asesor: josé fernando valencia murillo, doctor (phd) en
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Sistema electrónico de alarma y control de incendio para cubiertas de material orgánico seco
Andrés Felipe Jiménez Caro, [email protected]
José Luis Jaramillo Arias, [email protected]
Trabajo de Grado presentado para optar al título de Ingeniero Electrónico
Asesor: José Fernando Valencia Murillo, Doctor (PhD) en Ingeniería
Universidad de San Buenaventura Colombia
Facultad de Ingeniería
Ingeniería Electrónica
Santiago de Cali, Colombia
2017
Citar/How to cite [1]
Referencia/Reference
Estilo/Style:
IEEE (2014)
[1] A. F. Jiménez Caro y J. L. Jaramillo Arias, “Sistema electrónico de alarma y
control de incendio para cubiertas de material orgánico seco”, Trabajo de grado,
Ingeniería Electrónica, Universidad de San Buenaventura Cali, Facultad de
Ingeniería, 2017.
Co-asesor, Mg. Ing. Oscar Casas García.
Jurado, Mg. Ing. Carlos Mauricio Betancur Vargas.
Jurado, Dr. Ing. Vladimir Trujillo Olaya.
Bibliotecas Universidad de San Buenaventura
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Gracias a Dios y la Virgen por darme la sabiduría y la fortaleza para cumplir esta meta, a mis
padres y toda mi familia que hicieron posible este proceso de formación y siempre creyeron en
mí. A mi compañero Jose, a nuestro director de proyecto de grado Mg. Ing. Oscar Casas, a todos
los docentes y amigos que nos han brindado su apoyo a lo largo de la carrera.
Felipe.
Agradezco a Dios por regalarme la vida y los medios para culminar este logro, a mis padres por
guiarme y acompañarme durante todo este proceso, a nuestros docentes por regalarnos sus
conocimientos, a mi compañero Felipe por su excelente trabajo en equipo, a nuestro director de
trabajo de grado Oscar Casas y a mis familiares y amigos que participaron de este maravilloso
proceso de formación.
Jose Jaramillo.
TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN ..................................................................................................................................... 11
I. INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................... 13
A. Objetivos ............................................................................................................................... 14
1) Objetivo general.................................................................................................................. 14
2) Objetivos específicos .......................................................................................................... 14
B. Contribución .......................................................................................................................... 15
C. Organización del libro ........................................................................................................... 16
II. SISTEMAS DE DETECCIÓN Y CONTROL DE INCENDIOS ............................................. 18
A. Detectores de incendios ......................................................................................................... 18
1) Detectores de humo ............................................................................................................ 19
2) Detectores de llama............................................................................................................. 20
3) Detectores de calor ............................................................................................................. 20
B. Rociador automático (Sprinkler) ........................................................................................... 21
1) Sistema húmedo .................................................................................................................. 22
2) Sistema seco ....................................................................................................................... 22
3) Sistema diluvio ................................................................................................................... 22
C. Detección de fuego basado en imágenes o video .................................................................. 23
D. Motivación de un sistema de detección y control de incendio usando cámara web, mini-
computadora (SBC) y un sistema diluvio .................................................................................. 31
III. DISEÑO DEL SISTEMA DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO ............................. 32
A. Consideraciones generales..................................................................................................... 32
B. Diseño de hardware ............................................................................................................... 34
1) Estación de ingeniería ......................................................................................................... 34
2) Sistema extintor .................................................................................................................. 35
a) Válvula solenoide (Electroválvula) ................................................................................ 36
b) Tuberías galvanizadas y rociador abierto....................................................................... 37
3) Detector .............................................................................................................................. 38
4) Bocina (Buzzer) .................................................................................................................. 39
5) Sección de potencia ............................................................................................................ 40
C. Diseño de software ................................................................................................................ 43
1) Ambiente de programación................................................................................................. 44
a) Lenguaje de programación: Python................................................................................ 44
b) OpenCV ......................................................................................................................... 45
2) Adquisición de imagen ....................................................................................................... 46
3) Extracción de pixeles .......................................................................................................... 46
4) Clasificación de pixeles como fuego .................................................................................. 47
5) GUI Interfaz gráfica de usuario .......................................................................................... 52
IV. IMPLEMENTACIÓN .............................................................................................................. 54
A. Implementación de la estación de ingeniería ........................................................................ 54
B. Implementación de la interfaz gráfica de usuario .................................................................. 58
V. PRUEBAS Y RESULTADOS .................................................................................................. 65
A. Estructura a escala ................................................................................................................. 65
B. Resultados .............................................................................................................................. 69
1) Análisis ROC ...................................................................................................................... 70
VI. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO ........................................................................... 74
A. Conclusiones ......................................................................................................................... 74
B. Trabajo futuro ........................................................................................................................ 75
REFERENCIAS ............................................................................................................................. 77
ANEXOS ........................................................................................................................................ 80
LISTA DE TABLAS
Tabla I. Siete reglas para reconocimiento de fuego ....................................................................... 24
Tabla II. Aplicaciones de detección de fuego con cámara ............................................................ 30
Tabla III. Especificaciones de la raspberry pi 3 ............................................................................. 34
Tabla IV. Descripción válvula solenoide ....................................................................................... 36
Tabla V. Especificaciones de la cámara web ................................................................................. 38
Tabla VI. Descripción bocina piezoeléctrica ................................................................................. 39
Tabla VII. Cuatro reglas para reconocimiento de fuego ................................................................ 48
Tabla VIII. Desempeño del algoritmo del sistema ......................................................................... 72
Tabla IX. Comparación con otros modelos de detección ............................................................... 72
LISTA DE FIGURAS
Fig. 1. Tiempo y estado de incendio en que actúa cada detector. .................................................. 19
Fig. 2. Diagrama de un detector de humo fotoeléctrico. ............................................................... 20
Fig. 3. Funcionamiento convencional de un rociador automático con fusible. .............................. 21
Fig. 4. Histograma de los canales R, G y B por separado de la región de fuego segmentada
manualmente. ................................................................................................................................. 25
Fig. 5. Comparación de dos modelos de color (a) RGB (b) YCbCr. ............................................. 26
Fig. 6. Demostración de segmentación de fuego en una video secuencia...................................... 27
Fig. 7. Diagrama de flujo para la detección de movimiento. ......................................................... 28
Fig. 8. Detección de fuego usando detección de movimiento. ....................................................... 28
Fig. 9. Diseño final del sistema de alarma y control de fuego. ...................................................... 33
Fig. 10. Raspberry Pi 3, Model B. .................................................................................................. 35
Fig. 11. Válvula solenoide de 2 vías gama baja. ............................................................................ 37
Fig. 12. Rociador abierto y reducción. ........................................................................................... 37
Fig. 13. Cámara. ............................................................................................................................. 39
Fig. 14. Bocina piezoeléctrica. ....................................................................................................... 40
Fig. 15. Relé implementado. .......................................................................................................... 40
Fig. 16. Conector GPIO de la Raspberry Pi 3. ............................................................................... 41
Fig. 17. Esquemático del circuito de potencia................................................................................ 42
Fig. 18. Plaqueta diseñada del circuito de potencia. ...................................................................... 42
Fig. 19. Circuito de potencia implementado. ................................................................................. 43
Fig. 20. Esquema general del proyecto. ......................................................................................... 43
Fig. 21. Resultado de la función cv2.blur (). .................................................................................. 45
Fig. 22. Diagrama de flujo para sacar el vector de color de cada pixel. ........................................ 47
Fig. 23. Diagrama de flujo final para la extracción y clasificación de pixeles. ............................. 49
Fig. 24. Diagrama de flujo para la verificación de las 4 reglas. ..................................................... 50
Fig. 25. Número de pixeles detectados en imágenes de prueba. .................................................... 51
Fig. 26. Modelo de la GUI implementada. ..................................................................................... 52
Fig. 27. Diagrama de bloques del dispositivo central. ................................................................... 54
Fig. 28. Vista al interior. ................................................................................................................ 55
Fig. 29. Vista lateral izquierda. ...................................................................................................... 56
Fig. 30. Vista lateral derecha .......................................................................................................... 57
Fig. 31. Vista trasera. ..................................................................................................................... 58
Fig. 32. Interfaz gráfica implementada usando tkinter. .................................................................. 59
Fig. 33. Objetos externos en la cubierta con la detección desactivada. ......................................... 60
Fig. 34. Inicio de la detección en la GUI........................................................................................ 61
Fig. 35. Objetos externos en la cubierta con la detección activada. ............................................... 62
Fig. 36. Alarma de incendio en la GUI. ......................................................................................... 63
Fig. 37. Salir de la interfaz gráfica. ................................................................................................ 64
Fig. 38. Dimensiones de la estructura. ........................................................................................... 65
Fig. 39. Dimensiones de las tuberías galvanizadas. ....................................................................... 66
Fig. 40. Altura de la cámara. .......................................................................................................... 67
Fig. 41. Montaje real del sistema electrónico listo para pruebas. .................................................. 68
Fig. 42. Matriz de confusión. ......................................................................................................... 71
Fig. 43. Métricas de la matriz de confusión. .................................................................................. 71
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 9
GLOSARIO
CÁMARA CMOS: la cámara CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) es un
dispositivo compuesto por sensores de imagen que utilizan semiconductores fotosensibles. En estos
sensores la digitalización se realiza pixel a pixel dentro del mismo sensor.
COMBUSTIÓN: reacción química que se produce entre el oxígeno y un material oxidable, que
va acompañada de liberación de energía y comúnmente se manifiesta por incandescencia o llama.
ESPACIO DE COLOR: representa el sub-modelo del modelo de cualquier color, es decir, un
arreglo especifico de los colores en una imagen o video. Depende del modelo color y de los
dispositivos físicos que permiten las representaciones de los colores.
MATERIA ORGÁNICA: se forma a partir de residuos de procedencia animal o vegetal, es decir,
la materia elaborada por compuestos orgánicos que provienen de los restos de organismos que
alguna vez estuvieron vivos.
MODELO DE COLOR: es un modelo matemático ideal que permite representar los colores en
forma numérica, es decir, asocia a un vector generalmente de tres o cuatro valores un elemento en
un espacio de color. Existen diferentes modelos de colores como RGB, CMYK, HSL, HSV, etc.
PIXEL: es la menor unidad o unidad básica en color que forma parte de una imagen digitalizada.
RELÉ: dispositivo electromagnético que, excitado por una corriente eléctrica débil, abre o cierra
un circuito que disipa una mayor potencia que el circuito estimulador.
RESOLUCIÓN: la resolución en una imagen es la precisión del detalle que puede observarse en
esta. Se describe la resolución de una imagen digital con dos números enteros: ancho (cantidad de
columnas de pixeles) x alto (cantidad de filas de pixeles).
