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1、4 8 测控技术 2 0 1 0年第2 9卷第 1 2期 基于 D S P的远程火灾监控系统设计 齐怀琴，徐刚，花 晓慧(齐齐哈尔大学 通信与电 f 程学院，黑龙汀 齐齐哈尔I 6 1 0 0 6)摘要：针对传统图像型火灾监控 系统在 火灾监控 时需要 实时地将现场图像传送到调度中心，并由工作人 员长时间不问断监控，存在传输的图像数据量过大、工作人 员工作量大等问题，在新的火情 自动识别算 法的基础上，设计 了一种新型的基于图像识别的火灾监控 系统。系统设计 了一种有效火情识别算法，并 应用到 D M 6 4 2芯片上，可以对现场图像 中的火情 自动识别，发现异常再将 图像通过 G P R S
2、模块远程无 线传输到监控 中心，由工作人员做进一步处理。结果表明，本 系统对火情能有效识别，传送数据量低，并 且 节省 了大量 人力。关键词：火灾监控；D M 6 4 2；火情识别算法；无线传输 中图分类号：T P 2 7 7 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 0 8 8 2 9(2 0 1 0)1 2 0 0 4 8 0 4 De s i g n o f Lo n g Di s t a nc e Fi r e De t e c t i o n S y s t e m Ba s e d o n DSP Q f H u a i q i n，X U G a n g，HU A Xi a o h
3、u i (I n s t i t u t e o f C o n m mn i c a t i o n a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g，Q i q i h a r U n i v e r s i t y，Q i q i h a r 1 6 1 0 0 6，C h i n a)Abs t r a c t：Co n v e n t i o n a l f i r e d e t e c t i o n s y s t e m b a s e d o n i ma g e p r o c e s s i n g r e q u i r
4、e s i t s e l f t o t r a n s mi t a r e a l t i me l i v e i ma g e t o t he d i s p a t c h c e n t e r，a n d t h e s t a f f mu s t c o n s t a n t l y mo n i t o r t h e i ma g e f o r a l o n g t i me，a n d t h e r e i s e x c e s s i v e i ma g e d a t a t r a n s mi s s i o n，h e a v y wo r k
5、 l o a d a n d o t h e r i s s u e s o f s t a f f Ba s e d o n a n e w fir e a u t o ma t i c t e e o g ni t i o n a l g o r i t h m，a n e w fir e d e t e c t i o n s y s t e m b a s e d O i l i ma g e p r o c e s s i n g i s d e s i g n e d T h e s y s t e m d e s i g n s a n e f f e c t i v e fir
6、 e r e c o g n i t i o n a l g o r i t h ms，a n d i s a p p l i e d t o t h e DM6 4 2 c h i p，a n d c a n a u t o ma t i c l y r e c o g ni z e t h e fi r e i ma g e，a n d t h e n t h e a b n o r ma l i ma g e s wi l l b e l o n g d i s t a n c e wi r e l e s s t r a ns mi t t e d t o t h e mo n i t
