Файл: В этой статье представлены проектирование и разработка много сенсорной системы обнаружения пожара на основе нечеткой логики и системы оповещения через Интернет.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 18.03.2024
Просмотров: 9
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
| | Интенсивность пламени | |||
| Температура окружающей среды | | Далеко | Недалеко | Рядом |
| Холодный | Потенциальный пожар | Потенциальный пожар | Пожар | |
| Обычный | Потенциальный пожар | Пожар | Пожар | |
| Горячий | Пожар | Пожар | Пожар | |
В зависимости от выходных данных системы о пожаре либо отправляется сетевая система оповещения и владельцу(ам) дома, либо не предпринимается никаких действий. Для установления канала связи между системой пожарной сигнализации и веб-системой оповещения использовалось SMS через сеть GSM. В большинстве развивающихся стран покрытие сети передачи данных, обеспечиваемое большинством операторов мобильной связи, ограничено городскими районами. Это делает SMS лучшим выбором. На рис. 7 показана система обзора, показывающая поток информации.
Рис. 7. Архитектура системы мультисенсорной системы обнаружения и оповещения о пожаре
Устройство состоит из комплекта пожарных датчиков, микроконтроллера и модуля GSM. Эти две подсистемы связаны между собой с помощью инфраструктуры GSM через SMS. События пожара, отправленные с устройства через SMS, перенаправляются в приложение через SMS-шлюз. Используя API карт Google, системы оповещения о пожаре предоставляют пожарной команде навигационную информацию по запросу. Неотъемлемой частью системы обнаружения пожара является ее способность уведомлять людей об обнаружении возгорания. Оповещение также осуществляет ретрансляцию событий пожара в пожарно-спасательную службу и владельца строения в режиме реального времени.
A. Системные требования, анализ и спецификации
Система оповещения о пожаре — это веб-приложение, используемое для удаленного мониторинга и управления устройствами обнаружения пожара. Для увеличения времени реагирования пожарно-спасательной службы и владельцев домов оповещения о пожаре в режиме реального времени осуществлялись с помощью SMS. Чтобы устранить проблемы с навигацией, с которыми сталкиваются пожарно-спасательные бригады при достижении места возгорания, модуль fireNav предлагает навигационный интерфейс с картой, чтобы помочь пожарно-спасательной бригаде. Учитывая, что количество спутниковых и аэрофотоснимков, по прогнозам, увеличится в два раза в ближайшем будущем, потенциал этой функции значительно повышается за счет ее способности предоставлять подробную географическую информацию о вспышке пожара с использованием данных устройства оповещения. Для каждого места возгорания система также предоставляет информацию о ближайших пожарных гидрантах. При постоянном использовании генерируется много данных, которые жизненно важны для принятия решений по вопросам пожарной безопасности. Таким образом, система имеет функцию создания отчетов на основе сгенерированных данных.
B. Соображения по дизайну и выбор
Для устройства использовалась плата разработки Arduino из-за ее относительной простоты программирования и пригодности для быстрого прототипирования. Программное обеспечение для обнаружения устройства было запрограммировано с помощью Arduino. Для обеспечения модульности система была разделена на модуль обнаружения (алгоритм нечеткой логики) и модуль связи, взаимодействующий с бортовым модулем GSM. Модуль обнаружения взаимодействует с модулем GSM только при обнаружении тревожного события.
Отличительной чертой системы обнаружения пожара является ее способность мгновенно реагировать на свое состояние. Это необходимо при обнаружении пожара. Сирена, поставляемый с устройством, гарантирует, что события пожара приводят к звуковой обратной связи и дистанционным оповещениям всех, кого это касается. Несмотря на то, что простого оповещения о возгорании было бы достаточно, визуализация очагов возгорания с использованием местоположения устройства и предоставление полезной информации о горящем сооружении дает больше информации. Выбор веб-приложения для выполнения уведомления был обусловлен кроссплатформенным характером веб-приложений, удаленным доступом и возможностью легко расширять веб-приложения с помощью API, что делает их удобными для мобильных устройств.
III. ВНЕДРЕНИЕ СИСТЕМЫ И ТЕСТИРОВАНИЕ
В таблице 4 ниже перечислены аппаратные компоненты, использованные при проектировании и разработке системы.
