大型微波干燥設(shè)備在干燥易燃物料時(shí)，由于物料中偶爾混有的鐵屑會(huì)在微波作用下釋放電火花引起火災(zāi)，燒毀物料并損傷設(shè)備傳送帶等。針對(duì)大型微波干燥設(shè)備在實(shí)際工作場(chǎng)合中出現(xiàn)的微波干擾強(qiáng)、光照條件復(fù)雜、物料著火點(diǎn)不確定性強(qiáng)等問(wèn)題，提出了基于物料顏色的火焰面積提取與基于灰度圖亮度識(shí)別相結(jié)合的微波設(shè)備物料火情監(jiān)測(cè)方法，利用NI myRIO-9100以及CMOS攝像頭等設(shè)備，開(kāi)發(fā)一套基于LabVIEW的微波干燥設(shè)備物料火情監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在物料著火時(shí)，該系統(tǒng)能夠可靠地檢測(cè)出火情并報(bào)警，從而有效地降低設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和物料起火損失。

　　0 引言

　　大型微波干燥設(shè)備在加熱易燃物料時(shí)，由于物料中偶爾混有的鐵屑在微波作用下釋放電火花，易引起火災(zāi)，會(huì)燒毀物料并對(duì)設(shè)備傳送帶等裝置造成一定損傷，因此一些廠家在設(shè)備中加裝煙感傳感器，將其作為大型微波加熱設(shè)備的火情報(bào)警系統(tǒng)。但在實(shí)際工作場(chǎng)合中發(fā)現(xiàn)，由于受熱物料經(jīng)常具有一些易揮發(fā)性物質(zhì)，導(dǎo)致報(bào)警系統(tǒng)誤報(bào)率較高，且經(jīng)常導(dǎo)致設(shè)備非故障停機(jī)。本文探討用圖像處理的方式來(lái)解決設(shè)備中的火情報(bào)警問(wèn)題。

　　近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在關(guān)于基于圖像處理的火災(zāi)報(bào)警方面的研究有很多，例如國(guó)外有Jong-Hwan Kim等利用紅外圖像來(lái)檢測(cè)火情以及現(xiàn)場(chǎng)的煙霧情況，Thomas Schröder等利用圖像的顏色特性、動(dòng)態(tài)表現(xiàn)、空間擴(kuò)展參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的爆燃過(guò)程模糊分類識(shí)別與檢測(cè)。國(guó)內(nèi)陳曉娟等利用圖像紋理、煙霧濃度、溫度等進(jìn)行組合來(lái)識(shí)別火情;段悅、吳洪森、王文豪、包晗等利用火焰圖像的面積、周長(zhǎng)、圓形度、顏色、蔓延面積大小等來(lái)進(jìn)行火情識(shí)別;田仲富、劉林等利用紅外技術(shù)、火焰尖角、運(yùn)動(dòng)像素等的火焰檢測(cè)方法。

　　上述方法對(duì)于一般情況下的火災(zāi)檢測(cè)已經(jīng)做的比較好，但用到微波設(shè)備上還有一些問(wèn)題需要解決。微波設(shè)備中溫度較高，紅外檢測(cè)方法不適合，物料本身形狀、反光程度以及運(yùn)動(dòng)狀況不穩(wěn)定等因素會(huì)造成拍攝的圖片質(zhì)量較差等，本文利用加裝過(guò)防護(hù)裝置的CMOS攝像頭、NI myRIO模塊構(gòu)建硬件系統(tǒng)，并使用labVIEW平臺(tái)構(gòu)建了相關(guān)軟件來(lái)進(jìn)行圖像的采集與處理。

　　1 硬件構(gòu)成

　　在微波加熱設(shè)備中，如圖1所示，加熱區(qū)基本是封閉的，物料被放置在傳送裝置或其他載物設(shè)備上。在設(shè)備箱體加熱區(qū)的上方鋼板上開(kāi)有通孔，通孔外部用專用玻璃防護(hù)起來(lái)，外部光源和攝像頭經(jīng)通孔對(duì)箱體內(nèi)部進(jìn)行照明和取照片。在火情報(bào)警系統(tǒng)部分，USB接口的CMOS工業(yè)攝像頭直接連接到NI myRIO設(shè)備的USB接口上，myRIO設(shè)備利用NI公司提供的電源適配器(輸入：AC 100-240V 50-60Hz 38VA，輸出：DC 12V 1.5A)進(jìn)行供電。

