций.
Энергонезависимая память 10 представляет собой запоминающее устройство на основе электрически перепрограммируемой памяти (EEPROM), в котором архивируются видеоданные, получаемые непосредственно до и во время сигналов тревоги и предупреждения.
LAN-интерфейс 11 содержит стандартный модуль преобразования сигналов к пакетной форме передачи данных по сетевому протоколу Modbus TCP.
RS-485-интерфейс 12 содержит стандартный модуль преобразования сигналов к пакетной форме передачи данных по протоколу Modbus RTU.
Сухой контакт 13 используется для замыкания внешних сильноточных цепей системы пожаротушения при обнаружении датчиком пожара.
Блок управления оптикой 14 содержит приводы трансфокатора и фокусировки объектива видеокамеры, а также управляющий контроллер, принимающий управляющие сигналы от центрального процессора 8. Блок 14 предназначен для управления углом обзора устройства и фокусировкой видеокамеры.
Блок управления поворотной платформой 15 позволяет ориентировать датчик в пространстве в соответствии с командами центрального процессора 8, либо командами оператора. Блок 14 содержит поворотный электропривод и управляющий контроллер, принимающий управляющие сигналы от центрального процессора 8.
Блоки 14 и 15 содержат программные блоки управления оптикой 20 и управления поворотной платформой 21 соответственно.
Устройство работает следующим образом. Основной принцип его действия заключается в анализе видеоданных, получаемых с камеры 1 и соотнесения их с данными фоточувствительного канала.
Видеокамера 1 регистрирует входящий сигнал, который после преобразования в цифровую форму подвергается параллельному анализу в каждом из блоков детектирования (блок детектирования пламени 22, блок детектирования дыма 23, блок детектирования движения 24, блок технологического контроля 25.
Видеоданные 16 в виде цифрового сигнала поступают с блока видеокамеры 1 к центральному процессору 8. Данные 17, 18 и 19 поступают с аппаратных блоков 3, 4 и 5 соответственно к микроконтроллеру 7.
В блоке детектирования пламени 22 видеосигнал подвергается последовательной обработке в следующих программных модулях:
30 Модуль цветной проверки. В данном модуле сигнал анализируется на наличие областей с цветом близким к цвету пламени. Также данный модуль обрабатывает данные на предмет световой интенсивности изображения и формирует сигнал о дневном или ночном режимах работы камеры.
31 Модуль определения движущихся объектов. Данный модуль служит для определения нестационарных объектов.
32 Модуль частотно-временной проверки. В модуле происходит анализ динамики выбранных областей изображения.
33 Модуль анализа данных нейронной сетью. Нейронная сеть обеспечивает распознавания характерных особенностей пламени в поступающем сигнале.
34 Модуль разделения на зоны. Предназначен для локализации одной либо нескольких независимых областей воспламенения.
35 Модуль пространственно-частотной фильтрации. Проводит пространственно-частотный анализ выбранных зон.
В блоке детектирования дыма 23 данные проходят последовательную обработку в следующих модулях:
36 Модуль выделения переднего плана и неподвижного фона. Модуль собирает статистику неподвижных областей изображения и позволяет разделить фон и подвижные объекты.
37 Модуль проверки по насыщенности. Отслеживает изменение цветовой насыщенности неподвижных объектов, что необходимо для детектирования начальных стадий задымления.
38 Модуль пространственно-частотной фильтрации. Исследует текстуру объекта, выявляя характерные для дыма признаки.
39 Модуль частотно-временного анализа. Исследует динамику выбранных областей изображения.
В блоке детектирования движения 24 сигнал последовательно анализируется в модулях:
40 Модуль выделения переднего плана и неподвижного фона. Модуль собирает статистику неподвижных областей изображения и позволяет разделить фон и подвижные объекты.
41 Модуль трекинга движущихся объектов. Выделяет отдельные движущиеся объекты и отслеживает направление и траекторию их движения.
В блоке технологического контроля 25 сигнал последовательно обрабатывается в следующих модулях:
42 Модуль детектирования интересующего объекта. По известному образцу находится интересующий объект на видеоизображении.