Таблица 4: Компоненты системы
| Компонент | Описание | Количество |
| Источник питания | Блок питания для системы обнаружения пожара | 1 |
| Ардуино Уно R3 | Плата микроконтроллера | 1 |
| GSM-модуль | Четырехдиапазонный GSM-модуль от Cooking hacks | 1 |
| Датчик пламени | Датчик пламени DFRobot | 1 |
| Датчик дыма MQ2 | Датчик дыма | 1 |
| Датчик температуры | Цифровой датчик температуры TMP102 | 1 |
| Перфорированная доска | печатная плата 10 см х 5 см | 1 |
| Сим-карта | SIM-карта с эфирным временем для отправки SMS-уведомлений | 1 |
| Соединители | Провода для подключения компонентов схемы | 300см |
| Пластиковый корпус | Пластиковый корпус размером 10 см х 6 см. | 1 |
| Внутренняя GSM-антенна | Внутренняя GSM-антенна | 1 |
А. Процесс внедрения системы
В этом разделе описывается реализация различных подсистем. Общий вид системы обнаружения пожара показан на рис. 8. Здесь показаны все датчики, сопряженные с микроконтроллером.
Система нечеткой логики была реализована на макетной плате Arduino с использованием eFLL (Embedded Fuzzy Logic Library). В этой реализации удобно использовать eFLL, поскольку он особенно оптимизирован для ограниченных сред. Система нечеткой логики была впервые разработана и настроена в MATLAB с использованием набора инструментов нечеткой логики.
Рис. 8. Модули реализации подсистемы обнаружения пожара
На рис. 9 показаны контактные соединения между микроконтроллером ATmega328 на плате разработки Arduino и датчиками. Блок-схема, представленная на рис. 10, показывает работу устройства обнаружения пожара.
Рис. 9. Схема подсистемы обнаружения пожара, реализованная в программе имитационного моделирования Proteus
Рис. 10. Блок-схема нечеткой логики обнаружения пожара
При отсутствии пожара процесс перезапускается. Потенциальный пожарный выход приводит только к срабатыванию сирену. При пожаре на выходе активируется сирена и отправляется SMS-оповещение. На рис. 11 показан снимок аппаратной реализации устройства сверху.
Рис. 11. Устройство обнаружения пожара, включающее в себя все разработанные подсистемы
B. Тестирование
Шаги, связанные с тестированием различных подсистем и их компонентов, описаны ниже.
Сеть GSM использовалась для облегчения передачи предупреждений в режиме реального времени. При возникновении пожара с устройства отправляется оповещение в систему оповещения о пожаре, которая должна быть доступна в пожарной части. Система состоит из следующих компонентов:
- Приборная доска
- Интерфейс управления пожарным устройством
- Навигационный интерфейс
- Сводка предупреждений
Компонент приборной панели получает оповещения о пожаре в режиме реального времени и показывает место возгорания с помощью карт Google. Он также позволяет подавать звуковые оповещения о входящем оповещении.
Интерфейс управления пожарными устройствами позволяет системному администратору войти в систему оповещения о пожаре и управлять пожарными устройствами. Обладая правильными привилегиями, пользователь может войти в систему и добавлять, удалять и обновлять информацию об устройствах пожарной сигнализации. Навигационная система призвана решить проблему плохой нумерации домов и улиц, которая мешает работе пожарно-спасательной команды. Эта система использует службу Google Maps Direction, чтобы помочь пожарной команде добраться до места возгорания. Функция сводки предупреждений предоставляет системе возможность создавать отчеты о пожарах с течением времени. При наличии достаточного количества данных этот компонент может предоставить данные о тенденциях.
Помимо стандартных таблиц Django для аутентификации и пользователей, в системной базе данных есть семь таблиц. На рис. 12 показаны все таблицы и их связи в базе данных системы. В этих таблицах хранится информация о пожарных устройствах и пожарном депо. В таблице alerts_device хранится информация о каждом устройстве обнаружения пожара. Эта таблица связана с таблицами alerts_geolocation, alerts_alertlog и alerts_building посредством отношения внешнего ключа. В таблице alerts_geolocation хранится географическая информация о каждом устройстве, а в таблице alerts_alertlog регистрируются пожарные тревоги в базе данных системы.
