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Stand der Technik
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Die Erfidung geht aus von einem Rauchmelder
nach der Gattung des unabhängigen
Patentanspruchs.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10011411 A1 ist
ein Rauchmelder bekannt, der durch eine Videokamera oder eine Infrarotkamera
realisiert ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass eine Lichtquelle
in einem geeigneten Wellenlängenbereich
für den
Bildaufnehmer vorgesehen ist, da die Partikelgröße von Rauchteilchen durch
Lichtstreuung an diesen Rauchpartikeln erkannt wird, wobei sich
dabei eine Corona um die definierte Lichtquelle bildet.
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Vorteile der
Erfindung
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Der erfindungsgemäße Rauchmelder mit den Merkmalen
des unabhängigen
Patentanspruchs hat dem gegenüber
den Vorteil, dass der Bildaufnehmer, der im Rauchmelder untergebracht
ist, zur Überwachung
eines sehr nahen Bereichs um den Rauchmelder konfiguriert ist und
die Lichtquelle derart ansteuerbar ist, dass die Lichtquelle bei
einem für
den Bildaufnehmer unzureichenden Umgebungslicht aktivierbar ist.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruchs
angegebenen Rauchmelders möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass der
Rauchmelder derart konfiguriert ist, dass der Rauchmelder anhand
eines Signals des Bildaufnehmers die Stärke des Umgebungslichts erkennt.
Damit ist es möglich, anhand
der Auswertung des Signals vom Bildaufnehmer bereits die Lichtquelle
bei unzureichendem Umgebungslicht anzusteuern. Die Auswertung des
Signals vom Bildaufnehmer wird durch einen Prozessor durchgeführt, der übliche Algorithmen
zur Bildauswertung aufweist.
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Alternativ ist es möglich, dass
ein zusätzlicher
Umgebungslichtsensor, beispielsweise eine Fotodiode, zur Messung
der Lichtstärke
des Umgebungslichts vorhanden ist. In Abhängigkeit von diesem Signal
wird dann die Lichtquelle angesteuert.
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Weiterhin ist es von Vorteil, dass
der Bildaufnehmer zur Beobachtung von Rauch in einem Abstand von
5 bis 20 cm konfiguriert ist. Die 5 bis 20 cm definieren, was hier
als naher Abstand betrachtet wird. Damit ist es insbesondere möglich, die
Funktion eines herkömmlichen
Streulichtrauchmelders durch den erfindungsgemäßen Rauchmelder zu ersetzen, der
ebenfalls nur auf die nächste
Umgebung sensiert.
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Darüber hinaus ist es von Vorteil,
dass der Bildaufnehmer in einem Labyrinth angeordnet ist. Hier wird
die Verwandtschaft zum Streulichtrauchmelder offenbar. Im Labyrinth
sind herkömmlicherweise
eine Lichtquelle und eine Fotodiode angeordnet, um Streulicht an
Rauch zu detektieren. Nunmehr wird ein Bildaufnehmer verwendet,
um direkt das Bild der eindringenden Luft oder Rauch zu erfassen.
Die Lichtquelle wird dann zur Beleuchtung verwendet. Die Lichtquelle
kann vorzugsweise eine Leuchtdiode sein. Dies ist eine günstige Ausführungsform,
die beispielsweise auch als weiße
Leuchtdiode verfügbar ist.
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Der Rauchmelder kann aus praktischen
und ästhetischen
Gründen
bündig
in einer Wand oder in einer Decke untergebracht sein. Dies ermöglicht, dass
er nicht in den Raum hinein ragt und damit Bewegungen im Raum nicht
behindert. Weiterhin ermöglicht
dies einen unauffälligen
Einbau in Räumen, in
denen ein Rauchmelder möglichst
nicht sichtbar sein soll.
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Der Bildaufnehmer kann vorzugsweise
als eine Miniaturkamera ausgebildet sein. Solche sind beispielsweise
in CMOS-Technologie preisgünstig vorhanden.
