火灾探测中的传感器

过去10年左右发生了一些巨大而致命的火灾事件，摧毁了整个城镇，烧毁了创纪录的面积，污染了数周的天空。野火不仅发生在美国西部，还在欧洲、亚马逊和澳大利亚失去控制。

早期发现野火和通过控制燃烧进行森林管理是防止野火失控的两种方法。传感器系统、网络、人工智能、仿真和建模都可以发挥作用。政府和政府机构起到了催化剂的作用，促进了模型、传感器和网络的发展。商业产品继续解决电力、成本、自动化和远程覆盖地区的网络可访问性问题。

里里外外都在侦查
气体和颗粒传感器、摄像机、激光雷达和麦克风都在野火探测中发挥着作用。室内火灾探测系统可能有寻找烟雾的光学传感器，检测温度上升的热传感器，以及CO和CO的传感器₂气体。光电烟雾探测器使用光束来探测闷烧火灾中的烟雾，而电离烟雾探测器使用带电粒子或离子来探测燃烧火灾中的烟雾。双传感器烟雾探测器有光电探测器和电离探测器。

更多类型的传感器被添加到室内火灾探测系统中，例如运动探测器和检测玻璃破碎的音频系统。室内自动火灾报警系统的基本部件包括接收器、自动传感器、手动发射机、声音设备、防火门、防火百叶窗、防烟百叶窗以及与之相连的网络设备。

“我们的客户正在将IAQ(室内空气质量)传感器集成到火灾和一氧化碳探测器中，以增加额外的价值。瑞萨电子．“我们看到用于室内空气质量和湿度/温度传感器的金属氧化物”正在被使用并开发成系统。

图1:室内烟雾探测器利用光线探测烟雾颗粒。来源:瑞萨

野火探测系统可能具有相同类型的传感器，但它不受天气影响，功耗较低，通常是在大面积传输的许多设备组成的网络的一部分。传感器系统必须足够便宜，足够独立，能够在不需要维护的情况下运行10到20年。

可见数据和长波红外(LWIR)探测摄像机，通常被称为前视红外(FLIR)，在野火探测中发挥着重要作用，寻找两种东西——烟雾和热量。

此外，热感测摄像机被用于早期火灾探测(EFD)系统，主要用于工业场合，但覆盖面积大。

例如，MoviTHERM公司开发了一种EFD系统，该系统使用FLIR摄像机，可以在烟雾和火焰出现之前探测到热量。一个网关将摄像头与其他传感器连接起来，该网关还连接到经过训练的云软件，该软件可以在烟雾和火灾出现之前识别热量。用于室内工业环境或室外区域监测易自燃的煤炭或生物材料堆，这些FLIR摄像机系统可以早期检测到热量，有时还可以测量温度。

MoviTHERM集成了固定热成像或红外摄像系统。它还可以连接到其他探测器和传感设备进行火灾探测，比如火灾探测器，甚至可能是自动喷水灭火系统，”该公司业务发展副总裁大卫·伯塞尔(David Bursell)说。“我们关注的主要应用是防火，或非常早期的火灾预警。”

人工智能被用来训练系统忽略一些热量特征，比如汽车尾气。Bursell说:“任何时候我们使用热成像技术，任何时候该设备进入现场，它都会显示出一个热点，所以我们利用人工智能识别车辆，并在特定时间将其从特定摄像头的警报中移除。”该公司或其客户可以使用内部开发的软件和FLIR摄像机来训练人工智能模型，以建立训练数据库。多个传感器数据聚合以支持状态感知。

图2:用于检测工业火灾从热点到火焰发展的设备。来源:MoviTHERM

与此同时，AmpliCam使用安装在塔上的现成监控摄像头，通过摄像头中的视频内容分析来探测烟雾。该系统具有精确定位火灾位置的火灾定位算法。在边缘(在摄像机中)分析数据并发送到云软件，为消防员创建地图和路线。Vigilys公司(以前称为Ambient Control Systems)专门建造的系统有一个红外摄像机，可以360°监视，寻找热汽化燃料产生的独特特征。该摄像头使用一个窄带光谱滤波器来检测签名，处理摄像头上的数据。算法可以改进检测以减少误报。该系统需要在每平方英里放置一个摄像头，以便在火灾发生时发出警报。