7、 o r i n g c e n t e r t h r o u g h GPRS mo d u l e，t h e s t a ff wi l l d o f u r t h e r p r o c e s s i ng Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e s y s t e m c a n e f f e c t i v e l y i d e n t i f y t h e fi r e，wh i c h ma k e s t he a mo u n t o f d a t a t r a n s mi t t e d l o w a n d
8、 s a v e s ma n p o we r Ke y wo r d s：fir e d e t e c t i o n；DM6 4 2；fir e r e c o g ni t i o n a l g o r i t h ms；wi r e l e s s t r a n s mi s s i o n 火灾是 比较严重的 自然灾害之一，它会对 自然坏 境、人类的生命安全造成重大威胁，因此研究火灾探测 有重大意义。目前，存在一些比较成熟 的火灾探测方 法，如感温、感光、感烟探测器，但对大面积、大空问场 所效果并不明显。而远程数字化视频监控系统具有布 控区域广阔、近于无限的无缝扩展能力、易于
9、组成非常 复杂的监控 网络等特点，将成为今后发展的趋势。当前的火灾远程监控系统，大多是将摄像头采集到的 现场视频图像经过压缩后直接通过有线或无线的方式 传送到火灾 监控 中心，而后通 过 人 为方 式来 判 断足 收稿 日期：2 0 1 0 0 4 1 7 基金项 目：黑龙江省教育厅科研 资助项 目(1 0 5 4 1 2 6 2)作者简介：齐怀琴(1 9 5 3 一)，女，山东昌邑人，教授，学士，主要 研究方向为电子信息及传 感器技术等；徐刚(1 9 8 2 一)，男，黑龙 江大庆人，硕 士研 究生，主要研 究方向为计算机应用。否有火情发生。对于火灾 的远程监控，视频的前端处 理非常重要。由
10、于火灾发生情况较少，所 以传送 的视 频在大多数时候是安全情况下 的画面，而又由于火灾 的突发性，这要求监控 中心的工作人员必须 2 4 h不问 断地监视各个监测点传送 回来的视频画面，否则仍将 可能延误火情的发现，造成重大损失 一。现，对 图 像 型 火 灾 火 焰 识 别 的研 究 比较 多，Y a m a g i s h i 等人提出了基于 HS V空间和神经网络的彩 色图像火焰检测算法，N o d e 等人提出了隧道火灾图 像检测算法，但这些研究都只局 限于火焰的颜色特 征，而忽略 了火焰 的动态特征，而且这些算法较为复 杂，在嵌入式系统中很难做到实时处理。针对 以 问题，笔 者提 出
11、 了一 种新 型 的 火灾 监控 系统，利用 C C D摄像头对火灾 区域进行监控，获取现 场图像，通过数字图像处理手段，简化火灾火焰颜色特 性部分算法，增加 了对火灾火焰的动态特征的识别，确 基 于 D S P的远 程 火 灾监控 系统设 计 4 9 定视频 中是否含有火灾火焰，并且用 以 D M6 4 2为核心 的系统来实现。1 系统构成与工作原理 本系统的硬件框图如 1所示。本 系统采用 T I 公 司 的 D S P芯 片 T MS 3 2 0 D M6 4 2作 为 主 芯 片，以 此 芯 片为基础，系 统 还 进 行 了相 应 的扩 展 和 配 置，配 置 了 3 2 MB的 F
12、l a s h和 2 5 6 MB 6 4位 S D R A M，可存储多达 3 2帧图像，利用标准 R S 2 3 2接 口连接到无线分组业务(G P R S，g e n e r a l p a c k e t r a d i o s e r v i c e)数据 传 输模 块。C C D摄像机通 过视频解码 芯片将采集到 的图像数据 输入 到 T M S 3 2 0 D M6 4 2芯 片 中，再 通 过 芯 片 内部 的增 强 D MA(E D MA)控制器输入到缓冲区中，并对缓冲区 的数据进行处理，再利用火情识别算法判断是否有火 灾发生。如出现异常情 况，则通过 G P R S模块将数