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Der Bildaufnehmer kann dabei vorteilhafterweise
derart angebracht sein, dass sein Sichtfeld nach unten oder schräg zur Seite
aus einer Melderabdeckung heraus gerichtet ist. Dies ermöglicht eine optimale
Beobachtung des nächsten
Umfeldes. Die Optik wird dabei so eingestellt, dass der Schärfepunkt
etwa 10 cm unterhalb der Abdeckung fokussiert ist. Dies ist der
Abstand, wo im Brandfall mit Rauch zu rechnen ist und wo aufgrund
der Deckennähe
keine Gegenstände
erwartet werden. Aufgrund des nahen Schärfepunktes wird der sichtbare
Hintergrund unscharf dargestellt. Bei Brand aufsteigender Rauch
wird jedoch in der Nähe
des Bildaufnehmers durch die entsprechende Einstellung der Optik
scharf dargestellt. Die Abbildung von Brandrauch wird sich gegenüber dem
Hintergrund aufgrund der Abbildungsschärfe der Helligkeitsverteilung,
der Schwadenbewegung und der Konturbildung signifikant unterscheiden.
Mit Hilfe geeigneter Bildverarbeitungsroutinen kann zwischen Rauch
und Hintergrund diskriminiert werden.
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Im Gegensatz zu einem Streulichtrauchmelder,
der die Intensität
von Streulicht einer gezielt angesteuerten Lichtquelle misst, erfolgt
hier die Erkennung auf Rauch über
Merkmale im Bild. Filter oder geometrische Messkammern zur Ausblendung
von Effekten umgebender Lichtquellen werden nicht benötigt, sie
werden automatisch zur Sichtbarmachung des Rauches genutzt. Die
Anordnung ist deshalb vollkommen unabhängig von Fremdlicht. Der extrem hohe
Informationsgehalt eines Bildaufnehmers erlaubt darüber hinaus,
aus dem Bildsignal Zusatzinformationen abzuleiten. Insekten, Spinnen,
Falter, die sich auf der Abdeckoberfläche des Melders befinden, können aufgrund
ihrer Abbildungsgröße und ihrer Struktur
klassifiziert werden und damit von Rauch unterschieden werden. Gegenstände, die
in den schärferen
Messbereich des Melders gebracht werden, z.B. Leitern, Schränke oder
Kistenstapel, werden scharf abgebildet und zeigen eine deutlich
andere Struktur als Rauch und können
somit ausgeblendet werden, und es kann eine Störungsmeldung über den
nunmehr eingeschränkten
Funktionsbereich erzeugt werden. Verstaubung und Verschmutzung der Abdeckscheibe
zeigen gegenüber
einem Referenzbild ohne Verschmutzung signifikante Unterschiede, so
dass eine schleichende Verschmutzung erkannt wird. Ein vollständiges Abdecken
des Melders oder Überstreichen
mit Farbe führt
ebenfalls zu signifikanten Bildänderungen
und kann zu einer Störungsmeldung
führen.
Zur Funktion benötigt
der Bildaufnehmer eine gewisse Umgebungshelligkeit, wobei er aufgrund
des Regelverhaltens von der tatsächlichen Helligkeitsstärke weitgehend
unabhängig
ist. Auf ein bewusstes Blenden des Bildaufnehmers (Übersteuerung)
kann die Signalverarbeitung mit einer Störungsmeldung reagieren. Für den Fall
der totalen Dunkelheit oder zu wenig Licht für die Funktion des Bildaufnehmers,
z.B. bei Betrieb in Kellern oder in der Nacht, wird bei Streulichtrauchmeldern
eine gezielt gesteuerte Lichtquelle betrieben. Im Fall der Dunkelheit
reicht diese Lichtquelle aus, Brandrauch zu beleuchten, so dass
der Bildaufnehmer ein entsprechendes Bild erhält.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein
erstes Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Rauchmelders,
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2 eine
erste Konfiguration des erfindungsgemäßen Rauchs,
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3 eine
zweite Konfiguration des erfindungsgemäßen Rauchmelders,
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4 ein
Flussdiagramm über
die Auswertung der Bilder,
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5 eine
Bildauswertung durch Änderung in
der Ortsfrequenz,
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6 eine
Bildauswertung der Helligkeitsverteilung als ein Histogramm einer
Struktur mit nur zwei Helligkeitswerten,
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7 ein
Histogramm einer Struktur mit nur zwei Helligkeitswerten, wobei
eine Überlagerung
der Struktur mit Rauch vorliegt.
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Beschreibung
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Die Detektion von Rauch gilt heute
als eines der zuverlässigsten
Verfahren zur Brandfrüherkennung.
Zur Rauchdetektion werden überwiegend punktförmige Melder,
die nach dem Streulichtprinzip arbeiten, eingesetzt. Diese Melder
benutzen eine Messkammer mit labyrinthförmigen Raucheintrittsöffnungen,
um den Einfluss des Umgebungslichts bei der Messung der sehr kleinen
Messsignale auszuschließen.
