自动远程通知烟雾报警器

摘要 - 房屋火灾可能对财产造成严重损害，甚至造成生命危险。虽然市场上可以很方便的买到复杂的火灾探测系统，但在家庭环境中使用独立的烟雾探测器作为火灾警报更为合适。独立的烟雾探测器在检测到烟雾时发出警报，能够很直接的通知到附近的所有人。不过这种烟雾探测器的一个主要缺点是它们不能与其他系统连接，因此在附近没有人存在的情况下，会导致不能及时的采取相关有效措施去减少火灾带来的危害。在本文中，我们提出一种可以向远程提供火灾报警通知的新型设备。我们设计使用现有的硬件，如计算机上的麦克风和扬声器，与普通独立的烟雾探测器相连接，使计算机代理人能够在发生火灾时向远程方发送通知。设计使用的系统原型已经通过利用现有的烟雾探测器和诸如Skype，Media Player和Excel等知名软件来开发。本文还介绍了其响应时间原型的评估。所提出的解决方案需要非常少的配置工作，并且不需要改变现有的烟雾探测器。

关键词 - 家庭自动化，快速应用开发，终端用户开发，环境智能

介绍

消防安全一直是几乎每个社会的一个重大问题。 发达国家有规定要求每个人安装消防安全和警告设备[1]，但是导致生命损失以及财务损失的火灾事故仍然常有发生。 例如，有500万人口的澳大利亚维多利亚州，在2013年发生了5000多次住宅火灾。

在大型商场等公共场合中，使用的是很复杂的烟雾报警系统，它们可以与洒水器甚至当地消防局相关联。而在家庭住宅中，烟雾探测器一般独立工作，不与其他系统发生任何关联。

烟雾探测器是家庭住宅防火的第一道防线。 在发生火灾时，这些烟雾探测器会发出响亮的声音，以警告住户有火灾危险。 显然，这种烟雾探测器的目的是在火灾发生的早期发出预警，以防止生命财产上更大的损失。

为了尽量减少损失，建立早期预警系统非常重要。在典型的火灾事件中，当乘客听到报警声音时，他们会撤离房舍，然后呼叫消防局。 或者听到警报的邻居呼叫消防局。

显然，这里的一大假设是有人会在那里听到警报，以通知消防局。烟雾探测器的这种设置只有当有人在场或附近的人听到警报声音，呼叫消防局时才起作用。

如果在家里没有人，甚至邻居都不在家，那么有人听到的警报的可能性会大大降低。 这不是一个不可能的设想，因为人们一天中大约8-10小时上班，远离住宅。 同样，在邻里几乎每个人都是在同样的时段工作，因此很有可能会离开他们的住宅。 在这样的情况下，如果房屋内发生火灾，房屋内没有人，周围的住宅里也没人，此时没有人呼叫消防局帮助，火灾预警也失去了它的意义。

此外，在房屋稀少的地方也有可能。如果距离500米以外的地方或是正在看电视的话，邻居很可能听不到警报的声音。另外当人们在暑假长时间外出去度假时，这种情况也可能发生。

在本文中，我们提出了一种可以处理这种情况的新型软件应用程序。为了开发这个应用程序，我们利用了可视化编程和基于模块的软件开发的概念来代替传统的编程软件。我们建议将这两种技术相结合，并利用现有的硬件和软件。通过这种方式，我们重新将现有软件中提供的一组功能，以及现在每个房屋中可用的常见传感器，例如麦克风，扬声器和与PC的互联网连接在一起。在下一节中，我们将讨论现有的火灾探测和通信技术方法及其局限性。在第三部分中，我们介绍了我们用于开发这种应用的技术的应用和细节。第四节介绍了原型及其评估。最后一部分总结了本文的成果摘要和一些未来的发展方向。

可能的方法及其局限性

如前所述，现有烟雾探测器在普通家庭住宅中的功能只是探测烟雾并发起警报。为了解决上述可能的情况，我们需要进一步扩展其能力，将警告传达给其他系统。为了将通知机制与火灾警报相结合，我们需要通过开发具有通讯能力的先进烟雾探测器的硬件，或者开发可独立于烟雾探测器工作的定制软件，检测报警声并执行通信。该解决方案可以是硬件或基于软件。在每种情况下，最新的发展都有一些限制。

1 先进的烟雾报警系统

文献显示，现在有许多类型的烟雾探测器。人们提出，在烟雾探测器中添加一个具有通信功能的芯片。大多数的建议只是设计这些设备或只是原型。这些设计是产品生产的重要初始步骤，但是从用户的角度来看，它们实用性并不高。无论这些产品可以在哪里买到，都有与之相关的问题。