气体和烟雾探测器可以在商业上用于野火的使用情况。其中一些系统的灵感来自美国环境保护署(EPA)的“野火传感器挑战赛”，该挑战赛鼓励低成本、低功耗、便携式、易于使用的传感器设计。Thingy AQ赢得了2021年挑战传感器系统可以实时检测野火烟雾，监测空气质量，收集可以无线发送的遥测数据。车载传感器检测细颗粒物PM 1.0/2.5/4.0/10和气体，如一氧化碳，二氧化碳，臭氧，NO₂， NOx, SO₂， H2S和TVOC。它可以测量相对湿度和空气温度。该系统将数据存储在microSD卡上，但也几乎实时传输数据。

火灾地图，模型，工具
美国有研究机构和政府机构共同致力于火灾探测、预测和计划，以规定的燃烧减少燃料。加州大学圣地亚哥分校(UCSD)一直在研究野火探测和预测/风险缓解地图的问题。与它的WIREFIRE实验室该项目由美国国家科学基金会(NSF)资助，UCSD与洛杉矶消防局和奥兰治县消防局合作创建Firemap这是一个基于网络的地图，可以通过卫星实时跟踪当前的火灾，并显示历史火灾数据。地图显示了警报野火PTZ摄像机和HPWREN摄像机的位置，它们的视野覆盖的区域，以及摄像机的实时图像。

这只是许多预防火灾的技术应用之一，或者是在需要更少的资源来控制火灾时尽早发现火灾。另一个是由洛斯阿拉莫斯国家实验室开发和维护的火灾-大气模型QUIC-Fire。“这个QUIC-Fire模型是第一个快速运行的耦合模拟火灾行为模型，它捕捉了米尺度上3D燃料结构的影响，以及火灾、动态大气、植被结构和地形之间的耦合相互作用，整合了不同尺度的数据，并纳入了火灾动力学的内部过程。”根据追踪下一代车型和火灾研究的网站WIREFIRE。

商业和家庭安全保险协会(IBHS)有一个火灾测试室，用于研究建筑物附近的火灾行为。IBHS是一个由保险行业提供资金的非营利性协会，它在测试室内模拟火灾和天气(风、冰雹、雨)事件，以测试它们如何影响房屋结构。这个房间是一个巨大的建筑，配备了102个风扇，风速可以达到每小时12到120英里。

要模拟的一个复杂问题是余烬在风中传播的行为。任何试图预测火灾移动方向的方法都将受益于了解火灾前余烬的移动方向。余烬使野火难以预测。它们可以被吹离活跃的火焰几英里远，余烬的大小会影响它的表现。不像烟雾中的颗粒会跟随风的模式，余烬更大，并不总是跟随风的模式。在实验室里模拟这种行为需要模拟不同类型、不同方向的风，以及火。

IBHS的研究工程师Faraz Hedayati在一份报告中说:“我们的灰烬分布更接近现实生活。视频研讨会．IBHS采用了NIST的一些余烬发生器，旨在了解哪些余烬随风移动，哪些在大气中上升，哪些不足。利用机器视觉，IBHS可以看到影响建筑物附近余烬行为的漩涡，因此他们可以创建一些模型。

NIST与美国林务局火灾实验室(如米苏拉火灾科学实验室)和其他组织正在研究如何预测不同风条件下的火灾行为。

法定烧伤和非法烧伤
美国宣布10年实施计划今年1月用火救火的方式处理了2000多万英亩土地。目标是通过减少燃料来防止大规模、失控的野火。干燥燃料的数量——由于美国西部的长期干旱和100年的不燃烧政策加剧了气候变化而增加——将通过规定的燃烧来控制，也被称为Rx燃烧。Rx燃烧是一种当地文化可能已经使用了几千年的工具，是在可控的条件下设置流动强度的火灾，比如在没有风的雨天。10年计划首先在西部建立25万英亩的消防站，但在10年计划下，美国的所有地区都将受到关注。最终，2000万到5000万英亩土地将通过规定的火灾和创新得到管理。