Der prinzipielle Aufbau eines Labyrinths als Messkammer weist dabei
den Nachteil auf, dass kleine Insekten oder aber in die Messkammer
eingedrungener Staub als Täuschungsgröße auftreten können. Darüber hinaus
muss die Messkammer einen gewissen Abstand von der Decke als Anbringungsort
haben, damit Rauch in die Messkammer eindringen kann. Dies führt zu Geräten, die
sichtbar an der Decke angebracht sind, was in Umgebungen mit ästhetischem
Anspruch oftmals nicht gewünscht ist.
Es sind jedoch auch Freilichtmelder bekannt, die eine offene Anordnung
der Strahlengänge
unter Verzicht auf eine umgebende Messkammer aufweisen. Man erhält damit
ein Gerät,
das sich unauffällig
in die Umgebung integriert, womit die Forderung nach einem ästhetischen
Anspruch, insbesondere in repräsentativen
Umgebungen, erfüllt
ist. Der Vorteil des deckenbündigen
Einbaus wird erkauft mit dem nunmehr ungestörten Einfluss von Umgebungslicht
aufgrund des Wegfalls der optischen Messkammer. Der Einfluss von
Licht wird durch elektrische Filterung, die zwischen dem Fremdlicht
und dem selbst ausgesendeten Licht zur Messung der Rauchstreuung
unterscheidet, unterdrückt.
Die elektronische Filterung bedeutet jedoch einen relativ hohen
elektronischen Aufwand, und für
eine hohe Wirkung des Filters muss für einen Brandmelder relativ
viel Energie aufgebracht werden. Weiterhin ist Überwachung der Oberfläche eines
solchen Melders gegen starke Verschmutzung oder Überstreichen mit Farbe nicht
ohne zusätzliche
Verfahren möglich.
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Erfindungsgemäß wird daher ein Rauchmelder
mit einem Bildaufnehmer und einer Lichtquelle vorgeschlagen, die
diese Nachteile vermeidet. Aufgrund der Halbleiterentwicklung sind
CMOS-Bildaufnehmer verfügbar,
die eine digitale Bildinformation abgegeben, die von einem Bildverarbeitungsprozessor
weiterverarbeitet werden kann. Sowohl der Bildaufnehmer, als auch
der Prozessor sind in miniaturisierter Form verfügbar, so dass eine solche Anordnung
ohne Weiteres in ein Meldergehäuse
unterzubringen ist. Ein solcher Bildaufnehmer ist in weiten Bereichen
seiner Belichtungszeit steuerbar, so dass er unter unterschiedlichsten
Helligkeitsbedingungen arbeiten kann. Es sind Typen von Bildaufnehmern bekannt,
die darüber
hinaus über
einen extremen Dynamikbereich von über 120 dB der Helligkeitsinformation
verfügen
und somit auch in Umgebungen mit sehr hohem Kontrastumfang arbeiten
können.
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Die prinzipiellen Vorteile der Erfindung
sind daher
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- – Unempfindlichkeit
gegen Fremdlicht
- – Erkennen
der Verschmutzung und Verstaubung aus dem Bildinhalt
- – Unterscheidung
zwischen Insekten, Gegenständen
und Rauch mittels der Bildauswertung
- – Detektion
von Rauch in einem sinnvollen Abstand von der Decke durch Wahl eines
geeigneten Schärfepunktes
- – Erkennen
von Abdeckungen oder Überstreichen mit
Farbe
- – Selbstüberwachung
durch Überwachung
des Bildsignals auf erwartete Bildinhalte
- – Nutzung
des hohen Informationsgehalts eines Bildaufnehmers
- – Nutzung
der signalverarbeitenden Verfahren der Bildanalyse.
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1 zeigt
in einem Blockschaltbild den erfindungsgemäßen Rauchmelder. Der Rauchmelder weist
als Optik ein Objektiv 101 auf, das einen Focus für einen
Bildaufnehmer 102 einstellt. Typischerweise wird hier der
Focus auf 10 cm eingestellt. Damit sind Hintergrundbilder im Vergleich
zu Bildern aus dieser nächsten
Umgebung verschwommen. Der Bildaufnehmer 102 überträgt das Bildsignal
an einen Mediaprozessor 103, beispielsweise an einen Analogeingang,
wobei der Mediaprozessor 103 dann mit einem eigenen Analogdigitalwandler
die Analogdigitalwandlung durchführt.
