基于树莓派的智能火灾管理

基于树莓派的智能火灾管理系统采用基于传感器的自动喷水灭火系统

摘要

智能火灾管理需要强大的监控系统，以自动检测和控制火灾及其诱因。本所提出的系统通过采用基于树莓派的火灾探测系统和火灾控制系统实现了这一需求。火灾探测系统包含火焰探测器和温度传感器，可降低误报率。系统还会通过电子邮件向用户发送火灾影响区域的视频，并定时更新室内温度信息。系统还配备了气体泄漏传感器，用于检测乙烷、甲烷、液化石油气等各类气体。所提出的火灾控制系统在检测到火灾或气体泄漏时可执行多项操作，包括关闭主电源、启动排气扇，以及最终启动洒水器灭火。系统中安装了喷淋装置，当火灾传感器检测到火情时将自动激活。如果温度超过设定的阈值温度，系统还将向消防队发送邮件并附上视频，同时通知用户手动联系消防队。该系统可安装于最大面积为126英尺×21英尺的大厅内，仅需使用一个树莓派模块。

关键词 —自动阀, 摄像头模块, 排气扇, 气体泄漏检测器, 红外火焰传感器, 树莓派, 温度传感器, 洒水器

一、引言

火灾探测系统被认为是最重要的关键监控系统之一。因此，火灾探测系统需要具备更高的准确性以及更智能的火灾探测方式[1]。自动火灾报警系统、固定灭火系统、排烟控制系统、应急照明和疏散指示系统等火灾控制设施已被广泛采用，并在提升火灾防控能力方面发挥着重要作用[2]。火灾报警系统是一种实时监控系统，能够在发生火灾时检测空气中是否存在烟雾，并通过安装在室内的摄像头捕捉图像。当检测到火灾时，该系统能够远程发送警报。开发此火灾报警系统所使用的嵌入式系统为树莓派和Arduino Uno[3]。许多应用涉及检测火焰、火灾和爆炸，这些现象产生的辐射范围从紫外线到红外辐射[4]。空气通风系统能够抽真空房间内的氧气（O2）和其他可燃气体，这是防止火势蔓延的主要因素[5]。自动喷淋系统的自启动取决于初期火灾的多种特性。它能有效地向燃烧区域喷水，从而控制火势蔓延并扑灭火灾。传统的自动洒水器采用玻璃球喷头[6]。这些喷淋装置只能使用一次，之后必须更换。此外，当火焰到达安装在天花板上的喷淋装置表面时才会被激活。这可能需要较长时间，容易导致火势扩散，造成更大的财产损失。

论文的第二节描述了所提出的火灾管理系统的设计。第三节阐述了所提出系统的工作和运行，接着在第四节中介绍了实现和流程图。第五节讨论了所提出工作的结论。

II. 所提出的系统的描述

所提出的火灾管理系统的原型已在图1中展示，该系统由多个模块组成——树莓派、摄像头模块、电源（+5 V和+12V）。下文将详细讨论所提出的系统中采用的各个模块。

A. 逆变器系统

所提出的火灾管理系统基于在线逆变器（在线不间断电源）运行，以确保火灾管理系统在任何时候都能获得不间断电源供应，保障其正常运行。所提出的火灾管理系统在检测到火灾时，通过关闭电源，切断大厅或建筑物的电源供应。

B. 电源

在所提出的系统中，采用+5V和+24V的电源分别为传感器和自动阀门供电。驱动传感器需要+5V电源，驱动自动电磁阀需要+24V电源。

C. 树莓派

树莓派3是一款信用卡大小的单板计算机。在所提出的系统中，它通过GPIO引脚控制各种传感器，并且还连接了摄像头模块。图2(a)展示了树莓派3和摄像头模块。

D. 红外火焰传感器，气体泄漏检测器/温度传感器

所提出的系统中采用了红外火焰传感器来检测火焰辐射出的红外线。使用了两个DHT11温度传感器和一个气体泄漏检测器MQ‐5来测量房间/大厅的温度并检测气体泄漏。所提出的系统中使用的传感器如图2(b)所示。

带摄像头模块的树莓派，(b) 气体传感器、火焰传感器、温度传感器)

E. 自动电磁阀和洒水器

所提出的系统中采用了自动电磁阀来控制通过水管的供水。洒水装置已安装在所提出的系统中。电磁阀的开启和关闭用于控制每个区域中每根管道的水流。图3展示了所提出的系统中采用的喷淋装置。

F. 自动燃气阀和排气扇

自动电磁阀通过继电器连接到树莓派，以便在检测到气体泄漏时切断气源供应。两个排气扇用于大厅的通风。

G. 基于传感器的水喷淋系统安装

所提出的洒水器系统包含六个红外传感器和两条装有洒水装置的水管。这些管道集成了自动电磁阀，通过继电器并联连接至树莓派的一个GPIO引脚。六个传感器的输出端也以并联方式连接，并将输出信号接入树莓派的唯一一个GPIO引脚。当火焰传感器被激活时，使用1kȍ的限流电阻来限制流经GPIO引脚的电流。因此，每个区域使用了两个GPIO引脚。因此，通过使用一个树莓派的18个GPIO引脚，可以实现并安装九个这样的区域。所提出的系统在大厅中的洒水装置布局如图4（顶视图）和图5（侧视图）所示。

