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Im 6. Semester entstand mit meinen beiden Teamkollegen das Projekt VEBA - der intelligente Brandmelder. Dieses stellt eine Kombination aus Hard- und Software dar, welche die Feuerwehr im Falle eines Brandmelderalarms bei der Einsatzplanung und während des Einsatzes unterstützt.

Um möglichst nutzerzentriert arbeiten zu können entschieden wir uns für eine enge Zusammenarbeit mit einem Kooperationsparter, um genau zu sein mit der freiwilligen Feuerwehr Schwäbisch Gmünd. Die gewonnenen und reflektierten Annahmen überprüften wir in weiteren Einrichtungen wie der Feuerwehr in Göppingen, Loch und Stuttgart.

Hardware

Um die Brandsituation im Gebäude besser abschätzen zu können, gestalteten wir einen intelligenten vernetzten Brandmelder. Ausgestattet mit diversen Sensoren trägt er zu einer verbesserten Branderkennung in Gebäuden bei. Dabei werden nicht nur sichtbare Gefahren wie offene Flammen oder Rauch, sondern auch unsichtbare Gefahren wie ein hoher Temperaturanstieg, Kohlenstoffmonooxid aber auch Gas mit hoher Genauigkeit erfasst.

Um ein Optimum der Sensorerkennnung zu gewährleisten, planten wir einen Luftdurchzug durch den kompletten Brandmelder. Zudem verfügt jeder Melder über visuelles und auditives Feedback im Fall einer Auslösung. Dadurch werden Personen im Gebäude auch bei einer unsichtbaren Gefahr, CO- oder Gaskonzentration, frühzeitig gewarnt.

Aufbau des Brandmelders

Umsetzung & Bau des Prototypen

Der Aufbau des Brandmelders kann in zwei Kernelemente eingeteilt werden. Die Aluminium-Hülle umschließt und sichert die Sensorik und wurde aus einem Aluminiumblock CNC-gedreht. Das Gehäuse für die Elektronik setzt sich aus acht 3D-gedruckten Teilelementen zusammen. Die Bauteile wurden in unterschiedlichen Ebenen angebracht, um die einzelnen Bauteile optimale zu platzieren und um somit ein ideales Analyse-Ergebnis des Brandes zu erhalten. Die ersten Prototypen fertigten wir mit Blauschaum an, um auf der einen Seite die optimale Größe zu ermitteln und auf der anderen Seite eine anspechende Haptik & Optik zu erzeugen.

Wichtigste Funktion des Brandmelders ist die Übertragung der Messwerte an die Alarmierungszentrale der Feuerwehr in Echtzeit. Aktuellen Daten vom Einsatzort bringen einige Vorteile mit sich. Der Brand und dessen Ausbreitung kann ab der Alarmierung überwacht werden, bereits vor Eintreffen der ersten Einheiten am Einsatzort. Das Auffinden und der Weg zum Brandherd sind von vorne herein bekannt, hier kann wertvolle Zeit eingespart werden. Dies trägt zu einer besseren Absicherung des zu schützenden Gebäudes bei.

Der selbst entwickelte Drehmechanismus verbindet die Aluminium-Hülle mit dem Innenleben. Drei Aluminiumzapfen an der Hülle werden in das Kunststoffgehäuse eingeführt und durch eine Drehbewegung im Uhrzeigersinn gesichert. Aus sicherheitstechnischen und haptischen Gründen wurden in die Zapfen und in das Gehäuse Magneten eingelassen, dadurch sind die zwei Kernelemente fest miteinander verbunden und rasten zudem angenehm ein.

Die Kommunikation zwischen dem Brandmelder (Arduino Nano) und der Brandmeldeanlage (Raspberry Pi 2) wird über eine Serielle-Verbindung realisiert. Das Arduino (Brandmelder) liest die Sensorwerte in Echtzeit aus und sendet dem Raspberry Pi (Brandmeldeanlage) im Falle einer Überschreitung der definierten Schwellenwerte einen Alarm, hier unterscheiden wir zwischen „sichtbaren“ und „nicht-sichtbaren“ Gefahren. Unser Software-Prototyp kommuniziert mit dem Raspberry Pi mittels Ethernet-Verbindung

Virtueller Blick ins Gebäude

Während der derzeitige Einsatzablauf eine Navigation im Gebäude erst durch vor Ort bereitgestellte Laufkarten ermöglicht, sind diese wichtigen Informationen durch VEBA bereits direkt nach Alarmierung in der Zentrale verfügbar. Dies hilft, wertvolle Zeit einzusparen. Durch digitalisierte Gebäudekarten für alle Stockwerke kann das Gebäude virtuell betreten und der Einsatz besser geplant werden. Informationen zu Fahrzeug-Stellflächen, besonderen Punkten im Gebäude und Auskunft über mögliche Gefahrenquellen lassen sich bei Bedarf einblenden. Mit dem zugehörigen Stockwerpanel kann mühelos in der Vertikalen navigiert werden, ideal bei größeren Bränden, die sich über mehrere Etagen hinweg ausgebreitet haben.

Bei der Produktgestaltung setzten wir auf eine runde Form, um an der Assoziation mit einem Brandmelder festzuhalten. Produktästhetik, zurückhaltende Eleganz und Funktionalität waren die Werte, die mit unserem Melder in Verbindung gebracht werden sollten. Als Material wählten wir Kunststoff im Kern, während nach außen Aluminium in Erscheinung tritt. Die endgültige Form erinnert stark an eine Turbine. Unser Brandmelder nimmt den Rauch / Gas auf und analysiert diese Stoffe. Durch die gewählte Formsprache herrscht im Inneren des Melders ein stetiger Luftstrom, dadurch kann die aktuelle Brandsituation zuverlässig abgebildet werden.