Alternativ ist es möglich, dass
der Mediaprozessor 103 das Bildsignal über einen Digitaleingang empfängt und
somit gleich weiter verarbeiten kann. Die Bildauswertung führt der
Mediaprozessor 103 mittels eines Speichers 104 durch, wobei
typische Bildauswerteralgorithmen verwendet werden. Der Mediaprozessor 103 sucht
dabei nach Rauchbildern, aber auch nach langsamen Veränderungen,
wobei der Mediaprozessor 103 dazu Referenzbilder verwendet.
Diese langsamen Veränderungen
weisen auf eine zunehmende Verschmutzung hin und können somit
zu einer Störmeldung
führen. Auch
Insekten oder andere Gegenstände,
die in den Detektionsbereich des Bildaufnehmers 102 gelangen,
können
durch die Bildauswertung durch den Prozessor 103 erkannt
werden. Bei einer solchen Störmeldung
oder bei einer Rauchmeldung wird über einen Ausgabebaustein 105 diese
Meldung abgesetzt. Diese Meldung kann dann direkt zu Signalmitteln
wie einer Sirene oder einer Leute übertragen werden, oder sie
kann zu einer Zentrale übertragen werden,
die dann in Abhängigkeit
von der Meldung Aktionen veranlasst.
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2 zeigt
eine erste Konfiguration des erfindungsgemäßen Rauchmelders. Der Rauchmelder ist
im Unterputz in einer Decke 208 untergebracht. Eine transparente
Abdeckung 204 schützt
das Innenleben des Rauchmelders. Die Abdeckung 204 ist transparent,
so dass eine Beobachtung durch den Rauchmelder der nächsten Umgebung
möglich
ist. Auf diese Abdeckung 204 kann ggf. auch verzichtet werden.
Wiederum ist eine Optik 201 zur Einstellung des Schärfebereichs 206 vorgesehen.
Hinter der Optik 201 ist der Bildaufnehmer 202 angeordnet,
um die Bilder im Schärfebereich 206 aufzunehmen.
Das Bildsignal wird zu einer elektronischen Signalverarbeitung 203,
typischerweise der Mediaprozessor 103, überragen. Dort findet dann
die Auswertung des Bildsignals statt. Die Elektronik 203 ist
weiterhin über einen
Ausgangs mit einer LED zur Beleuchtung 205 verbunden. Bei
einem zu schwachen Umgebungslicht 207 wird die LED durch
die Elektronik 203 aktiviert, um im Beobachtungsfeld, also
dem Schärfebereich 206,
eine ausreichende Beleuchtung bereitzustellen. Dafür wird hier üblicherweise
weißes
Licht verwendet. Es ist jedoch möglich,
die LED 205 auch als eine Infrarot-LED auszubilden, um
im unsichtbaren Infrarotbereich die Beleuchtung durchzuführen. Der
Bildaufnehmer 202 ist dann entsprechend zur Infrarotaufnahme
konfiguriert. Hier ist der Bildaufnehmer 202 und die Optik 201 schräg angeordnet,
wobei diese schräge
Anordnung rein mit praktischen Gründen der individuellen Anordnung
zu tun hat.
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3 zeigte
eine zweite Konfiguration des erfindungsgemäßen Rauchmelders. Wiederum
ist der Rauchmelder im Unterputz in einer Decke 306 mit
einer transparenten Abdeckung 305 untergebracht. Nun ist
jedoch eine Optik 301 mit dem Bildaufnehmer 302 senkrecht
nach unten gerichtete, wobei dann eine LED 304 zur Beleuchtung
schräg
angeordnet ist. Der Bildaufnehmer 302 ist wiederum mit einer
Elektronik mit Signalverarbeitung 303 verbunden, die die
Bildauswertung durchführt
und die LED 304 ansteuert. Wiederum wird die LED 304 in
Abhängigkeit
vom Umgebungslicht 307 durch die Elektronik 303 angesteuert.
Die Anordnung ist nunmehr senkrecht nach unten gerichtet, was einer
einfachen Montage und Fertigung des erfindungsgemäßen Rauchmelders
ermöglicht.
Anstatt einer LED 304 ist es auch möglich, mehrere LEDs einzusetzen.