三. 所提系统的框图与操作

在所提出的火灾管理系统中，采用在线逆变系统作为电源供应。树莓派是所提出系统的核心，用于通过红外火焰传感器和数字温度传感器DHT11分别检测火焰和气体泄漏，同时使用气体泄漏检测器MQ‐5进行气体泄漏检测。MQ‐5适用于检测液化石油气、天然气、乙烷和甲烷，且对酒精、油烟和香烟烟雾的敏感度较低，从而降低了系统的误报火警检测概率。摄像头模块与树莓派连接，用于录制火灾影响区域的视频，并在火焰传感器被触发时通过电子邮件发送给用户。所提出系统的框图如图6所示。

红外传感器、温度传感器、气体泄漏检测器和继电器由树莓派通过GPIO引脚进行控制。继电器的开关状态根据传感器输出信号的响应而变化，该信号被输入到树莓派。这些继电器充当+12V电源与阀门之间的开关，从而切断燃气供应和供水来源。所提出的基于传感器的洒水器该系统包含一个阀门，用于控制安装在每个区域的管道的开启。该电磁阀仅在红外火焰传感器检测到火焰时才会被激活。当检测到火焰时，红外火焰传感器会向控制器发送高电平输出信号。控制器将温度传感器测得的温度值与设定的阈值进行比较。如果温度值超过303华氏度（30摄氏度），树莓派将执行火灾控制操作，包括通过洒水器喷水灭火。所提出的火灾管理系统执行的不同操作如下表I所示。

Sr. No.	Case	排气 fan	水洒水器	电源供应	发送电子邮件消息
1	气体泄漏检测器激活	ON	OFF	ON	气体已被检测到
1	气体泄漏检测器激活	使用切断气源自动阀	使用切断气源自动阀	使用切断气源自动阀	气体已被检测到
2	红外传感器激活	读取温度值	读取温度值	读取温度值	读取温度值
2	温度值	x	x	x	x
2	25°C–30°C	OFF	OFF	OFF	误检
2	30°C–35°C	OFF	OFF	OFF	误检
2	36°C–40°C	ON	ON	ON	1. 火焰已经被检测到 2. 发送受影响区域的视频
2	41°C–45°C	ON	ON	ON	1. 火焰已经被检测到 2. 发送受影响区域的视频
2	T > 49°C 即系统正在无法控制情况	ON	ON	ON	发送电子邮件给消防队并通知用户拨打消防队
2	注：温度值可根据区域的环境条件进行选择。	注：温度值可根据区域的环境条件进行选择。	注：温度值可根据区域的环境条件进行选择。	注：温度值可根据区域的环境条件进行选择。	注：温度值可根据区域的环境条件进行选择。

IV. 所提出的火灾管理系统实施与流程图

所提出的火灾管理系统的流程图如图7所示。在所提出的火灾管理系统中，控制器Raspberry Pi 3持续监控红外火焰传感器和气体泄漏检测器的状态。每个区域的房间相对的墙壁上安装有一组六个火焰传感器，以覆盖180°的检测角度，其中每个传感器覆盖60°角度，在最大14英尺的组合检测范围内探测火焰，如图4所示。

火焰传感器的检测范围取决于火焰强度。当火焰传感器检测到火焰时，树莓派会测量温度值并与阈值进行比较。如果测得的温度值低于35°C，则不采取任何操作。如果温度高于35°C，树莓派将关闭电源，并通过自动电磁阀启动洒水器。同时，它还会启动摄像头模块系统，每2分钟录制一次持续10秒的视频并发送视频邮件，直到火被扑灭，并向用户发送受影响区域的视频邮件以发出警报，如图8和图9所示。如果所提出的系统判断其无法控制火灾，且温度值持续上升并超过49°C，则树莓派会通过邮件将火灾影响区域的地址发送给消防队，并通知用户立即拨打消防队电话。树莓派还会监控气体泄漏检测器的状态。如果气体泄漏检测器向树莓派3发送高电平信号，系统将开启排气扇，并向用户发送有关气体泄漏的电子邮件。所提出系统的原型实际实现如图10所示。

V. 结论

本文提出了一种基于树莓派的智能火灾管理系统，用于火灾探测与控制。所提出的火灾管理系统由于采用了红外火焰传感器和温度传感器，能够早期检测火灾及其诱因，并具有较低的误报火灾率。所提出的系统中采用的基于传感器的喷水灭火装置相较于传统喷淋系统更加高效。传统喷淋系统使用玻璃泡，当接触到火焰时会爆裂，因此只能使用一次，每次使用后都需要更换。其次，传统洒水器的响应时间相较于所提出系统中采用的基于传感器的喷淋装置更长。此外，该系统采用了多种技术来通知用户和消防队有关火灾影响区域的信息。