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 10
RGB: es un modelo de color con el que es posible representar colores mediante la suma de los tres
colores primarios: Rojo (Red), Verde (Green) y Azul (Blue); comúnmente cada color primario es
codificado en 8 bits (un byte).
SBC: ordenador de placa reducida (en inglés: Single Board Computer) es una mini computadora
en un solo circuito. Conformada por un microprocesador, memoria RAM, puertos de E/S y todas
las demás características de un computador funcional.
SEGMENTACIÓN: en el campo de la visión artificial es simplificar la representación de una
imagen en otra más significativa y fácil de analizar. Se utiliza para localizar objetos o
encontrar los límites de estos dentro de una imagen.
VÁLVULA SOLENOIDE: es una electroválvula que controla su cierre o apertura según los
impulsos electromagnéticos generados en un solenoide (electroimán). Cuando el solenoide se
desactiva la válvula vuelve a su posición normal. Pueden trabajar con corriente continua (DC) o
corriente altera (AC).
YCbCr: es un espacio de color que representa la componente luma y las componentes de
crominancia diferencia de azul y diferencia rojo. Es una forma de codificar información RGB, por
lo tanto, un valor de YCbCr solo se puede predecir si se usan los colores del estándar RGB.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 11
RESUMEN
En este proyecto se propone una solución para contrarrestar incendios en cubiertas construidas con
material orgánico seco, reemplazando los sensores de humo, temperatura y llama por una solución
con video cámara. Para tal efecto se implementó un modelo a escala de una estructura cubierta por
material orgánico seco, en donde se advierte la presencia de un incendio que es capturado por una
cámara y analizado por una estación de ingeniería. Como estación de ingeniería se cuenta con una
Raspberry Pi 3, en donde se evalúan una serie de reglas basadas en los componentes de color RGB
y YCbCr de las imágenes capturadas por la cámara para la clasificación de pixeles de fuego;
posteriormente, se ejecutan las acciones de control según criterios de diseño. Para controlar el
incendio se cuenta con una electroválvula que es accionada mediante una señal de control emitida
desde la estación de ingeniería, dando paso al caudal de agua mediante una tubería que finalmente
riega la cubierta por medio de un aspersor.
Se evalúa la respuesta del dispositivo ante situaciones de incendio reales mediante una serie de
pruebas que ayudan a determinar qué tan exacto, preciso y sensible es en su conjunto.
El dispositivo diseñado tiene un porcentaje del 98% de detección de fuego y un 12% de falsas
alarmas, cumpliendo satisfactoriamente con el funcionamiento deseado, ya que detecta, notifica y
controla la presencia de un incendio que se presente en una cubierta de material orgánico seco,
minimizando así las pérdidas que se puedan presentar ante una situación de catástrofe, donde el
autor principal sea el fuego.
Palabras clave: Fuego, Control de Incendio, Python, OpenCV, Raspberry, RGB, Dispositivo
electrónico.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 12
ABSTRACT
This project proposes a solution to counteract fires in decks made of dry organic material, replacing
smoke, temperature and flame sensors with a video camera solution. For this purpose a scale model
of a structure covered by dry organic material was implemented, where the presence of a fire is
detected that is captured by a camera and analyzed by an engineering station. As an engineering
station there is a Raspberry Pi 3, which evaluates a series of rules based on the RGB and YCbCr
color components of the images captured by the camera for the classification of fire pixels;
Subsequently, control actions are executed according to design criteria. To control the fire, there is
an electrovalve that is operated by a control signal emitted from the engineering station, giving
way to the water flow through a pipe that finally irrigates the cover by means of a sprinkler.
The device's response to real fire situations is evaluated through a series of tests that help determine
just how accurate, precise, and sensitive it is overall.
The designed device has a percentage of 98% of fire detection and 12% of false alarms, fulfilling
satisfactorily with the desired operation, since it detects, notifies and controls the presence of a fire
that is present in a cover of dry organic material, Thus minimizing the losses that may occur in the
event of catastrophe, where the main author is the fire.
Keywords: Fire, Fire Control, Python, OpenCV, Raspberry, RGB, Electronic device.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 13
I. INTRODUCCIÓN
Los incendios son uno de los desastres más devastadores que ha afectado al hombre a lo largo de
la historia y se ha convertido en una cuestión importante, que se enfrenta en la actualidad, la forma
de prevenir que la vida de las personas y el bienestar de la sociedad se vean afectados ante el daño
causado por este [1].
La arquitectura sostenible es una modalidad de construcción que busca minimizar el impacto que
pueda tener una edificación en un ecosistema, por tal razón encontramos gran cantidad de casas
construidas a base de paja, adobe, piedra, barro y madera en países como Estados Unidos, España,
Francia, Japón, Alemania e Inglaterra; poblaciones enteras como es el caso de Japón, en donde la
aldea Shirakawa-go está conformada en su totalidad por edificaciones hechas con balas de paja,
que en el caso de toparse con una situación de incendio, es necesario contar con una medida de
control para el fuego no deseado, y así evitar una catástrofe [2].
En Colombia, es común ver cubiertas de material orgánico seco, ya sea por su practicidad y/o por
su bajo precio, que están expuestas a una situación de total pérdida si son alcanzadas por el fuego.
El origen del fuego puede ser natural o antrópico, el cual se propaga de una forma incontrolable
consumiendo toda fuente de materia viva o muerta, por tal razón es necesario tomar medidas de
prevención y extinción [3].
A principios del 2015, en la Universidad de San Buenaventura Cali se incendió una cubierta de
este tipo. Según el Arquitecto Carlos Villegas, administrador de recursos físicos, el quiosco tardó
aproximadamente 3 o 4 minutos en encenderse por completo y con la magnitud del incidente, los
extintores que se tenían, solo alcanzaron para evitar el consumo de la zona verde que rodeaba la
estructura e impedir que el fuego llegara más lejos. Esta universidad cuenta con dos estructuras
más cubiertas por un techo con las mismas características que están expuestas a una situación de
riesgo similar.
Conociendo el devastador impacto de un incendio, la cantidad de estructuras que cuentan con una
cubierta elaborada con materiales orgánicos y los antecedentes sucedidos en la universidad de San
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 14
Buenaventura, se plantea una pregunta para lograr dar solución a múltiples situaciones en las que
el agente principal es el fuego sin control, expuesta a continuación. ¿Cómo diseñar e implementar
un sistema electrónico que permita alarmar y controlar un incendio en una cubierta hecha a partir
de materia orgánica seca?
A. Objetivos
1) Objetivo general
Implementar un prototipo de dispositivo electrónico que alarme y controle incendios en cubiertas
construidas con material orgánico seco.
2) Objetivos específicos
Construir el estado del arte en la implementación de sistemas de alarma contra incendios y
en las múltiples formas de controlar un incendio en cubiertas construidas con material
orgánico seco.
Analizar los posibles modelos de detección, control y notificación de incendios.
Explorar opciones de sistemas de alarma existentes en el mercado y cuál sería el
diferenciador.
Diseñar e implementar un dispositivo electrónico que detecte, notifique y controle la
presencia de un incendio en una cubierta construida con material orgánico seco.
Validar el dispositivo electrónico diseñado e implementado.
Sustentar los resultados obtenidos del proyecto de investigación, además reflejarlos en un
artículo para su publicación en una revista académica.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 15
B. Contribución
Factores como la dificultad de precisar las causas de un incendio, alta probabilidad de que ocurra
uno en las condiciones óptimas y la falta de predicción de un incidente de este tipo de manera
oportuna, hacen de un incendio un fenómeno de combustión no controlado que deja significativos
daños y pérdidas. Por lo tanto, identificar con precisión, alertar oportunamente y controlar de
manera rápida las primeras manifestaciones de un incendio son de vital importancia [4].
Árboles de gran tamaño, vegetación doméstica, fuentes hídricas y varias especies de animales, son
el contexto en el cual se insertan estas edificaciones con el fin de crear espacios muy agradables y
cercanos a la naturaleza. Aparte de esto, la construcción de edificaciones con materiales orgánicos
secos amigables con el medio ambiente, es una propuesta de responsabilidad ambiental que se
plantea con el fin de minimizar el impacto en el mismo.
En el infortunio de un incendio en una de estas cubiertas, debido a la falta de un apropiado sistema
de control para contrarrestarlo, se vería implicado todo este ecosistema, puesto que no solo las
estructuras incendiadas y destruidas por las llamas afectarían el medio ambiente, sino que también
se vería afectado por los sedimentos y desechos generados por la combustión, los cuales
terminarían alojados en las fuentes hídricas, el aire y lugares aledaños, desencadenando una
problemática de mayor impacto y riesgo.
Por ende, la implementación de un sistema electrónico de alarma y control de incendio para
cubiertas de material orgánico seco ofrece un conjunto de beneficios descritos a continuación:
Económico, ya que el uso de este sistema puede salvaguardar y proteger las estructuras y
la vidas de las personas y animales que se encuentren no solo bajo dicha cubierta, sino
también a su alrededor. Por otra parte, los insumos empleados en este sistema, no son de
costo elevado.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 16
Ambientalmente, se observa el impacto en la medida en que la contaminación emitida por
el sistema durante su correcto funcionamiento es nula, esto hace de este sistema, una
solución óptima, confiable y amigable con el medio ambiente.
Tecnológicamente, es un sistema que logra reunir y acoplar diversas tecnologías, generando
una versatilidad de funcionamiento cuando se pone en marcha. Como consecuencia de esto,
el sistema es escalable ya que fácilmente se pueden anexar dispositivos y periféricos que
cumplan con la misma función de los presentes o agreguen cualidades nuevas; robusto,
pues responde bien a ruidos o perturbaciones que pueda presentar; y adaptable a diversos
espacios mediante una configuración sencilla de los parámetros del sensado.
C. Organización del libro
El Capítulo 2 se centra en dar a conocer los diferentes sistemas de detección y control de incendios
existentes, definiendo los diferentes mecanismos y tecnologías que se pueden usar en el propósito
de extinguir un incendio. También se plantea la motivación del proyecto.
En el Capítulo 3 se presenta el diseño final de un sistema de alarma y control de incendio, las
características y referencias de los dispositivos empleados para la realización del sistema. En él, se
detalla minuciosamente cada dispositivo y tecnología que se empleará en el desarrollo del sistema
electrónico.
En el Capítulo 4 se expone el diseño de hardware y software basado en los criterios que se tomaron
en el anterior capítulo. Se desglosan con un alto nivel de detalle todas las consideraciones y criterios
necesarios para el correcto funcionamiento del sistema. Se explica claramente cómo se hace el
análisis de las imágenes, la clasificación de un incendio y el uso de cada dispositivo electrónico.