　　圖1 硬件結(jié)構(gòu)示意圖

　　2 檢測(cè)原理

　　微波加熱設(shè)備中的物料起火與生活中常見(jiàn)的如森林火災(zāi)、居室起火等情況有一些不同之處。微波設(shè)備中的火情發(fā)展主要經(jīng)歷如下三個(gè)階段：首先，物料中混有的鐵屑在微波作用下釋放出短暫的耀眼的閃光(閃光基本為白光)，這個(gè)過(guò)程會(huì)持續(xù)20s左右;隨后由于鐵屑的放電引起小范圍物料起火;后，如果前期沒(méi)能控制住火情，火勢(shì)會(huì)迅速蔓延導(dǎo)致物料全部損毀且對(duì)設(shè)備造成損傷。

　　針對(duì)上述情況，首先考慮采用圖像灰度化處理方案，通過(guò)將灰度化圖像不同像素灰度值與設(shè)定的閾值進(jìn)行對(duì)比得到對(duì)應(yīng)二值化圖像進(jìn)而計(jì)算火焰面積，達(dá)到對(duì)鐵屑導(dǎo)致的閃光進(jìn)行報(bào)警以及對(duì)后續(xù)火情的預(yù)警。然而在不同型號(hào)的微波設(shè)備中，有些放置物料的架子或基板是由表面光滑的不銹鋼制成，這些光滑部件在微波設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，會(huì)不定期反射照明燈的光線，對(duì)灰度化圖像的處理結(jié)果造成影響，所以考慮采用在彩色圖像中提取特定顏色火焰的方法對(duì)起火后的火情進(jìn)行報(bào)警。若被加熱物料偏白色，在彩色圖像中提取到的白色閃光范圍會(huì)產(chǎn)生較大失真，因此考慮將灰度化圖像的處理結(jié)果主要用作火情預(yù)警，彩色圖像的火焰顏色處理結(jié)果用作真實(shí)報(bào)警，基本流程如圖2所示。

　　圖2 圖像處理流程

　　圖2所示圖像處理流程主要包括三個(gè)方面，分別為：根據(jù)火焰顏色提取并計(jì)算火焰區(qū)域大小、根據(jù)灰度情況提取并計(jì)算火焰區(qū)域大小、根據(jù)新的火焰面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果與上次統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比判別。后再根據(jù)這三者的綜合情況，判斷是否需要報(bào)警處理。具體過(guò)程如下。

　　⑴ 對(duì)彩色圖像灰度化，得到灰度圖。然后將整個(gè)圖像轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的二維灰度值數(shù)組，對(duì)待處理二維灰度值數(shù)組中每一個(gè)灰度值與預(yù)設(shè)火焰的對(duì)應(yīng)灰度值范圍進(jìn)行比較，當(dāng)當(dāng)前像素灰度值處于預(yù)設(shè)火焰的對(duì)應(yīng)灰度值范圍時(shí)，則將其記為一個(gè)單位火焰面積，將所有單位火焰面積累加起來(lái)就得到終火焰面積。由于圖像中難免會(huì)有一些噪點(diǎn)的影響，所以沒(méi)有火情時(shí)也會(huì)有一些像素點(diǎn)會(huì)被當(dāng)成火焰，但是相對(duì)來(lái)說(shuō)，其總量是有限的，可以預(yù)設(shè)一個(gè)火焰面積閾值，只有超過(guò)這一閾值才會(huì)被當(dāng)成有火情。

　?、?通過(guò)設(shè)置不同的圖片三原色范圍(紅、綠、藍(lán))，選出特定火焰的顏色范圍，對(duì)火焰以及背景進(jìn)行二值化處理。由于有時(shí)物料反射的光線接近火焰顏色，但是物料反射造成的接近火焰顏色的區(qū)域在圖像中比較分散且范圍較小，可以通過(guò)對(duì)每個(gè)接近火焰顏色的連通域范圍進(jìn)行顆粒大小分析，對(duì)小于預(yù)設(shè)范圍大小的顆粒進(jìn)行過(guò)濾，得到比較完整的火焰圖像，接下來(lái)，對(duì)過(guò)濾后的二值化圖像中火焰區(qū)域進(jìn)行面積計(jì)算，其中，一個(gè)像素點(diǎn)記為一個(gè)單位面積，于是可以得到基于火焰顏色的火焰區(qū)域面積，將得到的火焰面積與針對(duì)當(dāng)前算法而預(yù)設(shè)的火焰面積報(bào)警閾值進(jìn)行比較，得出是否有火情。