13、据 发送 到监 控 中心。1系 统 馒 件 框 图 本系统 采用监控 中心 的 P C机作 为上位 机，上位 机收到图像后，根据监测点标识代码来确定火灾地点 并显示现场图像信息，由工作人员最终判断是否有火 情发生。2 系统模块设计 本系统主要 由 D S P处理模 块、视频解码模块、接 口模块、G P R S数据传输模块 和上位机监控显示模块 组成，上位机监控显示模块利用无线 网络和 G P R S数 据传输模块与 D S P处理模块、视频解码模 块、接 口模 块连接，并进行数据传输。D S P处理模块 和上位机监 控显示模块 由本系统的软件设计完成。2 1 视 频解 码模 块 根 据森 林
14、的地形 地 貌 以及 火 灾容 易 发 生 的地 点、气候风 向等因素合理布置监测 点，安装在监测点 的摄 像头要能够检测到设定 区域，采集的森林 图像要满足 一定的精度。本系统采用 C C D摄像头，传送 P A L N T s c制式信号，视频解码器采用 T I 公 司的 T V P 5 1 5 0解 码器。T V P 5 1 5 0是超低功耗、支持 N T S C P AI S E C A M 等格式的高性能视频解码器，在正常工作时，它的功耗 仅为 1 1 5 m w，并且 具有 超小封 装(3 2脚 的 T Q F P)。D M6 4 2芯片利 用 1 2 C总线完 成对 T V P
15、5 1 5 0的 O O H、0 3 H、O D H、O F H、1 B H等 内部寄存器进行读写控制，将 P A L N T S C制 式 信 号 转 换 为 8位 4：2：2的 I T R B T 6 5 6 信号，通过 D M 6 4 2芯片 的可编程 视频 口 V P 0 进行无缝 连接，进入到缓存 区，然后供 D M 6 4 2处理。其 中，D M6 4 2中 D A T c o p y 2 d()函数可将 可编程视频 口V P O捕捉到的图像信息快速传输到 S D R A M中。2 2 D S P处理模 块 D S P芯片选用 T I 公司的 T MS 3 2 0 D M6 4 2
16、芯片，其 核心是 C 6 4 1 6型高 性 能数 字 信号 处 理器。T M S 3 2 0 D M 6 4 2采用第 2代高性能、先进的超长指令字 V e l o c i T I 2结构的 D S P核及增强的并行机制，在 6 0 0 MH z 的 时钟频率下，其处理性能为 4 8 0 0 MI P S。D M6 4 2将图 像存储到 S D R A M 中，并利用火情识别算法对 图像数 据进行处理，判断是否有火情发生。如有情况发生，将 图像数据及时问、位置等信息通过 R S 2 3 2串口发送给 G P R S模块。2 3 上位 机监 控显 示模块 和 G P R S模块 上位 机 可
17、以 采用 连 接 至 I n t e r n e t、拥 有 公 网 I P地 址的计算机来担当，它通过 I n t e r n e t 接收来 自G P R S模 块传送 回来 的火灾图像等信息，并将信息显示出来、储 存并报警，供监控 中心的工作人员进行进一步的处理。3 火 灾识别算 法 本设计提出的火灾识别 算法分两个步骤进行：第 1 步，先对现场图像进行预处理，利用火焰 的静态和动 态特性，通过 阈值对现场图像进行分割，进而提取主要 检测 目标；第 2步，通过设定模糊判定法则以及隶属度 函数来判断 目标是否为火焰。3 1 疑 似 目标 提取 色彩是火焰的主要静态特征，H S I 色彩空间