El Capítulo 5 comprende la implementación física del proyecto, haciendo uso del diseño y el marco
teórico descritos en los capítulos anteriores. En este capítulo, se encuentra expresado en detalle la
ubicación y uso definitivo de cada dispositivo empleado; también se muestra la presentación final
del dispositivo electrónico y la explicación de la funcionalidad de la interfaz gráfica diseñada para
la interacción del usuario con el sistema.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 17
En el Capítulo 6 se presentan las pruebas realizadas en una estructura construida a escala y se generan
los resultados que dan muestra del comportamiento del dispositivo final. También se evalúan dichos
resultados y se aplica un proceso de depuración en el cual se reconocen las falencias y posteriormente
se corrigen logrando mayor robustez en el sistema.
Finalmente, en el capítulo 7 se exponen las conclusiones del proyecto realizado y las sugerencias
para trabajos futuros.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 18
II. SISTEMAS DE DETECCIÓN Y CONTROL DE INCENDIOS
En este capítulo, se presenta un estado del arte en la implementación de sistemas de alarma y
control ante incendios, se centra en describir los dispositivos de detección y extinción más comunes
y las tecnologías detrás de ellos. Por último se muestran las tecnologías elegidas para la elaboración
del prototipo final y el porqué de estas.
Los sistemas de detección y control de incendios son unos de los componentes más importantes
dentro de los sistemas de vigilancia en edificios, casas, departamentos, recintos, entre otros; porque
cumplen la función de un indicador de alerta temprana de inicio de fuego logrando así la extinción
de este. A lo largo de los años, una gran cantidad de tecnologías y diferentes metodologías se han
aplicado en estos sistemas, donde cada una de ellas ofrece su propio conjunto de robustez y
debilidades [5].
La NFPA (National Fire Protection Association) es una asociación dedicada a proteger vidas y
bienes de los devastadores efectos de los incendios y otros peligros. Desde 1896, la NFPA se ha
encargado de brindar apoyo para la prevención de incendios y salvaguardar la vida de los seres
humanos mediante numerosos códigos y normas que gobiernan la industria. En sus códigos y
normas se encuentran descritos detalladamente los pasos, cálculos, restricciones, dispositivos y
procedimientos que se deben tener en cuenta a la hora de implementar un sistema de riego para la
extinción de un incendio [6].
A. Detectores de incendios
Un aspecto clave en la protección contra incendios es identificar una emergencia de fuego en
desarrollo, en el momento oportuno, para alertar a los ocupantes del edificio y los encargados de
emergencia de incendio. Este es el papel de los detectores de incendio que se utilizan a menudo en
las edificaciones, tales como detectores de calor, detectores humo, detectores de energía radiante
por la llama, etc. [7]. Cada uno de estos detectores tiene un tiempo de respuesta diferente de acuerdo
a la evolución del incendio como se puede ver en la Figura 1.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 19
En la primera fase de un incendio, estado latente (ver Figura 1), no se generan partículas visibles
por el ojo humano, apareciendo partículas de carga eléctrica negativa, que dan lugar a un fenómeno
denominado ionización de la atmósfera. Posteriormente, aparece humo visible (etapa donde operan
los detectores de humo), estado incipiente, etapa que se caracteriza porque no hay llamas y la
temperatura es baja. Además del humo, finalmente en cuestión de pocos segundos aparecen las
llamas y, como consecuencia de la reacción exotérmica que se produce, tendremos calor, cuyo
efecto da origen al funcionamiento de los detectores de calor o térmicos [8].
1) Detectores de humo
Estos son unos de los dispositivos más sensibles: se activan en las primeras etapas de la aparición
del fuego. Detecta los gases de combustión, que pueden ser humos visibles o invisibles. La
velocidad de acción en un detector de humo es mayor comparada con la de un detector de calor en
cuanto al desarrollo del fuego. [8]
Para Prefire [9], estos detectores se pueden clasificar en dos tipos según sus principios de
activación fundamentales, los detectores de cámara de ionización, actualmente en desuso, y los
detectores ópticos, que se basan en el fenómeno fotoeléctrico emitiendo una señal de emergencia
dependiendo de la cantidad de luz que reciba como se puede observar en la Figura 2.
Fig. 1. Tiempo y estado de incendio en que actúa cada detector.
Fuente: [8]
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 20
2) Detectores de llama
Este tipo de detectores funcionan con la radiación que emite el incendio. Pueden detectar la
radiación ultravioleta, radiación infrarroja o una interacción de ambas. La ventaja de este es que es
extremadamente fiable en un entorno hostil. Los usos más comunes incluyen instalaciones de
locomotoras y mantenimiento de aeronaves, refinerías y plataformas de carga de combustible, y
minas [7].
3) Detectores de calor
Este tipo de detectores se activan en la última etapa de evolución del fuego, siendo los menos
sensibles. Por lo tanto estos dispositivos no son eficaces en alerta temprana, ya que deben estar
muy cerca del fuego que se ha puesto en marcha. Sin embargo, son útiles en los lugares donde los
detectores de humo tienen una alta tasa de falsas alarmas, como en una cocina. También son útiles
en áreas demasiado calientes o frías, donde los detectores de humo no pueden funcionar de manera
efectiva [9] [7].
Fig. 2. Diagrama de un detector de humo fotoeléctrico.
Fuente: [29]
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 21
Según Prefire [9], existen tres tipos diferentes de estos sensores, los detectores térmicos o de calor
que se activan a una determinada temperatura en el ambiente, los termo-velocimétricos que se
activan cuando la temperatura aumenta rápidamente en condiciones normales, y los de cable sensor
de temperatura basados en una detección lineal de calor.
B. Rociador automático (Sprinkler)
Los sistemas automáticos de rociadores constan de una configuración de tubería de agua a la que
están conectados unas cabezas de rociadoras, estos dispositivos generalmente se activan con el
aumento de la temperatura asociada a la llama o el humo generado por la combustión, rompiendo
un tapón que impide la salida del agua para así verter dicha agua en un patrón específico y densidad
en un área designada como se puede observar en la Figura 3. Los sistemas de rociadores reducen
el desperdicio de agua, distribuyendo de manera uniforme y más eficientemente que los medios
manuales [10].
En las últimas décadas, se observan los beneficios que traen los aspersores, de ser capaces de
proporcionar protección a los ocupantes del edificio al controlar el fuego antes de que este pudiera
llegar a estar plenamente desarrollado. Típicamente un rociador, operando efectivamente, es capaz
de limitar el área de fuego involucradas a menos de 10m y acabar con temperaturas de hasta menos
de 100°C [11].
Fig. 3. Funcionamiento convencional de un rociador automático con fusible.
Fuente: [12]
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 22
Existen diferentes tipos de estos sistemas automáticos de rociadores, aunque normalmente emplean
los mismos dispositivos: válvula, red de tuberías y rociadores. Cada uno de estos sistemas tiene sus
ventajas y desventajas, así que debe estudiarse el riesgo a proteger [12].
1) Sistema húmedo
Contiene siempre agua presurizada en la totalidad de las tuberías y se descarga inmediatamente por
todos los rociadores que se hayan disparado. Es común en oficinas, departamentos, edificios, y
lugares en general donde el agua no afecte el área a proteger. Estos rociadores deben alcanzar un
límite de temperatura alto. [12] [11].
2) Sistema seco
Contiene nitrógeno bajo presión o aire. Suelen emplearse en eventos donde existe la posibilidad de
condensación del agua en las tuberías. Son comunes en lugares donde las tuberías se congelan
fácilmente como en las bajas temperaturas invernales. Tiene un mayor costo que el sistema
húmedo, por lo que se emplean tuberías más grandes y rociadores más costosos [12].
3) Sistema diluvio
Utiliza rociadores abiertos (sin elemento fusible) que está conectado a un sistema de detección de
incendios. Cuando el sistema de detección se activa, envía una señal de activación a una válvula
que contiene agua bajo presión, llevando el agua por todas las tuberías hasta los rociadores. Tiene
como gran ventaja que la descarga es en todos y cada uno de los rociadores. No es aconsejable
para grandes instalaciones [12].
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 23
C. Detección de fuego basado en imágenes o video
Las técnicas de detección de incendios más utilizadas se basan generalmente, en el muestreo de
partículas, muestreo de la temperatura, pruebas de la transparencia del aire y la radiación
ultravioleta e infrarrojos, como se vio anteriormente. Sin embargo, la mayoría de estos detectores
sufren algunos problemas. Requieren una proximidad cercana a la llama, son vulnerables a los
efectos del medio ambiente y no son tan confiables, debido a que no siempre detectan la combustión
[4] [13].
Dentro de las técnicas que se tienen para lograr la detección del fuego, el sensado por cámaras y
tratamiento digital de imágenes es uno de los más eficientes, puesto que permite hacer una
monitorización casi en tiempo real del espacio, superficie, estructura o edificación que se desee.
Las cámaras que se usan en estas aplicaciones usualmente operan en los mismos rangos de
frecuencia de la radiación emitida por el foco del incendio, esto permite visualizar la presencia de
un incendio fácilmente sin que el humo generado por la combustión genere interferencia o
distorsión en el sensado. Sin embargo, el sistema basado en las imágenes tiene algunas limitaciones
al reconocer el fuego debido al brillo del entorno, especialmente en condiciones de luz natural [14]
[13].
Recientemente se han propuesto muchos trabajos de investigación sobre detección de fuego basado
en imágenes o video. Esto se debe a que las imágenes pueden proporcionar una información mucho
más confiable [13]. Como en el proyecto realizado por Zaidi [14], donde hacen un análisis de todos
los pixeles de una imagen en MATLAB r2013 según unas serie reglas para determinar si existe
fuego o no, mediante los componentes RGB y YCbCr de la imagen. En Tabla I se enumeran las
reglas que utilizaron.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 24
TABLA I. SIETE REGLAS PARA RECONOCIMIENTO DE FUEGO
Espacio de color Reglas
RGB 1) R(x,y) > G(x,y) > B(x,y)
2) R(x,y) > Rmean ∩ G(x,y) > Gmean ∩ B(x,y) > Bmean
YCbCr 3) Y(x,y) >= Cb(x,y)
4) Cr(x,y) >= Cb(x,y)
5) Y(x,y) >= Ymean ∩ Cb(x,y) <= Cbmean ∩ Cb(x,y) >= Cbmean
6) | Cb(x,y) - Cr(x,y) | >= Th
7) Cb(x,y) <= 120 ∩ Cb(x,y) >= 150
Fuente: [14]
Cada una de las reglas están construidas de acuerdo al análisis de una gran cantidad de imágenes.
Por ejemplo para las reglas 1 y 2, todas las imágenes de fuego muestran que R es el componente
principal en una imagen de fuego. Sin embargo, el componente R se reduce significativamente
durante la tarde debido a la luz solar. Para superar este problema, el valor medio de R, G y B
(Rmean, Gmean y Bmean) son determinados [14].