В файле alerts_building хранится информация о здании, в котором находится пожарное устройство. Используя подход Django MVT (Model View Template) к разработке приложений, таблицы базы данных были разработаны как модели. В Django модель содержит основные поля и поведение хранимых данных и сопоставляется с таблицей в базе данных.
IV. РАЗРАБОТАННЫЕ ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМЫ
Разработанная веб-система уведомлений состоит из двух модулей: пользовательской консоли для владельцев дома и смотрителей и административной консоли суперпользователя.
Рис. 12: Системная база данных ERD (диаграмма отношений объектов)
Консоль, обращенная к пользователю, позволяет пользователю управлять своими устройствами, тогда как консоль администрирования суперпользователя позволяет авторизованному пользователю из пожарно-спасательной службы или стороннего поставщика услуг контролировать устройства и управлять ими. Для работы этих двух модулей была реализована система аутентификации и авторизации пользователей, которая позволяет только проверенным пользователям получать доступ к системе и выполнять авторизованные системные функции. На рис. 13 показан экран входа в систему.
Рис. 13. Скриншот интерфейса входа администратора
Чтобы обеспечить обратную связь о состоянии развернутых устройств, панель управления нашей веб-системы уведомлений предоставляет обновления в режиме реального времени о состоянии каждого устройства. Кроме того, на панели управления суперпользователя также отображается местоположение каждого устройства на карте. Чтобы обеспечить своевременное реагирование на события оповещения, входящие оповещения о пожаре воспроизводят звуковые уведомления.
Также серьезной проблемой были навигационные трудности, с которыми столкнулись пожарно-спасательные бригады и службы экстренной помощи при достижении места возгорания. Навигационный модуль веб-системы уведомлений предоставляет пользователю пошаговую навигационную информацию с помощью службы направления Google Maps. На рис. 14 показан скриншот навигационной подсистемы. Это показывает информацию о направлении от пожарной части к месту пожара.
Рис. 14. Системный скриншот интерфейса навигационной системы
Информационная подсистема пожарных гидрантов системы веб-уведомлений предоставляет информацию о состоянии пожарных гидрантов в непосредственной близости от очага возгорания. Вооружившись этой информацией, пожарно-спасательная команда может лучше спланировать свою операцию.
Для облегчения связи между устройствами и системой веб-уведомлений был разработан мост, который подключается к SMS-шлюзу, получает и отправляет сообщения.
Блок-схема, представленная на рис. 15, описывает, как обрабатываются оповещения. Каждому устройству, созданному в системе веб-уведомлений, присваивается уникальный идентификационный номер устройства. Входящие оповещения сначала проверяются с использованием предоставленного идентификационного номера устройства. Предупреждение игнорируется, если ни одно зарегистрированное устройство не соответствует предоставленному идентификационному номеру устройства. Для действительных предупреждений информация об устройстве извлекается из базы данных, обрабатывается и предоставляется навигация к местоположению.
Помимо индикации предупреждений через веб-интерфейс пользователя, владельцы домов и смотрители также уведомляются о событиях через SMS. На рис. 16 показан скриншот SMS-оповещения о пожаре на мобильный телефон пользователя.
Рис. 15. Блок-схема службы направления Рис. 16. SMS-оповещение о пожаре на мобильный телефон пользователя
V. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Проведенные испытания блоков датчиков были направлены на обеспечение точности каждого датчика. Из результата, полученного от датчика температуры, была получена погрешность +5oC для каждого показания. Было замечено, что в полностью кондиционируемом помещении при 16°C выходной сигнал датчика был около 23°C. С другой стороны, в достаточно проветриваемом помещении с потолочным вентилятором датчик зафиксировал около 33°С. Поскольку эта проблема была подтверждена другими пользователями той же модели, показания температуры были скорректированы с учетом этой погрешности. Датчики дыма и пламени, будучи аналоговыми устройствами, полагаются на АЦП на плате Arduino для выполнения преобразования. АЦП на плате Arduino формирует выходные сигналы от 0 до 1023 (соответствует от 0 до 5 В). Для датчика пламени более высокое значение около 900 указывает на пламя с высокой интенсивностью, а более низкое значение указывает на пламя низкой интенсивности или отсутствие пламени при значениях ниже 200. Тот же принцип применим и к датчику дыма: более высокое значение указывает на высокую степень затемнения дымом и наоборот.