首先，;考虑到在一个州或者一个城市更换烟雾探测器的话，安装这些设备的成本非常高。 虽然批量安装后个别单位的成本仅略高于简单的烟雾探测器，但是用新的警报系统替代现有警报系统的总体成本却显着提高。

其次，这些设备需要连接到其他系统，如智能家居系统或者紧急服务系统。一些研究人员提出，通过使用可与其他设备通信的烟雾探测器，可以在智能家居系统中实现火灾的检测与通信。另一项研究表明，在传感器网络设计的帮助下，可以同时兼顾整体家庭安全和无线烟雾探测 [4]。 为了实现这一点，我们需要一个完整的基础设施，可惜目前不存在这样的设施。

2 高级软件开发

实现类似结果的另一种的方法是独立于硬件开发，基于软件的解决方案。这种方案中，现有的烟雾报警系统将增加专门的软件，可以使用模拟声音，合成，识别报警声，然后使用TCP / IP通信协议将消息转发到外部世界，表明报警已被激活。

据我们所知，文献中没有这样的系统存在，虽然基于计算机视觉的软件系统是为火灾探测开发的。例如，不同的科研人员已经集中在研究基于图像的火灾探测技术[7-10]，然而他们没有人提到将信息转发到其他系统的机制。同样，基于视频分析的火灾探测技术虽然早就公布出来 [11-14]。但这些技术的主要问题是它们是基于视觉的算法，并且主要应用于建筑之外的野外的火灾。

基于视觉的火灾探测技术，第一个问题是他们的入侵。在建筑物的内部设置摄像机是侵犯个人隐私的。 即使相机没有保存人类活动的记录，但仍然有可能记录人类活动。 其次，相机具有自己的视野，因此为了覆盖整个建筑物我们需要设置多个摄像机，然后监视其中的每个摄像机以进行早期火灾探测。 这样对封闭区域的连续监测将需要更强大的处理能力。

不存在用于检测和通信的软件解决方案的另一个原因是如果开发出可以通过现有电话网络进行检测和通信的软件，那我们需要将系统与接口进行通话，或者利用一些VoIP服务提供商的API。在前一种情况下，需要额外的硬件，这在房子中通常不可用，在后一种情况下，软件将被专有服务提供商固定。

建议的火灾检测和通信系统

为了将事件发生时通知某人的过程自动化，我们首先需要考察人类过程的主要内容。 稍后我们将讨论这个基于人类的流程如何自动化以及自动化解决方案中所需的要素。

1 以人为主的沟通过程

如前所述，如果发生火灾事件，则需要存在要素以便将事件通知相关人员或紧急服务。

a）一个工作中的烟雾探测器

b）附近有人

c）通信介质（例如移动电话）

d）紧急联络号码

引入部分中提到的情况只发生在上述列表中的第二个元素，即“人”在发生火灾时不在附近。 如果来自上面列表的所有元素都存在，并且人类被替换为计算机代理，那么我们可以自动执行人类在火灾中发生的任务。 以下是人类执行任务的顺序。

A）听烟雾报警的刺耳声音

B）确定来自哪里。

C）如果来自自己的房屋，则撤离该处所，然后拨打火警电话。

D）如果人是在场所外并且不属于该场所，则有两种可能性

a）他/她是识别出警报声源的人的邻居。 在这种情况下，他/她可以通过他们的移动通知相关人员，告知已经有人前来处理火情。

b）他/她不是邻居。 在这种情况下，拨打火警电话将是唯一的行动。当拨打火警电话时，该人员将需要识别他/她自己，解释问题的类型，并给出事件的地址。如果邻居打电话给另一个邻居，他需要识别他，解释说火情已经处理了。

下面的小节讨论了通过计算机重复这个人类过程所需要的元素以及详细的代理过程。图1给出了基于计算机代理的火灾通知系统的模型。为了使用根据模块定义的元素来开发解决方案，我们简要解释了基于模块的软件开发。

图1.基于计算机代理的火灾事故通知系统

火

留言中继服务器

网络

路由器

电脑处理器

烟雾

警报声

2 基于模块的软件开发

基于面向组件的编程，基于模块的软件开发为用户提供了一组像组件具有明确接口，能够彼此连接起来的模块。它提供了乐高型视觉模块来组合不同的功能[15]。 基于模块的开发允许用户以模块的形式成功集成可用的不同功能，而开发人员的工作就是创建新的功能模块。基于模块的用户开发环境的一些示例是SCRATCH，TweetDeck，Alice等。

这些环境的主要限制是它们的数量有限。为了创建新的应用程序，用户必须使用环境中可用的功能。 这些环境的开发人员有责任增加用户的功能集。

此外，在这种环境中开发的应用程序只能孤立工作，因为它们没有与其他现有软件集成的机制。在现实世界中，如果开发有意义的应用程序，大多数时候，它适用于已经在目标域中运行的其他应用程序。因此，使用基于模块的环境开发的任何应用程序都应该能够与其他软件一起工作。