En la investigación de Vipin [15], determinan estos valores medios de RGB, haciendo una
segmentación manual de fuego en una imagen, donde posteriormente esos pixeles son analizados
desde un histograma por cada canal de R, G y B como se puede observar en la Figura 4.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 25
Según Vipin [15], basándose en los histogramas de un gran número de imágenes de prueba, se
puede establecer que el valor de Rmean es 190, Gmean es 140 y Bmean es 100, dando como
resultado la segunda regla: Si R > 190 ∩ G > 140 ∩ B < 100.
Las regla 1 definida para el modelo de color RGB, puede ser traducida al espacio de color YCbCr
como las reglas 4 y 5, donde Y es la luminancia, Cb la crominancia azul y Cr la crominancia roja.
Implican respectivamente que la luminancia de un fuego debe ser mayor que la crominancia azul
y la crominancia roja debe ser mayor que la crominancia azul [5].
Fig. 4. Histograma de los canales R, G y B por separado de la región de fuego
segmentada manualmente.
Fuente: [15]
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 26
Para Zaidi [14], los modelos de color RGB y YCbCr tienen gran tasa de detección de incendios
90% y 100% respectivamente, además de una baja tasa de falsas alarmas. Sin embargo, el espacio
de color YCbCr proporciona más ventaja comparada con el modelo de color RGB, ya que YCbCr
puede separar la luminancia de la crominancia de manera más eficaz como se puede observar en la
Figura 5.
En la investigación realizada por Turgay Celik [5], proponen otro modelo de detección basado en
reglas para la clasificación de pixeles de fuego usando solo el espacio de color YCbCr (5 Reglas),
alcanzando un 99.0% de detección de incendios y un 31.5% de falsas alarmas. En la Figura 6 se
pueden ver los resultados de los experimentos.
Fig. 5. Comparación de dos modelos de color (a) RGB (b) YCbCr.
Fuente: [14]
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 27
La detección de fuego con cámara no solo se puede realizar con un modelo de color basado en
reglas, sino también con una detección de movimiento en video como el trabajo realizado por
Punam Patel [16], donde utilizan una combinación de detección de color, detección de movimiento
(Figura 8) y dispersión de área para detectar incendios en datos de video.
Identificar objetos en movimiento de una secuencia de vídeo es una tarea fundamental y crítica en
muchas aplicaciones de visión artificial. Uno de los métodos más comunes es comparar el marco
actual con el anterior o con algo llamado fondo (background) [16]. Como en el diagrama de flujo
que se muestra en la Figura 7.
Fig. 6. Demostración de segmentación de fuego en una video secuencia.
Fuente: [5]
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 28
Fig. 7. Diagrama de flujo para la detección de movimiento.
Fuente: [16]
Fig. 8. Detección de fuego usando detección de movimiento.
Fuente: [16]
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 29
Como se ve en la Figura 8, el método de diferencia de marco (frame) sustrae el ruido de fondo
extraño (como si en un escenario los árboles se moviesen), haciendo más fácil la detección, que
aplicar etapas de pre-procesamiento (filtrado de imagen, restauración de imagen, reglas
Gaussianas), segmentación de imagen, detección de bordes y demás métodos complejos para hacer
sencilla la detección en un modelo de detección de color por imágenes [14] [16].
Hay muchos tipos de modelos de color como RGB, CMYK, YCbCr, YUV, HSL, HSV, HIS y CIE.
Donde cada uno de los espacios de color tiene sus ventajas y desventajas. Muchas de las
operaciones aritméticas de los modelos son lineales, además los algoritmos son bajos en
complejidad computacional. Esto hace que sea adecuado para usar en un sistema de tiempo real de
vigilancia de incendios [5] [15].
En resumen y además como argumento de investigación, se muestra a continuación la Tabla II, en
la cual se describen algunas técnicas para identificar un incendio mediante el procesado de
imágenes y también se expone el lugar donde se han implementado estas soluciones, con el fin de
validar el uso de esta técnica de detección para casi cualquier espacio.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 30
TABLA II. APLICACIONES DE DETECCIÓN DE FUEGO CON CÁMARA
Año Autores Técnicas de procesamiento Aplicación
2009 T. Celik
H. Demirel Análisis de color
Detección de incendios
forestales
2012 V. Vipin Análisis de color, segmentación
de imagen
Detección de incendios
forestales
2012 P. Patel
S. Tiwari
Análisis de color, detección de
movimiento, sustracción de
fondo y dispersión de área
Detección de incendios
forestales, túneles o cualquier
otro incendio inesperado
2013 Y. Chunyu
(et. al.)
Acumulación de primer plano,
detección de movimiento
Detección de incendios en
túneles
2015 K. Anding
(et. al.) Variación de intensidad
Apartamentos y espacios
públicos
2015 N. Zaidi
(et. al.)
Análisis de color, segmentación
de imagen y filtrado de imagen Apartamentos y edificios
2015 G. Rao
(et. al.) Análisis de forma
Evaluación en tiempo real de
incendios forestales
2016 P. Huang
(et. al.)
Detección de movimiento y
análisis de color Habitaciones y cocinas.
2016 T. Xuan
J. Kim
Segmentación de regiones en
movimientos en video
Sistemas de alarma de alerta
temprana
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 31
D. Motivación de un sistema de detección y control de incendio usando cámara web, mini-
computadora (SBC) y un sistema diluvio
En la actualidad, casi todos los sistemas de detección de incendios utilizan sensores incorporados
que dependen principalmente de la fiabilidad y la distribución de posición de los sensores. Los
sensores deben ser distribuidos densamente para que un sistema detector de incendios sea de alta
precisión. Y debido a la rápida evolución de la tecnología de las cámaras digitales y las técnicas de
procesamiento de video, existe una gran tendencia a sustituir las técnicas convencionales de
detección de incendios por sistemas basados en la visión por computador [14] [5].
Muchas de las computadoras de placa única, SBC (Single Board Computers) o mini-computadoras
se han vuelto muy poderosas en estos últimos tiempos, ya que pueden ejecutar un sistema operativo
real, pueden realizar varias tareas, soportar puertos USB y conectarse de forma inalámbrica a
Internet, haciéndose asequibles por precios relativamente bajos (~$40USD). Siendo bien utilizadas
para casi cualquier propósito, aunque muchas hayan sido diseñadas para un propósito específico.
Un perfecto ejemplo es la Raspberry PI que se desarrolló como herramienta educativa, o la
BeagleBoard y BeagleBone que fueron desarrolladas para promover el uso de hardware y software
abierto [17]. Con la combinación entre una mini-computadora y una cámara digital se podría llegar
a realizar un sistema eficaz de reconocimiento de fuego.
El fuego originado en un material orgánico seco se propaga de una forma incontrolable
consumiendo toda fuente de materia viva o muerta en minutos, incluso segundos, por tal razón es
necesario tomar medidas de prevención y elegir un sistema de rociador adecuado. Esperar que un
rociador automático con fusible se dispare en un área conformada por materia orgánica seca donde
la llama consume todo en cuestión de minutos podría dar el caso en el que no se accionara, de allí
la conveniencia de utilizar un sistema diluvio. [3]
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 32
III. DISEÑO DEL SISTEMA DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO
En este capítulo, se presenta un esquema del diseño final de un sistema de alarma y extinción de
incendios, además los componentes y herramientas como: la mini-computadora (SBC), junto con
el lenguaje de programación y librerías, algoritmos, cámara web, bocina y elementos del sistema
extintor, utilizados para generar el dispositivo final esperado, con las razones que llevaron a escoger
dichos componentes.
A. Consideraciones generales
Para el diseño de hardware y software del dispositivo que cumple con las funciones de alarma y
control de incendio, se tomaran en cuenta las siguientes consideraciones generales:
Se utilizará un dispositivo central o “estación de ingeniería” donde irán conectados todos
los dispositivos de entrada y salida (cámara web, válvula solenoide y bocina).
Se empleará un sistema rociador de tipo diluvio para el control y extinción del incendio en
la cubierta.
El sistema requiere potencia para la activación de la válvula solenoide y la bocina, por lo
tanto se hace necesario el uso de relés, ya que la estación de ingeniería es de baja potencia.
El algoritmo para la clasificación de los pixeles de fuego en la imagen debe ser bajo en
complejidad computacional, para conseguir que el sistema pueda reconocer las llamas de
fuego en segundos una vez iniciada la combustión.
El sistema debe darle al usuario comodidad para interactuar con los dispositivos
(encendido/apagado manual de la válvula, activación/desactivación de la detección, captura
de la cámara web y pixeles detectados), siendo necesaria una interfaz gráfica de usuario
(GUI).
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 33
De acuerdo a todo lo anterior, en la Figura 9 se hace el diseño final de del sistema de detección y
control de incendio, en él se deben tener en cuenta los componentes de un sistema de detección,
los componentes de un sistema de extinción, hacer la conexión de estos elementos y poner en
marcha el sistema completo.
La estación de ingeniería se encarga de gestionar la información recibida desde los distintos
elementos. Para que se active la extinción o el control de incendio tendrá que haber detección en
alguna de las zonas. Incluyendo las bocinas o sirenas encargadas de avisar a las personas de la
situación de incendio. En todo caso, se dispone de un botón: para bloquear el proceso de extinción
y alarma una vez este ha iniciado o para efectuar el disparo de la extinción y alarma.
Se llama extintores a los recipientes que contienen el agente extintor o sustancias con propiedades
químicas o físicas empleadas para apagar la llama. Pueden ser manuales o automáticos. Los agentes
extintores más comunes son agua (rociada o pulverizada), espuma y CO2 enfriado por
descompresión. La utilización de cada uno de estos agentes depende las materias susceptibles a
incendiarse, y en otros casos para no dañar objetos que no son alcanzados por el fuego pero si por
Fig. 9. Diseño final del sistema de alarma y control de fuego.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 34
el agente extintor (como ocurriría en un museo de arte) [18] [19]. La instalación del sistema de
extinción o control automático de agua ante incendio requiere el almacenamiento y distribución
del agente extintor hasta puntos cercanos a las zonas habitadas para su uso en caso de un posible
fuego accidental.
B. Diseño de hardware
1) Estación de ingeniería
La Raspberry Pi 3 Model B (ver Figura 10) es la tercera generación de la Raspberry PI, es útil para
proyectos embebidos que requieren poca potencia y recomendada para cualquier uso en general
[20]. En la Tabla III se muestran las especificaciones de esta.