Anstatt das Bildsignal des Bildaufnehmers 302 zur Helligkeitsüberwachung
aufzuwerten, ist es auch möglich, einen
Helligkeitssensor, beispielsweise eine Fotodiode, vorzusehen. Alternativ
ist es weiterhin möglich, dass
die Anordnung aus der Optik 301 und des Bildaufnehmers 302 schwenkbar
ist. Damit ist z.B. ein Scanning möglich. Dies kann dann durch
einen elektrischen Motor bewerkstelligt werden.
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4 zeigt
in einem Flussdiagramm den Ablauf der Bildauswertung im Prozessor 103 bzw.
der Elektronik 203 bzw. 303. Die Video- oder Bildsequenz 404 wird
zunächst
einer Änderungsdetektion 405 zugeführt, die
das aufgenommene Bild oder Videosequenz mit einem Referenzbild 402 vergleicht. Damit
kann festgestellt werden, ob eine Änderung vorliegt, oder nicht.
Die Texturanalyse 406 prüft Strukturen von Bereichen
im Bild. Mit der Struktur kann beispielsweise zwischen der Oberflächenstruktur
von Gegenständen,
die in den Sichtbereich eingebracht werden, oder der Struktur des
diffusen Hintergrunds oder der Struktur von Rauch unterschieden werden.
Sie hilft auch durch die Erkennung von Kanten und harten Strukturen,
Objektkonturen von Gegenständen
oder Insekten zu ermitteln. Mit Hilfe von Kanten erhält man die
Umrandung von Objekten und kann mit der Objektklassfikation 407 Rückschlüsse auf
die Art des Objektes ziehen. Liegt eine Änderung vor, kann die Änderung
dann identifiziert werden. Ist es beispielsweise eine schleichende Änderung,
so ist der Verdacht auf eine Verschmutzung gegeben. Auch können so
Insekten oder andere Gegenstände identifiziert
werden, die direkt im Schärfebereich
des Bildaufnehmers auftreten. Die Bewegungsanalyse 408 in
Verbindung mit der Objektklassifikation unterscheidet zwischen Bewegungen
von beispielsweise Insekten oder der Bewegung des vorbeiströmenden Rauches,
um eine Branddetektion durchzuführen.
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In Abhängigkeit von der Branddetektion 409 wird
ggf. eine Meldung 410 abgegeben. Weiterhin wird nach der
Branddetektion 409 ein Update der Referenzdaten 401 durchgeführ. Ändert sich
beispielsweise die Umgebung durch einen dauerhaft eingebrachten
Gegenstand im Schärfebereich,
dann ist dieser bei der weiteren Beobachtung zu berücksichtigen,
um die Grundfunktion des Rauchmelders das Erkennen von Rauch weiterhin
zu gewährleisten.
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In 5 wird
eine Bildauswertung durch Änderung
in der Ortsfrequenz dargestellt, und zwar in einem Diagramm. Durch
das Auftreten von Rauch werden im Bild vorhandene Kanten verschliffen
und damit gehen die hohen Ortfrequenzen verloren.
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6 zeigt
die Bildauswertung mit Nutzung Helligkeitsverteilung im Bild. Hier
wird zur Verdeutlichung des Effekts durch Rauch ein Histogramm einer Struktur
mit nur 2 Helligkeitswerten gezeigt.
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7 zeigt
die Überlagerung
der Struktur mit Rauch. Der Rauch überlagert sich der Bildstruktur und
fügt Grauwertanteile
hinzu. Dies führt
zu einer deutlichen Reduzierung der Häufigkeit der beiden vorher
alleinig vorhandenen Helligkeitswerte, durch die Grauwerte des Rauches
verschieben sich darüber
hinaus die Helligkeitswerte auf der x-Achse und die vorher sehr steilen Flanken
im Histogramm verschleifen sich. Dies demonstriert, wie einfach
die Rauchdetektion durch die Bildauswertung durchgeführt werden
kann.
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Bei Störung oder bei Einbringen von
Gegenständen,
die der Rauchmelder selbst als funktionsstörend empfindet, wie beispielsweise
einen großen Gegenstand,
der zu einem Verdecken des Rauchmelders führt, so dass der Schärfebereich
nicht mehr erfassbar ist, haben eine Störungsmeldung zur Folge. Diese
kann wiederum direkt ein Signalmittel, das optischer oder akustischer
Art ist, weitergegeben werden, oder an eine Zentral weitergeleitet
werden, um entsprechende Aktionen zu veranlassen.