例如，我们可以有一个基于模块的环境，具有不同的通信模块，如电子邮件模块，电话模块，短信模块等。我们假设在最终用户域中需要以下列优先级联系他们的客户：电话，短信，然后电子邮件。 在客户信息存放于Excel电子表格中时， 基于模块的环境应该能够连接到excel以获取联系人详细信息; 否则只有消息中继服务器能够通信的话，显然工作成效不好。

3 所需人机可互换模块

从人类主导的过程中，我们确定了哪些任务需要自动化，然后解释了等效的软件模块。图2给出了所需要软件模块及其用途的概念模型

联系人列表

A 可视化模块

显然，首先是识别烟雾报警器的能力。 从人的角度来看，这种认知是通过听声音来辨别。 从计算机的角度来看，我们需要通过采样将该模拟声音转换为数字声音，这里有两种选择

1）合成报警声：将其与现有的报警声样品进行比较。

2）可视化报警声：识别是否匹配现有的烟雾报警器的视觉图像。

如果选择第二个做法，我们可以找到大量现有的软件应用程序，比如使用家用PC附带的普通麦克风作为输入，并显示该输入声音的可视化。 有一个叫做Magic的软件具有这种功能。 当配置将输入声音可视化成一组条状图时，该软件可以用作所需系统的一个模块。

B识别模块

现在第二个也是最重要的一个方面开始工作。当我们想检测报警是否发出声音时，我们使用Sikuli来定义软件应用级别触发器“报警检测”。 Sikuli允许我们比较多个事件的屏幕的特定部分[16]。例如，它可以检查屏幕上是否存在某个图像，或者屏幕的某一部分是否已更改。在我们的例子中，我们只是检查声像器的应用程序窗口是否在屏幕上显示更高级别的条状图。 该触发器，如图1所示。 这个软件行为完全像一个人听到的烟雾报警声，现在已经准备采取适当的行动了。

C 通信模块

在通信块中，像人的交互一样，计算机代理必须联系某人通知有一个火灾警报。 这可以在Skype的帮助下轻松完成。如图4所示。Skype可以用来拨打任何陆线或手机号码。 这个Skype软件是我们解决方案的重要模块

D 联系人模块

通信中的一个重要部分是知道计算机代理应该向谁打电话，以及应该接收哪些消息。 我们将Excel作为系统中的另一个软件模块添加。 此Excel文件中的联系人就是发生火灾后需要通知的。

E 消息模块

该系统中的最后一个软件模块是Windows Media Player。 因为媒体分页器可以播放任何音频文件，因此如果我们在音频文件中记录适当的消息，并且每当从Excel中的联系人中选取一个呼叫时，播放它，则该消息将被有效地传递给预期的人或紧急服务。

原型应用与评估

原型应用

在软件模块的帮助下，我们开发了提出应用的原型。每个模块的操作是简单易懂，例如如何在Media Player应用程序中播放音频文件，或者如何通过Skype进行电话通话。但是这些模块的如何系统的工作则需要进一步解释。

首先，所有的软件模块都在PC上运行，每个软件模块都加载正确的文件。例如运行Excel并打开“紧急联系人”文件。运行媒体播放器，并加载具有预录消息的音频文件。运行Skype并登录，使其准备好用于拨打电话。类似地，麦克风连接到计算机，并且Magic软件模块被配置为可视化音频输入 。

一旦所有的模块都处于初始状态并准备使用，我们开始对屏幕的一部分进行连续的比较，以便音频被可视化。 它涉及可视化模块和识别模块。 当在实时可视化与录像报警声的可视化之间找到匹配时，表示检测到警报声。此时通信模块将紧急联系人的详细信息从Excel复制到Skype并拨打电话。 一旦呼叫成功，消息模块开始播放预先录制的音频消息。

原型评估

为了评估原型应用的有效性，我们在受控环境中进行了实验。 我们使用了不同制造商生产的3个烟雾探测器。 这些独立的烟雾探测器，安装在3个不同的房子。在每个房子里，实验在不同的位置重复5次。 表一显示了本实验的结果。

通过使用烟雾探测器设备的“测试按钮”启动报警声来进行实验。记录每次实验重复的原型应用的响应时间。通过观察在烟雾探测器上按下“测试按钮”的实例与在手机上接收到呼叫的实例之间的时间差计算响应时间。用两个不同的麦克风重复整个实验，以最小化麦克风质量对实验的影响。

实验结果表明，应用需要每个烟雾探测器的配置，但一旦配置完成，应用响应时间不会超过3秒。 虽然所有的烟雾报警都发出了符合标准的3100H

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