TABLA III. ESPECIFICACIONES DE LA RASPBERRY PI 3
CPU 1.2GHz 64-bit quad-core
Instruction set ARMv8
GPU 400MHz VideoCore IV
RAM 1GB SDRAM
Storage micro-SD
Ethernet 10 and 100Mbps
Wireless 802.11n Wireless / Bluetooth 4.0
Video Output HDMI / Composite
Audio Output HDMI / Headphone
USB Ports 4
GPIO 40
Fuente: [20]
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 35
Para el presente estudio se escogió una Raspberry Pi 3 Model B de la fundación Raspberry Pi,
como central de control o estación de ingeniería, ya que ofrece puertos USB para la conexión del
detector, de un teclado y un mouse; puerto HDMI para conectar una pantalla, pines GPIO para el
control de la electroválvula o sistema extintor y la bocina, además de la posibilidad de conectar
más electroválvulas o nuevos dispositivos (detectores de humo, calor, entradas o salidas análogas,
etc.), distribuciones Linux que permite utilizar programas gratuitos en lugar de software de pago,
por ultimo un puerto Ethernet o WiFi que llegado el caso de necesitar una mayor capacidad
computacional, convertir la Raspberry en un periférico usando alguna de estas redes.
2) Sistema extintor
Este sistema es de tipo diluvio que está conformado por una electroválvula normalmente cerrada
que contiene el agua bajo presión en tuberías de acero galvanizado y un rociador o boquilla abierto
(sin elemento fusible) para realizar el proceso de extinción o control de incendio.
Fig. 10. Raspberry Pi 3, Model B.
Fuente: [20]
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 36
a) Válvula solenoide (Electroválvula)
Es la que controla el paso del agua por la tubería mediante una bobina solenoide. Se utilizará una
válvula solenoide de 2 vías gama baja de uso general que se muestra en la Figura 11. En la Tabla
IV se indican las características:
TABLA IV. DESCRIPCIÓN VÁLVULA SOLENOIDE
Referencia 91118
Presión de Trabajo 0,5- 10Kg/cm² // 7,1- 142 PSI
Voltaje 110 VAC
Estado Inicial NC
Conexión ½’’ NPT
Paso de Flujo 13mm
Temperatura de Operación -10 a +80°C
Medio de Trabajo Aire, Agua, Aceite
Fuente: [21]
La fuente de agua para extinguir el fuego en la cubierta se tomará de un grifo o llave de paso ya
instalado en las edificaciones, es decir, aprovechamos el agua que es bombeada por la empresa
prestadora de servicios públicos de acueducto y alcantarillado. Normalmente el agua llega en
tuberías de ½ ‘’ a estos grifos en un rango de presión de 1,5 a 5 Kg/cm² o 21,3 a 71,1 PSI [22] y
según los rangos de presión y medio de trabajo que se muestran en la Tabla IV, vemos que la
electroválvula cumple (supera) con las condiciones de operación.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 37
b) Tuberías galvanizadas y rociador abierto
De acuerdo al tipo de conexión de la electroválvula (ver Tabla IV), las tuberías en acero
galvanizado se utilizaran de ½’’. Tambien se adquirió un rociador abierto en bronce con graduación
manual y conexión de ¾’’, para su implementación, se hizo necesario una reducción de ¾’’ a ½’’,
que se muestran en la Figura 12.
Fig. 11. Válvula solenoide de 2 vías gama baja.
Fuente: [21]
Fig. 12. Rociador abierto y reducción.
Fuente: [30]
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 38
3) Detector
El elemento para detectar el incendio es una cámara web, que consiste en una cámara digital
conectada a una computadora, normalmente a través de un puerto USB, que a su vez viene
acompaña de un software que permite enviar una imagen cada cierto tiempo a otro punto para ser
visualizada Se utiliza una cámara fabricada por la empresa J&R Technology (Ver Figura 13). En
la Tabla V se muestran las especificaciones:
TABLA V. ESPECIFICACIONES DE LA CÁMARA WEB
Referencia C-035
Sensor CMOS 1/3inch (VGA)
Interface USB
Resolución 640x480 Pixeles
Velocidad cuadro por cuadro 30 frames/sec
Foco Desde 30mm hasta el infinito ajustable
Balance de blanco Si
Exposición automática Si
Compensación automática Si
Temperatura 0°C - +40°C
Necesita driver No
Compatible Windows, Linux.
Fuente: [23]
La tecnología de cámaras digitales ha crecido de tal manera que las cámaras digitales CCD y
CMOS están disponibles en el mercado con una resolución decentemente buena y un precio
relativamente barato. La mayoría de estas cámaras pueden conectarse directamente a la
computadora y almacenar las imágenes [15]. La C-035 es compatible con Linux así que permite
conectarse directamente a la Raspberry sin necesidad de un driver de instalación.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 39
4) Bocina (Buzzer)
Es el dispositivo que sirve como mecanismo de alerta o aviso de incendio, ya que genera un
zumbido agudo continuo de un mismo tono. Se implementa una bocina piezoeléctrica que se
muestra en la Figura 14. En la Tabla VI se presentan las características:
TABLA VI. DESCRIPCIÓN BOCINA PIEZOELÉCTRICA
Type SHTD – 3015A
Rated Voltage 12VDC
Operating Voltage 3 – 24 VDC
Rated Current (MAX) ≤ 20mA at 12VDC
Min Sound Ouput at 30cm ≥ 85dB at 12VDC
Resonant Frequency 3300 ± 500 Hz
Operating Temperature -20°C ~ +80°C
Weight 8.0g
Fuente: [24]
Fig. 13. Cámara.
Fuente: [23]
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 40
5) Sección de potencia
El voltaje alimentación para la activación de la electroválvula debe ser de 110 VAC (ver Tabla IV),
además, la bocina se alimentará con un voltaje de 12VDC, para esto se ha diseñado un circuito que
se muestra en la Figura 17, donde a partir del voltaje entregado 3.3VDC por uno pines GPIO de la
Raspberry, estimular un relé de referencia JQC-3F (Ver Figura 15), donde irán conectados la
electroválvula y la bocina en paralelo. También contaran con unos diodos 1N4004 para proteger
la estación de ingeniería.
Fig. 14. Bocina piezoeléctrica.
Fuente: [24]
Fig. 15. Relé implementado.
Fuente: [31]
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 41
En la Figura 16 vemos que el conector de la Raspberry Pi 3 tiene 40 pines en total: 2 pines como
fuente de 3.3VDC, otros 2 como fuente de 5VDC, 8 pines de tierra, 2 pines reservados para la ID
EEPROM y 26 pines para propósito general. De los cuales solo usaremos dos: el pin 11 (GPIO 17)
y el pin 6 (Ground).
Fig. 16. Conector GPIO de la Raspberry Pi 3.
Fuente: [20]
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 42
Fig. 18. Plaqueta diseñada del circuito de potencia.
Fig. 17. Esquemático del circuito de potencia.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 43
C. Diseño de software
Basadas en las consideraciones generales y los criterios de hardware seleccionados anteriormente
en este capítulo, en la Figura 20 se hace un esquema general del sistema implementado durante el
desarrollo de este estudio.
Fig. 19. Circuito de potencia implementado.
Fig. 20. Esquema general del proyecto.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 44
1) Ambiente de programación
La estación de ingeniería o dispositivo central se encargará de leer las imágenes capturadas por la
cámara conectada al puerto USB, donde posteriormente serán procesadas y clasificadas por un
conjunto de reglas (análisis de color) que nos permitirán determinar la existencia de un incendio o
no, logrando así la activación oportuna de la electroválvula y el mecanismo de alerta.
Para la implementación de este algoritmo se consideraron diversos ambientes entre ellos varios
lenguajes de programación como C, C++, Java; entornos de software como MATLAB, pero como
se cuenta con una Raspberry Pi 3, se optó por trabajar con Python + OpenCV.
a) Lenguaje de programación: Python
Python es un gran lenguaje de programación interactivo e interpretativo, orientado a objetos. A
menudo se compara (favorablemente) con Lisp, Tcl, Perl, Ruby, C#, Visual Basic, Java y muchos
otros. Python combina un poder notable con una sintaxis muy clara. Tiene módulos, clases,
excepciones y tipos de datos dinámicos de muy alto nivel. Hay interfaces para muchos llamados
de sistemas y librerías, así como varios sistemas de ventanas. La introducción más fácil a Python
es a través de IDLE, un entorno de desarrollo de Python. [25].
La elección de python en este proyecto no es solo por su potente y clara sintaxis de programación,
sino también porque nos brinda librerías a veces preinstaladas para controlar los GPIO de la
Raspberry, como la librería RPi.GPIO que tiene funciones para declarar cada canal que se esté
utilizando como entrada o salida, para leer el valor de un pin GPIO, para establecer el estado de
salida de un pin GPIO, para limpiar el estado de todos los canales al finalizar un programa, entre
otras. También nos ofrece librerías para implementar interfaces graficas de usuario (GUI) como
Tkinter y librerías para operar vectores o matrices como NumPy.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 45
b) OpenCV
OpenCV es una librería de software de visión artificial, lanzado bajo una licencia de BSD y por lo
tanto es libre para el uso académico y comercial. Tiene interfaces en C++, C, Python y Java, soporta
Windows, Linux, Mac, OS, iOS y Android. OpenCV fue diseñado para la eficiencia computacional
y con un fuerte enfoque en aplicaciones en tiempo real. Tiene más de 47 mil personas en la
comunidad de usuarios y el número estimado de descargas supera los 7 millones. Es utilizada
ampliamente en empresas y grupos de investigación. [26]
Esta librería tiene más de 2500 algoritmos optimizados, los cuales pueden ser utilizados para
detectar y reconocer objetos, rastrear objetos en movimiento, hacer operaciones con imágenes,
combinar imágenes para producir una imagen de resolución alta, extraer objetos de modelos 3D,
etc. [26]. Por ejemplo como volver una imagen borrosa usando una función de la librería OpenCV
en Python (Ver Figura 21):
Si el lector desea consultar más sobre OpenCV, puede dirigirse a los tutoriales realizados por [27].
La posible combinación de python con esta gran librería nos da una poderosa y adecuada
herramienta para resolver el problema del reconocimiento de fuego por imágenes, ya que nos
proporciona funciones para leer imágenes desde una cámara web, hacer recortes, trasformaciones
Fig. 21. Resultado de la función cv2.blur ().
Fuente: [27]
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 46
geométricas, sacar los canales RGB por separado, cambiar a modelos de diferente color (por
ejemplo de RGB a YCbCr, HSV, Escala de grises, etc.), detección de bordes, contornos,
histogramas, entre otros.
2) Adquisición de imagen
Este bloque involucra la cámara y la transferencia de la imagen en su formato digital a la estación
de ingeniería. La imagen de entrada tiene 24bits (8 por cada canal RGB) con dimensiones de
640x480, es decir, una resolución de 0,3 Megapíxeles.
3) Extracción de pixeles
La extracción de pixeles es donde se separa la información relevante de todos y cada uno de los
pixeles a evaluar.