　　⑶ 在通過(guò)上述兩種方式分別對(duì)圖像進(jìn)行處理，得出相應(yīng)的火焰面積以后，在每次計(jì)算時(shí)保留上一次的火焰面積計(jì)算結(jié)果，將其與下一次的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。一旦后一次的火焰面積與前一次的火焰面積之比超過(guò)預(yù)設(shè)值，也被判斷成有火情，這種處理過(guò)程主要用于前期閃光階段。

　　上述過(guò)程中，根據(jù)火焰顏色提取并計(jì)算火焰區(qū)域大小以及根據(jù)灰度情況提取并計(jì)算火焰區(qū)域大小這兩種方法主要用于生成火苗以后的火勢(shì)判斷。根據(jù)新的火焰面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果與上次統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比得出火焰面積比值這一方法主要用于前期閃光階段的火情預(yù)警監(jiān)測(cè)。三種方法得出的火情報(bào)警結(jié)果與終的報(bào)警結(jié)果之間的邏輯關(guān)系可用以下公式表明：

　　其中，報(bào)警為真，反之為假，B表示終報(bào)警情況，Y表示根據(jù)火焰顏色得到的報(bào)警情況，H表示根據(jù)灰度圖得到的報(bào)警情況，ZY和ZH分別表示根據(jù)火焰顏色或灰度圖得到的火焰面積增長(zhǎng)率對(duì)應(yīng)的報(bào)警情況。

　　3 算法實(shí)現(xiàn)

　　圖3所示為myRIO里的主程序，開(kāi)機(jī)后打開(kāi)相機(jī)并配置相機(jī)，然后在while循環(huán)中重復(fù)“判斷是否停止程序、取照片、處理照片、輸出結(jié)果”這四個(gè)狀態(tài)。在測(cè)試算法過(guò)程中，利用myRIO自帶的一個(gè)自定義按鈕和四個(gè)LED指示燈來(lái)進(jìn)行程序運(yùn)行以及是否有火情報(bào)警等狀態(tài)的控制與顯示，程序設(shè)置為上電自啟動(dòng)。其中LED 0燈亮表示正在取圖像，燈滅表示正在處理圖像;LED 1燈亮表明程序運(yùn)行出錯(cuò)，燈滅表示程序運(yùn)行良好;LED 2和LED 3同時(shí)亮表明有火情報(bào)警，同時(shí)滅表明無(wú)火情報(bào)警;程序運(yùn)行過(guò)程中，按下自定義Button會(huì)停止程序的運(yùn)行;將myRIO電源關(guān)掉再重新開(kāi)機(jī)，程序又自動(dòng)開(kāi)始運(yùn)行。

　　圖3 主程序

　　圖4所示為圖像處理程序，程序上方為圖像的灰度化程序，拍攝到的彩色圖像經(jīng)IMAQ BCGLookup函數(shù)轉(zhuǎn)換為灰度化圖像，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，可對(duì)原彩色圖像的亮度、對(duì)比度、伽馬值等進(jìn)行調(diào)整。轉(zhuǎn)換后的灰度圖經(jīng)IMAQ Image To Array函數(shù)再將灰度圖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的二維灰度值數(shù)組。左下方為根據(jù)火焰顏色提取火焰區(qū)域以及基于火焰區(qū)域面積大小的過(guò)濾程序，采集到的彩色圖像在設(shè)置好參數(shù)范圍的情況下，經(jīng)IMAQ Color Threshold函數(shù)轉(zhuǎn)換為黑色(非火焰區(qū)域)和紅色(火焰區(qū)域)兩種顏色的二值化圖像，然后再利用IMAQ Particle Filter函數(shù)對(duì)上述二值化圖像中的較小的連通域區(qū)域進(jìn)行過(guò)濾，通過(guò)對(duì)連通域的面積大小設(shè)定閾值，可以將較小的干擾點(diǎn)過(guò)濾掉，接著利用IMAQ Image To Array函數(shù)將圖像轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的二維黑色或紅色二值化數(shù)組，后利用自定義的二值化程序再將黑紅二值化數(shù)組轉(zhuǎn)換為所需要的二值化數(shù)組。