图3:一个实验室网络和研究人员在规定的火灾应用科学工作。来源:雅典消防实验室．

雅典消防实验室使用激光雷达和计算效率高的QUIC-Fire模型来建议Rx烧伤。“在美国和世界各地，火灾有几个领域——野火、农业燃烧和规定的火灾，”来自雅典规定的火灾技术中心(总部设在美国佐治亚州)的乔·奥布莱恩说网络研讨会．他说，美国南部有一种燃烧文化，通过规定的火灾减少燃料是文化的一部分。“burn老板，当他或她决定生火时，是在做一个非常深刻的决定。他或她把火应用到一个没有着火的景观上，他或她要对后果负责。做出这样的决定并没有太多科学依据，所以我们想要纠正这一点。”

该实验室将改变其储存燃料的方式，并将使用3D景观模型来了解风场。我们的目标是进行快速和准确的场景测试。

侦测非法活动一直是人们关注的问题。英飞凌的硅谷创新中心一直在与总部位于旧金山的非营利组织“雨林连接”(RFCx)合作，帮助检测非法燃烧或砍伐雨林，或偷猎森林动物。RFCx制造了开放式声学监测系统，可以检测到链锯在自然森林中发出的不和谐声音。这种安装在树上的老式智能手机装在装有太阳能电池板的保护盒里，当探测到事件发生时，它就会通过蜂窝网络向地面上的手机发送警报。据该组织介绍，该系统还可用于测量和监测生物多样性网站．

RFCx还一直在评估英飞凌的下一代多气体传感器，该传感器可以检测CO₂这是一种追踪与森林健康监测和野火探测有关的各种气体的方法。“这些模块不一定要放在树顶上，”该公司副总裁阿德里安·米科拉杰扎克说英飞凌的硅谷创新中心和应用系统研究，电源，传感器，射频。该装置将从泰国开始安装，随后是巴西。

图4:英飞凌和雨林连接正在开发用于雨林野火探测的气体探测模块原型。来源:英飞凌

图5:连接到盒子上的太阳能电池阵列，可以容纳带有音频或气体传感器的手机。系统安装在树上。来源:雨林联系

为远程系统供电
没有人愿意在偏远地区更换10万个传感器的电池。低功耗和自由能源是关键的设计参数。

太阳能是远程系统的一个很好的选择。“我们有一个太阳能装置。我们不得不进行远程操作。没有办法在本地为摄像机、调制解调器或网关供电，所以我们使用了基于太阳能电池的系统来运行这些设备。这是一个非常偏远的装置，”MoviTHERM的Bursell说。“这些设备的功耗相当低。”Bursell说，大多数MoviTHERM摄像机都使用以太网供电(PoE)，电力通过一根以太网电缆传输到摄像机。

其他相机系统也使用太阳能。Vigilys的相机有一个内置的太阳能电池板，但没有电池。据该公司介绍，能量储存在“非电池超级电容器中，使用寿命为20年”产品页面，摄像头可以全天候报告自身的健康状况。同样，雨林连接系统通过太阳能电池板阵列和蜂窝网络捕获音频数据，蜂窝网络具有很强的覆盖范围，是该特定雨林中发送音频数据的唯一选择。Thingy AQ传感器盒仅使用太阳能或电池配置，以满足其不足1瓦的使用习惯。

甚至能源收集也在使用。探测器原型来自密歇根州立大学的温度和一氧化碳传感器使用摩擦发电机从悬挂在树枝上的微风中收集能量。两个不同大小和重量的圆柱体，一个涂有铜，另一个涂有特氟龙，相互锁扣，一个套在另一个上面，用橡皮筋连接。这两个圆柱体在相互摩擦时产生能量，这就是摩擦发电机。

系统的寿命和功耗与发送的数据量有关，而数据量会消耗电池电量。一个每天只发送少量数据的系统与一个每天发送更多数据的视频或音频系统相比，意味着必须使用不同类型的网络。或者网络必须合并。