Una imagen digital de color tiene tres planos: Rojo, Verde y Azul (RGB). La combinación de estos
planos de color da la capacidad a los dispositivos para representar un color en el entorno digital.
Cada plano de color se cuantifica en niveles discretos, generalmente se utilizan 256 niveles de
clasificación (8 bits por cada canal), por ejemplo el blanco está representado por (R, G, B) = (255,
255, 255) y el negro está representado por (R, G, B) = (0, 0, 0). Una imagen en color consiste en
pixeles, donde cada pixel está representado por la ubicación espacial en cuadrícula (x, y), y un
vector de color (R(x, y), G(x, y), B(x, y)) correspondiente a la localización espacial [15].
A continuación se muestra en la Figura 22 el diagrama de flujo implementado para extraer la
información de cada pixel.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 47
Se utilizan dos for anidados para recorrer todo el arreglo de pixeles de la imagen según sus
dimensiones. Por ejemplo si tenemos una imagen de 3x3 se sacara la información de los pixeles de
la primera columna de la imagen [1,1], [1,2] y [1,3], luego de la segunda columna [2,1], [2,2] y
[2,3], hasta llegar a la última columna [3,1], [3,2] y [3,3], y totalidad de la imagen.
4) Clasificación de pixeles como fuego
En este bloque, la detección de fuego en el modelo de color RGB y YCbCr se combinan para que
el resultado sea preciso. Esto significa que para este proyecto, la imagen debe cumplir con todas
las 4 reglas para ser considerado como fuego, además de unas condiciones de umbral que dependen
de la cantidad de pixeles detectados. Las reglas se enumeran en la Tabla VII.
Fig. 22. Diagrama de flujo para sacar el vector de color de cada pixel.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 48
Los valores medios de R, G, y B estarán basados en el estudio que hizo [15] (ver Figura 4).
TABLA VII. CUATRO REGLAS PARA RECONOCIMIENTO DE FUEGO
Espacio de color Reglas
RGB 1) R(x,y) > G(x,y) > B(x,y)
2) Si R(x,y) > Rmean ∩ G(x,y) > Gmean ∩ B(x,y) > Bmean
YCbCr 3) Y(x,y) >= Cb(x,y)
4) Cr(x,y) >= Cb(x,y)
Fuente: [14]
Partiendo del algoritmo para la extracción de pixeles presentado en la Figura 22, se muestra el
diagrama de flujo completo para la extracción y clasificación de pixeles de fuego en la Figura 23.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 49
Fig. 23. Diagrama de flujo final para la extracción y clasificación de pixeles.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 50
Fig. 24. Diagrama de flujo para la verificación de las 4 reglas.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 51
Cada que una imagen es leída entra en un proceso de verificación del cumplimiento de las cuatro
reglas en cada uno de sus pixeles. Si el pixel satisface las 4 reglas o condiciones, se incrementa un
contador y así al finalizar los bucles “for” se obtiene la cantidad total de pixeles que fueron
catalogados como fuego en la imagen (Ver Figura 24).
Posteriormente este conjunto de pixeles es comparado entre un primer umbral bajo (L1) y umbral
alto (H), si la condición es verdadera activara una bandera con la intención de analizar la siguiente
imagen. Al leer la siguiente imagen entrará en el mismo proceso de verificación y obtención de
pixeles detectados, luego ingresando a una nueva comparación con un nuevo valor umbral bajo
(L2) se definirá si hay alarma de fuego o no. Esto se hace con el fin de disminuir las falsas alarmas
que son ocasionados por objetos que reflejan los mismos colores de la llama pero que no tienden a
crecer.
Se definen estos umbrales ante situaciones de incendio reales mediante una serie pruebas realizadas
en un recipiente que ayudan a determinar la cantidad de pixeles según el tamaño de la llama como
se muestra en la Figura 25 de esta manera: primer umbral bajo L1 = 60, segundo umbral bajo L2 =
110 (si hubo un crecimiento de más del 80% de la imagen anterior) y un umbral alto H = 400; si la
llama alcanzaba más de 400 pixeles era porque la materia orgánica estaba totalmente encendida.
Fig. 25. Número de pixeles detectados en imágenes de prueba.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 52
5) GUI Interfaz gráfica de usuario
Cuando el bloque de clasificación de pixeles de fuego reconoce un incendio, los bloques de control
de incendio y alarma son puestos en marcha por una señal de activación que viene desde la estación
de ingeniería, es decir, se alimentan la electroválvula y la bocina hasta que el usuario encargado
las apague manualmente por medio de la GUI.
En la Figura 26 vemos un bosquejo de la interfaz que se va a mostrar en pantalla, ya sea utilizando
el puerto HDMI de la Raspberry o la red WiFi desde otro ordenador. Principalmente consta de 5
elementos:
1. Un espacio para que el usuario pueda ver en tiempo real la captura de la cámara.
2. Botón 1 en relación con la activación o desactivación del algoritmo de detección.
Fig. 26. Modelo de la GUI implementada.
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3. Botón 2 para que el usuario pueda hacer el control manual de la electroválvula y la bocina
(encendido y apagado).
4. Botón 3 para salir de la interfaz.
5. Un indicador del total número de pixeles detectados como fuego por imagen.
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IV. IMPLEMENTACIÓN
En este capítulo se muestra el acople y montaje de todos los dispositivos e insumos descritos en
los capítulos anteriores: estación de ingeniería, bocina y circuito de potencia, además de las
funcionalidades que se implementaron en la interfaz gráfica de usuario realizada en Python.
A. Implementación de la estación de ingeniería
Teniendo el diseño del software y hardware terminado, se procede a ensamblar una parte de los
elementos en un dispositivo central, es decir, se colocan en un recipiente o caja, para luego
corroborar su funcionamiento. En la Figura 27, se muestra un diagrama de bloques de cómo se
ensamblaron y las dimensiones del recipiente.
En el interior de este recipiente de plástico se encuentran almacenados el circuito de potencia, la
estación de ingeniería, cada una con su respectiva fuente de alimentación y la bocina, para
protegerlos y evitar que se dejen expuestos a la intemperie. La Figura 28 es una vista al interior de
la caja en la cual se indican cada uno de los elementos que va contenido en él.
Fig. 27. Diagrama de bloques del dispositivo central.
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La Figura 29, es una vista lateral izquierda del dispositivo ensamblado y terminado. En ella se
señalan la bocina, el puerto Ethernet y los puertos USB del centro de cómputo mediante los cuales
se conecta la cámara. Si es necesario también se puede conectar un teclado y un mouse quedando
un puerto USB libre.
Fig. 28. Vista al interior.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 56
El dispositivo tiene un cable de poder general que alimenta un distribuidor de corriente o multi-
toma de corriente, para energizar todos los elementos y dispositivos presentes que se aprecian en
la Figura 28. Mediante la Figura 30 se ilustra la vista lateral derecha del dispositivo, para indicar
la conexión del cable de poder realizada.
Fig. 29. Vista lateral izquierda.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 57
La Figura 31 es una ilustración trasera del dispositivo. En ella se señalan el circuito de potencia, y
los espacios para la conexión del cable HDMI con la estación de ingeniería y la conexión de la
electroválvula con el circuito de Potencia.
Fig. 30. Vista lateral derecha
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 58
B. Implementación de la interfaz gráfica de usuario
Para el uso de la GUI se requieren varios aspectos, primero realizar la configuración necesaria,
para que la aplicación gráfica se quede a la espera de que una persona interactúe con ella, es decir
si el usuario en cualquier instante del tiempo presiona el botón de ENCENDER VÁLVULA, esta
debe enviar una señal de activación al pin donde está conectada la válvula, o bien, se produzca un
evento en el que no haya intervención humana, dada la terminación del proceso, que incremente el
valor de un contador, cambie el valor de una variable, etc. En cualquiera de estos casos, lo normal
será vincular estos eventos con unas acciones a realizar, que pueden ser fácilmente implementadas
con la librería preinstalada en Python, tkinter ya que nos ofrece funciones para el desarrollo de las
interfaces de usuario; crear ventanas, hacer botones, etiquetas, cajas de texto, radio botones, menús,
entre otros. En la Figura 32 se muestra la GUI implementada.
Fig. 31. Vista trasera.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 59
En la Figura 32, se puede observar un recuadro verde en el marco donde el usuario puede ver la
captura de la cámara en tiempo real. En su interior es donde se encuentra el área de evaluación, es
decir, todo lo que se encuentre por fuera del recuadro verde no entra al proceso de extracción y
clasificación de pixeles. Esto se hace para que ningún elemento externo a la cubierta interfiera con
la detección y ahorrar costo de tiempo evaluando menos cantidad de pixeles. También se
Fig. 32. Interfaz gráfica implementada usando tkinter.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 60
implementan los tres botones y el indicador del total número de pixeles detectados como fuego por
imagen mencionados en el capítulo anterior.
Cuando la detección esta desactivada o el usuario no ha presionado el botón de INICIAR
DETECCIÓN, el indicador de pixeles y alarma siempre estarán detenidos aun cuando en la cubierta
se produzca un suceso. Además se implementa una imagen de una X sobre una llama para que la
interfaz sea más sencilla de entender para el usuario. Como se indica en la Figura 33.
Fig. 33. Objetos externos en la cubierta con la detección desactivada.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 61
En el momento que el usuario presiona el botón de INICIAR DETECCIÓN, inmediatamente el
proceso de clasificación de pixeles arranca. Indicando la cantidad de pixeles detectados con una
etiqueta ligada a la variable contador de pixeles establecida en el algoritmo, también la X sobre la
imagen de la llama desaparece (Ver Figura 34).
Fig. 34. Inicio de la detección en la GUI.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 62
Se puede apreciar en la Figura 34 que el botón de INICIAR DETECCIÓN, ahora ha cambiado su
texto a PARAR, y el indicador del total pixeles de fuego es 0, indicando que el algoritmo no ha
declarado como fuego ningún pixel de la imagen que es capturada en ese instante. Pero cuando se
introducen objetos que pueden reflejar el color de la llama y son clasificados como fuego por el
algoritmo el indicador se empieza a incrementar. Como se señala en la Figura 35.
Fig. 35. Objetos externos en la cubierta con la detección activada.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 63
Cuando se cumplen todas las reglas y los umbrales del algoritmo que se definieron en capítulo 3,
se presenta una situación de incendio, activándose el control y la alarma. En la interfaz este aviso
es generado por la aparición de un botón de solo texto casi en el medio de la interfaz (para quitarlo
se debe presionar en el mismo) como se indica en la Figura 36.
Fig. 36. Alarma de incendio en la GUI.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 64
En la Figura 36, también se puede observar como el botón de ENCEDER VÁLVULA ha cambiado
su color de verde a rojo y el texto ahora es APAGAR VÁLVULA (estamos ante una situación de
incendio y la válvula ha sido activada). Este botón puede ser presionado en cualquier momento,
aun cuando la detección este activada o desactivada.