18、是从 人 的视觉 系统 出发，用 色调(h u e)、饱 和 度(s a t u r a t i o n)和亮度(i n t e n s i t y)来描述色彩，更加方便于色彩的处理 和识别，其 中图像的 H I S分量是 由 Y C b C r 模型分量通 过下式得到的。2 4296 46 R H：0 若 B G 3 6 00 若 B G 式 中，：ar c cosI 1 (G)+(R 一 曰)I【r(l+=J S 1 一 j 酉 m i n(尺，G，曰)，=(+G+岳 一 一 一 5 0 测控技术 2 o m 年第 2 9卷第 l 2期 由 七可知，色调分 V,3-i 卜 算过于繁琐。2为
19、一 幅火灾图像及它的色渊、饱和度和亮度的分量。图 中显示，火灾图像 的饱和度和亮嚏的分 图最能体现 火焰特征。原图 一 色调分 饱和度分量 亮度分量 2火 灾 罔 像 得 分 量 因此，火焰 目标提取主要针对火灾 像的饱和度 特征和亮度特征进行处理 对视频图像 中的第 i 帧的 图像，通过没定阈值，对其饱和度分量图和亮度分键图 做二值化处理，提取饱和良分地图和亮度分量 的公 共的目标 域，作为 G，。由于火焰燃烧时的相邻 像问火焰图像部分存在 差异，而背景图像部分基本不变，因此利用火焰 像 的 上述动态特性进行火焰图像提取：埘相邻两帧图像提 取 目标 域图像为 G 、G +，然后对这两幅图像进
20、行相 减处理(对于像素小于 0的值为 0)，生成 像 G 1)(，)C O(，Y)=一 应用 Wi e n e r 滤波器对 G D(X，Y)进行 平滑处 理，去 除孤立点噪声，然后利用 以下方法判断出图像 G +中 的火灾区域。本文改进了 域增长法，不仅种子的选 取采用差分图像，增长条件也从一般 的判断单方向梯 度改进为判断各个方向梯度的最大伉，这样 呵有效减 少像素 的漏判。具体步骤 女 I】下：步骤 I：以图像 G D(，Y)作为歼 始榆测 标像素 集。步骤 2：以新的像素集作为检测起始。步骤 3：确定聚类条件作为像素增长准则、与种子点相邻；像素点本身的亮度值大于 7 1，经试验，7 一
21、般取 值在 0 9左右比较合适；定义 G 图像 中各 向的梯度最大值 R(，Y)，因为火焰区域中 R(，y)般取值较小，因此设定 R(，Y)0 1基本可以有效检测到火焰 区域。其巾，R(，Y)定义 为 尺(，Y)=1 1 fi X(i G +【(，)+1)一G +I(，y)I，G +(，J一1)一G +(z，v)，+，(r+j，)一G +(，y)J，；G +(一1，)一G(y)I，1 G +(+1，+1)一G +1(，y)I，J G +(+1，一1)一G +(，)J，G +(一1，+1)一G(，y)l，1 G +(一1，)一1)一G +(，y)1)步骤 4：对整幅同像进行搜索，找到符合步骤 3
22、的 像素，加入到像素集并牛成新的像素集。然后判断像 素集的像素是否增加，如果增加回到步骤 2，如果没有 增加，执行步骤 5。步骤 5：用像素集里的像素生成图像 G 。3 2 模糊判定法则 由于火灾监控现场的复杂性，各种干扰源都可能 出现，因此对火灾 目标 的识别存在模糊性。本设计定 义模糊数学的隶属函数来判断 目标是否为火灾。提取 疑似火焰图像后，主要从疑似火焰图像 的重心位置变 化，和面积变化 比率来分析。面积定义为 日标提取二值图像 中像素为 1 点的总 和。s：G (i，)-0 _-、对于一个 m X n大小的图像面积变化率定义为 n S，5 首先 以重心位置变化考虑，定义 目标图像 的
23、重心 位置，则二值化后 的图像 G 重心位置 C(，Y )为 卜 ()(G )本文通过计算各帧 图像的重心坐标位移偏移量 C D L ，及 与日标图像标准长度大小 的 比率 来设 定隶属函数，其中 C D L，、L 、L v 分别定义如下 C D L =、(一 一 1)+(Y 一 Y 一。)。Ls=CI)L，厶 由于火灾现场的火焰处于一种不稳定状态，其变 化十分复杂。因此本文构建了两层模糊分类系统，定 义的两个隶属函数分别为 竽 o s b I 1 t l As t 1一t 黪 一 _ 基 于 D S P的远程 火灾监控 系统 设计 5 1 一Lv 0 ，J t i f 1 f 1，J f f