43 Модуль мониторинга состояния объекта (считывание показаний приборов). Производит наблюдение за состоянием объекта на предмет целостности или смещения либо в зависимости от задачи производит считывание показаний прибора, если измерительное устройство является целью наблюдения.
Сигналы с каждого из блоков детектирования 22, 23, 24, 25 поступают в блок принятия решения 29.
Блок частотного анализа сигнала ИК/УФ-чувствительного элемента 26 производит обработку аналогового сигнала поступающего с ИК/УФ-сенсора для дальнейшей передачи данных о состоянии канала в блок принятия решения 29.
Блок анализа чистоты стекла 27. Обрабатывает данные с оптического детектора и посылает сигнал в блок принятия решения 29.
Блок обработки температурных данных 28. Производит обработку аналогового сигнала, поступающего с датчика температуры для дальнейшей передачи данных в блок принятия решения 29.
В блоке принятия решения 29 происходит сбор и обработка данных с остальных блоков. Принятие решения о наличии или отсутствии пламени в области видимости устройства происходит исходя из сигналов одновременно с блока детектирования пламени 22 и блока частотного анализа сигнала ИК/УФ-чувствительного элемента 26. В случае обнаружения блоком 26 пламени, а блоком 22 подозрения на возгорание, блок принятия решения, посредством связи с блоком управления оптикой 20 и блоком управления поворотной платформой 21, посылает последним данные локализации подозрительного видеообъекта для более точной настройки оптики и положения видеокамеры в пространстве.
Имеется возможность обработки блоком 29 входных данных от устройств АСУ, содержащих информацию о разбиении области видимости датчика на контрольные зоны, при обнаружении огня в которых, не будет происходить срабатывание датчика и посылаться внешний сигнал тревоги. С помощью программы управления датчиком выделяют участки видеоизображения, в которых допускается присутствие одного из факторов, за которыми следит датчик (пламени, дыма, интенсивного движения). В таком случае при обнаружении одного или нескольких контролируемых факторов в «разрешенной» зоне датчик будет отсылать на пульт оператора только предупреждение, а сигнал тревоги включаться не будет. Это может быть использовано при проведении ремонтных работ в зоне обзора датчика или при постоянном присутствии в поле зрения датчика очага пламени (факел с попутным газом на объекте, например).
Таким образом, в результате одновременной обработки блоком принятия решения сигналов с блока детектирования пламени и блока частотного анализа происходит детектирование возгорания. В случае, если оба этих блока подтверждают возгорание, блок принятия решения формирует сигнал о пожаре и передает его на пульт оператора посредством аппаратных блоков 11, 12, 13. При этом одна или несколько областей изображения, содержащих пламя, выделяются графически посредством программного блока 34. Если возгорание обнаружено только блоком частотного анализа, а блок детектирования пламени не подтверждает возгорание, но при этом на видеоизображении программным модулем цветовой проверки 30 обнаружены области, близкие по цвету к пламени, то блок принятия решения посылает команды поворота платформы и увеличения изображения блокам 14 и 15 таким образом, чтобы приблизить «подозрительные» области. Если после этого блок детектирования пламени подтверждает возгорание, блок принятия решения также формирует сигнал о пожаре и передает его на пульт оператора, выделяя зоны возгорания графически. Также, в рабочем режиме изображение с видеокамеры постоянно передается блоком 11 на пульт оператора.
В случае обнаружения дыма блоком детектирования 23, соответствующий сигнал передается в блок принятия решения, который формирует сигнал «Дым» и передает его на пульт оператора через аппаратные блоки 11 и 12. При этом на видеоизображении, передающемся с видеокамеры 1 на пульт оператора, графически выделяется область задымления.
В случае обнаружения движения блоком детектирования 24 соответствующий сигнал передается в блок принятия решения. Если величина движущихся объектов и/или скорость их движения превышает заданный оператором порог, блок принятия решения передает на пульт оператора сигнал «Движение» через аппаратные блоки 11 и 12. При этом на видеоизображении графически выделяются движущиеся объекты.
Заявляемое устройство объединяет в себе несколько решений, характерных для систем безопасности на промышленных объектах, оно может заменить собой ряд традиционных устройств, таких как видеокамеры наблюдения, дымовые и пожарные датчики, датчики движения и некоторые устройства технологического контроля.