Por ultimo está el botón Salir, que al ser presionado genera otra ventana, preguntando si en realidad
quiere dejar de correr el programa o no. Como se puede ver en la Figura 37.
Fig. 37. Salir de la interfaz gráfica.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 65
V. PRUEBAS Y RESULTADOS
En este capítulo se describe la manera en la cual se hicieron las pruebas, buscando conocer la
sensibilidad del sistema comparándolo con otros dos estudios realizados por [14] y [5], por último
se muestran los resultados obtenidos de las pruebas realizadas, una en el día y otra en la noche.
El sistema electrónico diseñado funciona correctamente para cualquier estructura que cuente con
una cubierta elaborada con base en materiales orgánicos secos sin importar su tamaño y ambiente
en el cual se encuentre, pero por motivos de depuración, corrección y sustento de argumentos
válidos para este documento, se implementó un modelo a escala que se describe a continuación.
A. Estructura a escala
Para realizar las pruebas del funcionamiento del sistema electrónico se construyó una estructura a
escala en hierro donde irá la cubierta de material orgánico seco. En la Figura 38 se muestran las
dimensiones de esta.
Fig. 38. Dimensiones de la estructura.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 66
El área donde estará la cubierta de material orgánico seco es el de un hexágono regular con 25 cm
de lado, señalado en la Figura 38 en negro, es decir un área de 1800 cm² o 0,18 m².
También con una serie de pruebas de ensayo y error se determinó que la altura y ubicación más
sencilla a la que debería ir el rociador para abarcar toda el área de la cubierta es de
aproximadamente un 1 metro de altura apuntando al centro de la estructura, como se puede observar
en la Figura 39.
Se construyó una base para ubicar la tubería por la cual se guiaría el agua hasta el punto de incendio.
La tubería es de acero galvanizado y se emplearon en total 180 cm distribuido de la siguiente forma:
50 cm en la base, 100 cm verticalmente para asegurar la altura necesaria a la que debe estar el
rociador y 30 cm al final para ubicar el rociador en el centro de la cubierta. Anterior a la tubería,
se encuentra la electroválvula, quien se encarga de permitir o impedir el paso del agua; la
electroválvula se conecta a un grifo de rosca por medio de una manguera plástica (Ver Figura 39).
Fig. 39. Dimensiones de las tuberías galvanizadas.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 67
Por último, se sitúa la cámara aproximadamente a 1,60m del suelo teniendo en cuenta el
cubrimiento total del área de reconocimiento de incendio, con el fin de protegerla de la cercanía a
la llama y el rociador de agua. Como se muestra en la Figura 40. En la Figura 41, se pueden ver
fotos del montaje real.
Fig. 40. Altura de la cámara.
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Fig. 41. Montaje real del sistema electrónico listo para pruebas.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 69
B. Resultados
El sistema, ante la presencia de fuego, responde con una efectividad del 98% tanto de día como de
noche, logrando identificar correctamente la presencia de un incendio ante los distintos escenarios.
Las primeras pruebas se realizaron con material orgánico seco común como: hojas de palma, ramas
de árboles y pasto seco, pero por comodidad y aumento de nivel de dificultad para detectar el fuego,
gran parte de los análisis se realizaron con papel blanco. El grado de dificultad para identificar la
presencia de un incendio ante dicha situación es mayor porque el contraste de color que se hace
entre la llama y el papel que aún no se quema no es tan pronunciado, contrario a otros materiales
orgánicos secos.
Para descartar situaciones de falsa alarma, se sometió el sistema electrónico a un proceso de
evaluación involucrando objetos extraños en la cubierta de la estructura, reflejos de luz ocasionados
por distintos objetos y diversas fuentes de luz enfocadas al lente de la cámara. Las pruebas se
realizaron de día y noche.
Dentro de los objetos extraños se pueden encontrar: un balón, envolturas de pasa bocas,
herramientas, retazos de tela, entre otros; todos estos objetos de color similar al emitido por una
llama.
Para las pruebas realizadas en el día no se presenta mayor inconveniente puesto que la
configuración de los valores medios de RGB discrimina la luz del sol y sus reflejos, excluyen gran
parte de los valores no deseados, sin embargo, la reflexión de la luz de algunos elementos de color
semejante al fuego puede dar paso a una situación de falsa de alarma, debido a que el proceso de
detección del incendio que se está desarrollando, se basa en la identificación del color del fuego,
en consecuencia es posible encontrar que algunos elementos con un índice de refracción de luz alto
y con color similar al de la llama, puedan generar una situación de falsa alarma. Para contrarrestar
esto, se evalúa el crecimiento de la cantidad pixeles identificados como fuego por medio de los
umbrales que permiten obviar la repentina aparición de un objeto que pueda entorpecer el sensado
de la cubierta y dar paso a una mala lectura.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 70
De noche, el valor de las falsas alarmas puede aumentar o disminuir según el tipo de luz que ilumine
el entorno en el cual se desarrolle el análisis. En el caso de ser luz incandescente, es posible tener
un aumento en el valor de los falsos positivos, puesto que la luz reflejada por algunos de los
elementos con los que se realizaron las pruebas, es similar a la emitida por el fuego. Por el contrario,
si la luz que ilumina el entorno es luz blanca, aumenta considerablemente la discriminación de
posibles casos de falsos positivos, debido a que el color reflejado por los objetos captado por la
cámara, comparado con el del fuego, son diferentes.
1) Análisis ROC
La respuesta del sistema, ante las pruebas realizadas, es consignada y evaluada mediante el análisis
ROC. El proceso de análisis ROC, por su sigla en inglés (Receiver operating characteristic),
permite evaluar el comportamiento de un receptor, mediante su sensibilidad representada en una
matriz en la cual se clasifican la razón de aciertos frente a la razón de desaciertos en el proceso de
captura de datos [28].
ROC, clasifica la respuesta de un sistema en cuatro posibles casos: verdaderos positivos (intento
acertado), verdaderos negativos (rechazo correcto), falsos positivos (falsa alarma), falsos negativos
(intento fallido).
Para este sistema, un verdadero positivo, se presenta cuando el sistema detecta correctamente la
presencia de fuego en la cubierta; un verdadero negativo, se presenta cuando el sistema excluye
correctamente una situación en la que la imagen captada y procesada pueda verse como fuego sin
haberlo; una condición de falso positivo, se presenta cuando el sistema responde ante una situación
carente de fuego, como si lo hubiera; y por último, un falso negativo, se presenta cuando existe
fuego y el sistema no es capaz de reconocerlo. En la matriz de confusión que se muestra en la
Figura 42 nos permite la visualización del desempeño del algoritmo empleado (ver Tabla VIII) de
acuerdo a 100 intentos realizados, 50 ante una situación verdadera de incendio y 50 sin incendio.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 71
Los números a lo largo de la diagonal verde representan las decisiones que se tomaron
correctamente, y los números de la otra diagonal (roja) representan los errores, la confusión, entre
los diversos casos. A partir de estos valores y unas ecuaciones métricas comunes se pueden calcular
los porcentajes que nos permiten evaluar el desempeño del algoritmo. En la Figura 43 se muestran
cada una de las ecuaciones.
Situación Verdadera
Situación Verdadera
+ - + -
Pre
dicció
n
+
Verdaderos Positivos (Intento
Acertado)
Falsos Positivos (Falsa Alarma)
Pre
dicció
n
+ 49 6
-
Falsos Negativos (Intento Fallado)
Verdaderos Negativos (Rechazo Correcto)
- 1 44
Totales Positivos Negativos Totales P = 50 N = 50
Fig. 42. Matriz de confusión.
Fig. 43. Métricas de la matriz de confusión.
Fuente: [28]
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 72
TABLA VIII. DESEMPEÑO DEL ALGORITMO DEL SISTEMA
Tasa de Verdaderos Positivos 98%
Tasa de Falsos Positivos 12%
Tasa de Falsos Negativos 2%
Tasa de Verdaderos Negativos 88%
Exactitud 93%
Precisión 89%
TABLA IX. COMPARACIÓN CON OTROS MODELOS DE DETECCIÓN
Estudio: Fire Recognition
using RGB and
YCbCr Color Space
Fire Detection in
video sequences using
a generic color model
Sistema electrónico de
alarma y control de
incendio para cubiertas
de material orgánico.
Modelo de
color:
RGB y YCbCr YCbCr RGB y YCbCr
Cantidad de
reglas usadas:
7 (2 RGB y 5
YCbCr)
5 4 (2 RGB y 2 YCbCr)
Tiene pre-
procesamiento:
SI NO NO
Sistema
funciona sobre:
Computador
(MATLAB r2013)
No información. Raspberrry Pi 3
(Python + OpenCV)
Tasa de
detección de
fuego:
90% RGB y 100%
YCbCr
99.0% 98.0%
Tasa de falsas
alarmas:
No información.
“El sistema es capaz
de diferenciar las
cosas en los
alrededores (no fuego)
o refleja las cosas que
tienen el mismo valor
que el valor de pixel
fuego” [14].
31.5%
“El sistema
comercialmente es
usado en paralelo con
detectores de humo
para reducir las falsas
alarmas” [5].
12%
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 73
Haciendo un análisis comparativo entre otros modelos ya implementados como se expone en la
Tabla IX, se puede ver que el algoritmo desarrollado tiene un buen desempeño, aunque este posee
la tasa de detección de fuego (tasa de verdaderos positivos) más baja 98%, debido a la baja
capacidad de procesamiento de la Raspberry Pi 3, ya que veíamos que al colocar una nueva regla
el proceso se hacía cada vez más lento y la detección no se hacía de manera oportuna. Para la tasa
de falsas alarmas (tasa de falsos positivos) nos encontramos en un término medio 12%, sin
embargo, el modelo de [14] es tan robusto y flexible como para hacer frente a los problemas típicos
que encontramos en la detección de fuego por imagen utilizando la combinación de técnicas de
filtrado, restauración y segmentación de imagen. Se resumen estos problemas de la siguiente
manera:
Las condiciones de iluminación: día, noche, luces artificiales, reflejos de luz, sombras.
Calidad de la imagen: baja resolución de la cámara, mal contraste de la cámara, mala
transmisión de la señal, lente sucio.
La complejidad de la escena: movimiento de objetos o personas, diferentes velocidades,
colores y tamaños.
Rendimiento del procesador: detección en tiempo real, velocidad del procesador y
memoria.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 74
VI. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO
En este capítulo se realizan las conclusiones sobre el proyecto expuesto en este documento, acerca
del desarrollo del prototipo y por último se muestran los trabajos futuros que se podrían tener en
cuenta para nuevos estudios sobre el tema elaborado.