Software

Mit Hilfe unserer Einsatzsoftware liegen der Feuerwehr direkt nach der Alarmierung alle relevanten Daten zum Einsatz in digitaler Form vor. Dadurch entfällt die zeitaufwändige manuelle Beschaffung von Informationen.

Sowohl Anfahrtsweg zum Einsatzort, als auch genaue Umgebungs- und Gebäudepläne, erleichtern die Planung des bevorstehenden Einsatzes. Zusätzlich können Details zur Brandsituation in Echtzeit abgerufen werden, was dabei hilft, die mögliche Brandentwicklung bereits im Vorfeld besser abzuschätzen und gezielt dagegen vorzugehen. Auch den aktuellen Status der Einsatzfahrzeuge behält man stets im Blick, bei Bedarf sogar mit aktueller Position auf der Karte.

Die Anwendung ist übersichtlich und klar strukturiert aufgebaut. Auf der linken Seite befinden sich dynamische Informationspanels, die Auskunft über die aktuelle Lage bieten. Den rechten Bildschirmrand nimmt die Anzeige für den Fahrzeugstatus ein. Hier kann auf eine Blick erkannt werden, welche Fahrzeuge noch in der Zentrale stehen, auf dem Weg zum Einsatz, oder bereits angekommen sind.

Den größten Teil der Software nehmen die Kartenansichten ein, sie sind ständig hinter den Panels sichtbar. Um vor und während des Einsatzes immer die passenden Information verfügbar zu haben, entschieden wir uns für die Aufteilung des Kartenmaterials in drei Ansichten.

Anfahrtskarte

Diese erste Ansicht hilft bei der Wegfindung zum Einsatzort. Ein wichtiges Feature ist das individuelle Routing, welches individuell die Anforderungen für jedes Fahrzeug an die Strecke (maximales Gewicht, Höhe, etc.) berücksichtigt und anpasst. Optional können zudem Informationen zur Beschaffenheit der Strecke (Steigung, Verkehr, Höhe, Breite und Art des Belages) eingeblendet werden. Auch die Position der einzelnen Fahrzeuge lässt sich mittels GPS-Ortung anzeigen.

Da nicht jedes Fahrzeug der Feuerwehr die gleichen Anforderungen an die befahrbare Strecke stellt, müssen gewissen Faktoren betrachtet werden, um ein optimales Routing zum Einsatzort zu gewähren. Durch kleine Marker können diese zusätzlichen Informationen nach Bedarf eingeblendet werden was ein besseres einschätzen der benötigten Zeit zum Einsatzort ermöglicht.

Durch eine übersichtliche Anordung der einzellnen Informationspanels werden nur die wichtigen Informationen Angezeigt. Angenehme farbkontraste ermüden nicht das Auge und ermöglichen so ein angenehmes Arbeiten am Screen.

Übersichtskarte

Hier werden alle relevanten Informationen zur näheren Umgebung des Einsatzortes bereitgestellt. Hydranten, Gasleitungen, Befahrbare Straßen / Zufahrten und Sammelplätze lassen sich ein- und ausblenden, somit hat man immer Zugriff auf das, was in der aktuellen Situation von Bedeutung ist. Da auch der Brandherd im Gebäude gekennzeichnet ist, können Fahrzeuge optimal positioniert werden.

Die permanent angezeigten Informationspanels ändern je nach Darstellung ihr Informationsgehalt. So werden in der Umgebungsansicht Informationen zu (Not-)Ein- und Ausgängen angezeigt. Mögliche Gefahrenstoffe in bestimmten Bereichen des Gebäudes können dadurch sofort erkannt werden.

Durch eine Markierung des genauen Einsatzortes können sich die ensprechenden Fahrzeuge richtig Positionieren ohne relevante Zeit zu verlieren. Eine Übersicht der näheren Umgebung ermöglicht zugleich eine Planung zum einrichten einer Umleitung des Verkehrs.

Gebäudekarte

Möchte man genaue Informationen über das Gebäude erhalten, so stehen hier die Pläne der einzelnen Stockwerke zur Verfügung. Mithilfe eines Panels kann zwischen den Stockwerken gewechselt werden, um die Auswirkungen des Brandes abzuschätzen.

Durch eine stilisierte Darstellung der aktuellen Situation in allen Räumen mithilfe von Livedaten kann auf einen Blick erkannt werden, welche Räume wie stark betroffen sind. Durch eine einfache Farbkodierung & Trandanzeige durch einen Pfeil wird vermittelt wie sich beispielsweise ein Feuer in nächster Zeit weiter verhält.

Brandmelderansicht

Klickt man auf einen Brandmelder, so wird die Karte auf eine detaillierte Ansicht der Sensorwerte gezoomt. Durch Diagramme, Farbcodierung und die Pfeildarstellung des aktuellen Trends kann die mögliche Brandentwicklung abgeschätzt werden. Möchte man die Brandsituation ab dem Auslösen des Melders nachvollziehen, so kann die zeitliche Entwicklung mit dem Wiedergabepanel abgespielt werden.

Dieser Informationsgehalt dient nicht nur der aktiven Brandbekämpfung, sondern kann auch bei dessen Aufklärung helfen - wie und wo der Brandherd enstanden ist und wie schnell sich dieser verbreiten konnte.

Projektpartner

Benjamin Thomsen
Pascal Ruppert

Dozent

Prof. Hans Krämer

Tools

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Arduino UNO
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