使用低功耗远程(LoRA)网络可以降低功耗。Dryad联合创始人兼首席执行官Carsten Brinkschulte表示:“Dryad在Silvanet系统中广泛使用了LoRaWAN，该系统为野火的超早期检测提供了基于标准的端到端解决方案。“Silvanet使用太阳能气体传感器与车载人工智能一起探测野火，即使在阴燃阶段也能探测到火灾，为消防员提供了关键的时间优势。由于我们的目标环境是森林，传统的物联网连接解决方案(特别是NB-IOT)并不是一个可行的选择，因为森林深处的移动网络覆盖几乎不存在，因为充满水的树木和植物会阻碍无线电波的传播。我们通过实施LoRaWAN克服了这一挑战，将网络的覆盖范围扩展到森林深处。”

网络
用于火灾探测系统的网络包括各种网络，从适用于小型、低频率有效载荷的远程、低功耗实现，到发送视频和音频实时流的高带宽无线骨干。一个网络并不适合所有的用例，但是网络可以组合在一个用例中。

例如，LoRa联盟表示，LoRaWAN在其他网络类型中表现良好。火灾探测系统可能有两种类型的网络，一种用于视频，另一种用于每天只发送一个比特的传感器。“有时需要视频，有时需要低功耗。这是关于市场需求的，没有任何技术能够满足所有人的需求，”LoRa联盟首席执行官兼主席唐娜·摩尔(Donna Moore)说。“我们是支柱。有Wi - Fi，有蜂窝网络，还有LoRaWAN。”

Thingy AQ还使用LoRa在数据压缩后进行传输，但它现在也可以通过LTE和卫星传输到任何云应用程序。

制造检测系统的公司也变得灵活起来。许多公司为他们的系统提供LoRA、Wi-Fi和蜂窝网络接入。这取决于哪种系统最适合该地区。瑞萨公司的辛普森说，室内系统可能会“我们看到蓝牙”。

加州大学圣地亚哥分校的高性能无线研究和教育网络(HPWREN)于2000年在美国国家科学基金会的资助下启动，正在互联网上几乎实时地连接数百个用于野火探测的摄像机和其他传感器广播。这个高带宽无线骨干网和访问数据网络连接南加州各县。加州大学圣地亚哥分校、圣地亚哥超级计算机中心和斯克里普斯海洋研究所的地球物理和行星物理研究所团队合作开发了HPWREN，它支持数据密集型应用，如实时视频，用于研究、教育和公共安全领域的互联网数据应用。

越来越多的高带宽研究网络相互连接。在美国，这包括研究网络，如加利福尼亚州的CENIC，它连接到世界各地的其他研究网络。这些高带宽网络可用于数据量大、带宽要求高的系统，如视频。

图6:连接研究网络的西部区域网络。来源:CENIC

图7:连接世界各地研究网络的大西洋太平洋研究与教育交流中心(AP-REX)。来源:CENIC

卫星也可以监测更大的区域，但功率越低越好。“在户外情况下，如森林火灾和其他广域应用，我们的长距离应用可以实现以前不可能实现的用例。为了在森林中安装火灾传感器，在大多数最糟糕的情况下，你将需要一个GSM网络，而且你将不得不使用基于卫星的网络。凭借LoRaWAN的远程射程，我们可以在20或30英里范围内将LoRa网关安装在塔顶上。你可以到达森林中相当大的区域。对于真正偏远的地区，你甚至无法在高处面对门户，我们可以选择使用距离地面500至600公里的低地球轨道卫星，”Actility先进技术开发副总裁、LoRa联盟董事会和技术委员会副主席Alper Yegin说。“它们将为LoRaWAN基地提供地面服务。与其他基于卫星的技术不同，传感器的传输功率仍然非常低，低至25毫瓦。”

结论
火灾探测技术和系统不断完善。行业、政府和研究人员正在相互学习，并通过易于使用的仪表板和在线监控系统将网络连接到云端进行数据分析，我们都开始依赖这些系统。该软件帮助客户在检测设置中训练和使用人工智能和机器学习。越来越多的这些系统，尤其是公共资助的基于研究的系统，正在相互连接，以提供通过互联网访问的大规模见解。

但当涉及到大面积减少燃料时，规定的燃烧仍然是首选工具。现代技术只是帮助我们确定何时何地应用这种古老的方法。