A. Conclusiones
Se diseñó e implementó un sistema electrónico de alarma y control de incendio en cubiertas
construidas con material orgánico seco, basado en una detección de fuego en imágenes capturadas
por una cámara digital en tiempo real, acompañada de un sistema diluvio y una bocina
respectivamente para controlar y alarmar la presencia de un incendio en dicha cubierta.
Se determina el uso de una cámara como detector de fuego ya que con base a la revisión
bibliográfica, estas poseen una gran tasa de detección y bajo índice de falsas alarmas, evitando
colocar toda una red densa de otro tipo de sensores.
Se escoge un sistema diluvio para controlar la presencia del incendio, ya que en la revisión se
encuentra que tiene como gran ventaja estar conectado a un sistema de detección y la descarga total
de agua es en todos los rociadores que componen la instalación. Comparada con la de un sistema
húmedo que posee rociadores que están diseñados para destruirse a temperaturas predeterminadas
y el agua es descarga solo por los rociadores que se hayan abierto.
Con base a las pruebas realizadas se logró comprobar que el sistema posee una tasa de detección
de fuego del 98%, pero una tasa de falsas alarmas del 12%, ya que el algoritmo de detección se
basa en la clasificación de colores, y es posible encontrar objetos que reflejan un color semejante
al fuego. Comparada con el estudio realizado por [5] se posee una baja tasa de falsas alarmas en el
sistema con una reducción del 19.5%.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 75
Es necesario contar con buenos conocimientos en el procesamiento digital de imágenes para la
implementación de un sistema de detección por cámara, dado que del buen pre-procesamiento de
las imágenes captadas depende la exactitud y precisión de dicho sistema.
La utilización de una cámara para la detección de fuego, es un método económico y fácil de utilizar,
sin embargo, más allá de la buena respuesta que se obtiene, las condiciones de iluminación, la
calidad de la imagen, la complejidad de la escena y el rendimiento del procesador influyen
considerablemente en el proceso de la detección.
Se concluye del estudio del arte, que la mayor parte de investigaciones en la detección de fuego
utilizando cámara es implementada de acuerdo a unas reglas basadas en los modelos de color
genérico RGB y YCbCr, por la baja complejidad computacional del algoritmo.
B. Trabajo futuro
Se propone buscar optimización en el algoritmo de detección, ya que el porcentaje de falsas alarmas
es del 12%, por lo cual se podría implementar una etapa de pre-procesamiento, filtrado de imagen,
restauración de imagen, segmentación de imagen, entre otros, para aumentar la fiabilidad de
reconocer fuego en la región de interés.
El sistema puede adaptarse a otros escenarios, materiales o superficies haciendo el debido cálculo
experimental para determinar el color característico del fuego bajo las condiciones de luz que
presenta en el entorno que se va a registrar. Anexo a esto se puede implementar un reconocimiento
de patrones en el aumento de partículas reconocidas como fuego para lograr una gran versatilidad
del sistema. Por ejemplo, si se desea monitorizar una cocina, es necesario implementar un proceso
de detección de incendio mucho más robusto que el actual, en el cual el sistema reconozca cuando
una llama presente en el lugar de interés monitorizado deja de ser una llama controlada y se
convierte en una situación de riesgo.
También, se propone implementar el sistema con una unidad central de cómputo más potente en la
cual se cuente con más capacidad de procesado de datos para lograr captar imágenes con una red
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 76
de cámaras, acoplar sensores de temperatura, de humo y de luz infra roja; haciendo uso de la
Raspberry como una sub estación o periférico de procesado de datos en él se capturan los valores
registrados por los nuevos sensores a través de los numerosos pines del puerto GPIO y se trasfieran
a la unidad central de proceso por el puerto Ethernet o se haga uso de su potencial de conexión
inalámbrica.
Por último, se propone la implementación de cámaras térmicas para aplicaciones de gran precisión
y sumo cuidado. Con el uso de cámaras térmicas, la red de sensores que se propone en el párrafo
anterior se puede disminuir a un solo dispositivo ya que estas permiten la evaluación de la
temperatura en tiempo real de una superficie o de un foco de calor; También, la anticipación a un
incendio por el nivel de detalle que se puede lograr mediante la relación de colores y temperatura
generada por la radiación del fuego.
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 77
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SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 80
ANEXOS
ANEXO A – Código final en Python
# -*- coding: utf-8 -*-
import threading
import Tkinter as tk
from Tkinter import *
import numpy as np
import cv2
from PIL import Image, ImageTk
import RPi.GPIO as GPIO
GPIO.setwarnings(False)
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(17, GPIO.OUT)
GPIO.output(17, GPIO.LOW)
cap = cv2.VideoCapture(0)
class Window():
def __init__(self, root):
self.firedet_btn = tk.Button(root)
self.firedet_btn.place(x = 300, y = 510)
self.etique9 = Label(root)
self.etique9.place(x = 370, y = 565)
self._resetbutton()
self.alarm_btn = tk.Button(root, text = "¡¡Alarma incendio!!", command = self.alarm_msg,
fg = "red", bg = "yellow", font = "Verdana 14 bold");
self.etique1 = Label(root, text="Captura de Cámara Web")
self.etique1.place(x = 300, y = 10)
self.etique7 = Label(root, text="*Verificar que la cubierta se encuentre en el área de
evaluación. (Interior Límites Verdes)", font=(None, 8)) self.etique7.place(x = 30, y = 485)
self.etique8 = Label(root, text="Num. Pixeles Detectados")
self.etique8.place(x = 300, y = 550)
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 81
self.etique2 = Label(root, text="Control Manual de la Válvula")
self.etique2.place(x = 30, y = 550)
self.valve_btn = tk.Button(root, text="ENCENDER VÁLVULA", command =
self.valve_ON, bg = "green")
self.valve_btn.place(x = 30, y = 570)
self.exit_btn = tk.Button(root, text="Salir", command = self.client_exit)
self.exit_btn.place (x = 615, y = 570)
self.etique3 = Label(root, text="Universidad de San Buenaventura Cali")
self.etique3.place(x = 5, y = 630)
self.etique4 = Label(root, text="Proyecto de Grado")
self.etique4.place(x = 300, y = 630)
self.etique5 = Label(root, text="Andres Felipe Jimenez Caro")
self.etique5.place(x = 520, y = 610)
self.etique6 = Label(root, text="Jose Luis Jaramillo Arias")
self.etique6.place(x = 543, y = 630)
def valve_ON(self):
if GPIO.input(17):
GPIO.output(17, GPIO.LOW)
self.valve_btn.config (text ="ENCEDER VÁLVULA", bg = "green")
else:
GPIO.output(17, GPIO.HIGH)
self.valve_btn.config (text ="APAGAR VÁLVULA", bg = "red")
def client_exit(self):
exit()
def alarm_msg(self):
self.alarm_btn.destroy()
self.alarm_btn = tk.Button(root, text = "¡¡Alarma incendio!!", command = self.alarm_msg,
fg = "red", bg = "yellow", font = "Verdana 14 bold");
def _resetbutton(self):
self.running = False
self.etique9.config(text = "Detección Desactivada", fg = "red")
self.firedet_btn.config(text="INICIAR DETECCIÓN", command=self.startthread,
font="Verdana 11 bold") f_off = PhotoImage(file="fire_off.png")
self.w1 = Label(root, image=f_off)
self.w1.f_off = f_off
self.w1.place(x = 265, y = 549)
def startthread(self):
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 82
self.running = True
newthread = threading.Thread(target=self.fire_det)
newthread.start()
self.firedet_btn.config(text="PARAR", command=self._resetbutton, font="Verdana 11
bold")
f_on = PhotoImage(file="fire_on.png")
self.w1 = Label(root, image=f_on)
self.w1.f_on = f_on
self.w1.place(x = 265, y = 549)
def fire_det(self):
fpixel_on = 0
Rmean = 190
Bmean = 100
Gmean = 140
first_lth = 60
second_lth = 110
hth = 400
band = 0
while (cap.isOpened() and self.running):
ret, img = cap.read()
""" RECORTE DE IMAGEN [Height, Width] 310x380"""
crop_img = img[80:390, 130:510]
n_img = cv2.resize(crop_img, (0,0), fx=0.5, fy=0.5)
""" RGB A YCrCb"""
imgYCC = cv2.cvtColor(n_img, cv2.COLOR_BGR2YCR_CB)
height = np.size(n_img, 0)
width = np.size(n_img, 1)
for x in range(0, height):
for y in range(0, width):
"""Condición 1 (R > G > B)"""
if (n_img.item(x,y,2) > n_img.item(x,y,1)) and (n_img.item(x,y,1) >
n_img.item(x,y,0)):
C1 = 1
else:
C1 = 0 """Condición 2 (R>Rmean & G>Gmean & B>Bmean)"""
if (n_img.item(x,y,2) > Rmean) and (n_img.item(x,y,1) > Bmean) and
(n_img.item(x,y,0) < Gmean):
C2 = 1
else:
C2 = 0
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 83
""" Condición 3 (Y >= Cb)"""
if imgYCC.item(x,y,0) >= imgYCC.item(x,y,2):
C3 = 1
else:
C3 = 0
""" Condición 4 (Cr >= Cb)"""
if imgYCC.item(x,y,1) >= imgYCC.item(x,y,2):
C4 = 1
else:
C4= 0
""" EVALUACIÓN DE CONDICIONES"""
if (C1 == 1 and C2 == 1 and C3 == 1 and C4 == 1):
fpixel_on += 1
self.etique9.config(text = fpixel_on, fg = "red")
if band == 1:
if(fpixel_on > second_lth) and (fpixel_on < hth):
GPIO.output(17, GPIO.HIGH)
self.valve_btn.config (text ="APAGAR VÁLVULA", bg = "red")
GPIO.output(17, GPIO.HIGH)
self.alarm_btn.place(x = 230, y = 400)
band = 0
if (fpixel_on > first_lth) and (fpixel_on < hth) :
band = 1
else:
band = 0
fpixel_on = 0
self.etique9.config(text = "Detección Desactivada")
def show_frame():
_, frame = cap.read()
frame = cv2.flip(frame, 1)
cv2.rectangle(frame, (130, 80), (510, 390), (0, 255, 0), 2)
cv2image = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2RGBA)
img_array = Image.fromarray(cv2image)
imgtk = ImageTk.PhotoImage(image=img_array) lmain.imgtk = imgtk
lmain.configure(image=imgtk)
lmain.after(10, show_frame)
root = Tk()
root.title("Interfaz Gráfica Sistema Alarma y Control de Incendio")
SISTEMA ELECTRÓNICO DE ALARMA Y CONTROL DE INCENDIO PARA CUBIERTAS… 84
root.geometry("700x650")
lmain = tk.Label(root)
lmain.pack()
app = Window(root)
show_frame()
root.mainloop()