　　將得到的兩組二維數(shù)組分別進(jìn)行火焰區(qū)域面積大小統(tǒng)計(jì)(如圖5所示)，統(tǒng)計(jì)完成以后，將其與目標(biāo)閾值比較，超過(guò)相應(yīng)閾值則輸出各自對(duì)應(yīng)的報(bào)警情況。另外分別將得到的火焰面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果與上一次的結(jié)果相除，算出對(duì)應(yīng)面積增長(zhǎng)速率，速率超出預(yù)設(shè)閾值，則進(jìn)行相應(yīng)報(bào)警輸出。

　　圖4 圖像處理程序

　　圖5 火源區(qū)域像素統(tǒng)計(jì)程序

　　圖5為火源區(qū)域像素統(tǒng)計(jì)程序，通過(guò)兩個(gè)for循環(huán)進(jìn)行火焰區(qū)域面積大小統(tǒng)計(jì)，第一個(gè)for循環(huán)對(duì)二維數(shù)組進(jìn)行當(dāng)行索引，第二個(gè)for循環(huán)對(duì)第一個(gè)for循環(huán)的單行索引結(jié)果進(jìn)行單像素索引并判斷當(dāng)前像素點(diǎn)的灰度值或二值化結(jié)果是否在火焰范圍內(nèi)，并進(jìn)行相應(yīng)統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)完成后，輸出對(duì)應(yīng)的兩組統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

　　4 測(cè)試結(jié)果

　　測(cè)試地點(diǎn)為微波設(shè)備生產(chǎn)廠商的廠房里，采用白色紙屑模擬物料，模擬的火情現(xiàn)場(chǎng)照片如圖6所示，軟件部分的參數(shù)設(shè)置為：圖像的處理區(qū)域?yàn)槿繀^(qū)域;IMAQ BCGLookup的Brightness值為128.00、Contrast值為30.00、Gamma值為1.03;火焰顏色提取中IMAQ Color Threshold函數(shù)的參數(shù)Blue的值為80-255、Red的值為254-255、Green的值為150-255;火焰顏色顆粒大小過(guò)濾函數(shù)IMAQ Particle Filter中的范圍值設(shè)置為50-50000;終的灰度圖報(bào)警閾值為200;火焰顏色圖中的報(bào)警閾值為200。

　　圖6 模擬火情現(xiàn)場(chǎng)照片

　　經(jīng)多次測(cè)試，NI myRIO設(shè)備采集到如圖6所示的模擬物料火情現(xiàn)場(chǎng)照片以及在利用強(qiáng)光手電模擬微波設(shè)備中的閃光情況時(shí)，能夠及時(shí)的通過(guò)亮燈及其他措施給出火災(zāi)警告信號(hào)。MyRIO的報(bào)警燈亮起情況如圖7所示。

　　圖7 myRIO亮報(bào)警燈狀態(tài)

　　另外，為了得出圖像處理的速度，避免處理速度過(guò)慢而造成漏報(bào)的情況，在主程序中添加了計(jì)時(shí)程序，通過(guò)多次測(cè)量求平均值的方式，測(cè)算了單個(gè)處理流程(取圖像、處理圖像、輸出結(jié)果)的耗時(shí)情況，經(jīng)分析認(rèn)為基本滿足要求，具體測(cè)試結(jié)果如表1所示。

　　表1 程序運(yùn)行時(shí)間測(cè)試

　　在出現(xiàn)閃光時(shí)，由于閃光的光線較強(qiáng)，攝像頭受強(qiáng)光影響，拍攝的圖片基本為白色，理論上不會(huì)出現(xiàn)漏檢。在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中，真正出現(xiàn)火情的概率較小，目前為止只收到兩例有閃光情況的反饋，在反饋中，程序都能實(shí)現(xiàn)對(duì)閃光的檢測(cè)。

　　5 總結(jié)

　　通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)新的火焰或光源面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果與上次統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比計(jì)算圖像亮度增長(zhǎng)速度的方式能有效檢測(cè)出微波設(shè)備中鐵屑引起的閃光情況，根據(jù)火焰顏色提取并計(jì)算火焰區(qū)域大小并結(jié)合根據(jù)灰度情況提取并計(jì)算火焰區(qū)域大小這兩種方法，可以判斷微波干燥設(shè)備運(yùn)行中物料是否起火這一狀況。將上述方法結(jié)合起來(lái)，能有效檢測(cè)并預(yù)判微波干燥設(shè)備中的火情狀況。另外，后期工作中可以通過(guò)myRIO上自帶的IO口與微波干燥設(shè)備的主控PLC進(jìn)行通信從而使設(shè)備在遇到火情時(shí)能及時(shí)做出處理措施。

相關(guān)文章：