24、 2 t t 2 度函数设置合理准确，能够有效识别火焰。由于面积变化率和重心 坐标偏移率的非相关性，其 中任何一项都可以独立判断火灾是否发生，因此，两 者的乘积对判断火灾更为准确。最后的定义隶属度 函 司 数 o r 为 4 实验结果及数据分析 为了验证算法的性能，对大量火灾视频进行 了研 究实验，图 3(a)为从 火灾视频 中提取 1 2帧连续变化 的火焰 图像，通过 3 1节提出的火焰 目标提取方法，得 到了目标图像，如网 3(b)所示。(a)火焰在检测视频 巾的变化 像序列(b)目标 提 取 后 的 I 像 J 子歹 1 图 3 火焰 罔像及提取后 图像 从图 3(b)中可 以看 出 3
25、 1节的火焰 目标提取算 法能基本有效地提取火焰 目标。通过大量实验可以得 出，当 t 5 l=0 2 5，t 蛆=0 7 5 t=0 0 1，t f2=0 1 2时，一 定有火灾发生。图4显示 了上述 l 2帧火焰 图像序列 的面积变化率 A S和重心偏移量 比率，通过结果可 以看到它们都在上述阀值范围内。对灯光图像和蜡烛 图像进行测试，分别提取 r连 续的 5帧图像，并分别计算 了隶属度，表 1列出了计算 结果。表 2对各种 目标进行 了分析，通过分析表 明隶属(a)提取后图像序列的面积变化率 A S曲线(b)提取后图像序列的重心偏移量比率 曲线 图 4 面积变化率 A S曲线和重心偏移量
26、 比率 曲线 表 1 其他情况的隶属度数据 路灯 蜡烛 公路上车灯 光亮部分基本静止，熏心偏移量 比率及面积变化率都接 近 为0，因此隶属度为 0。重心偏移量 比率 及面 积变化 率都很 小，因此隶属 度很 小。重心 偏移量 比率 较大，但 面积变化率接 近为 0，因此 隶 属度 为0。5 结束语 以上提 出了一种基于 D S P的远程火灾监控系统，利 用 了 F MS 3 2 0 D M 6 4 2芯 片 和 G P R S模 块。由 于加 入 了一 种新 的火 灾识 别 算 法，使 系统 可 以对 火 灾 自动识(下转第5 6页)5 6 测控技术 2 0 1 0年第2 9卷第 1 2期 布
27、线方案，由主控机房的网络交换机通过光纤与生产 现场的串口服务器(串口设备联 网服务器)联系，串口 服务器与现场设备通过 R S 4 2 2串行总线交换数据。在本系统中共有 3 0个控制终端，控制核心为嵌入式 P C 1 0 4中的 MS M 4 8 6 S V模块，它是一个基于 P C 1 0 4 的高可靠性、高集成度的 A L L I N O N E C P U模块；它在 P C 1 0 4的标准尺寸上集成了计算机的所有功能，包含 标准 P C的一般接 口，还具备 S V G A和 L C D接 门，适应 嵌入式的应用，而对 MS M 4 8 6 S V 板进行一系列附加 特性设计，使得基于
28、该模块的嵌入式系统开发和升级 非常容易。串口服务器选用 Mo x a 公司的有 1 6个 串 口的 N p o n S e r v e r P r o D E 3 0 3，因此需要 2个 串口服务 器。D E 3 0 3在系统中处于协议转换层，其作用是完成训一 算机和终端之间的数据交换。同时 D E 3 0 3提供多种驱 动配置的解决方案，可轻松实现通信数据的尢缝转换。终端 1 终端 1 5 终端 I 6 终端 3 O 图 1系 统组 成 框 2 串口服务器的工作方式 主机对控制终端的访 问，其实是对串【_ J 服务器各 端 口的访问，串口服务器的操作模式分为 4种：主,ff L 驱动程序模式
29、、S o c k e t 模式、对等连接模式和以太网调 制解调器模式。对 于本系统适用主机 驱动程序模式 和 S o c k e t 模式。主机 驱动模式使用 M o x a公 司提供的驱动程序 在主机与串口服务器之问建立一个透明的传输通道，将服务器上的每一个串口虚拟映射成主机上的一个标 准串口，也就是说每个串口服务器上的 1 6个串口分别 映射到主机上的串 口设备 C O M(n)C O M(n+1 5)，且可以继续使用原有的基于 R S 一 2 3 2 4 2 2串口通信的 软件，无须对软件和设备本身进行任何修改。这种工 作模式要求在主控计算机 I 二 安装串 1 服务器的驱动程 序，驱动
30、程序负责将发送到主机串 口上的数据打包发 送到主机所连接的网络上。在连接的另一端，串口服 务器从以太 网上接收 T C P I P数据包，解释包 中的数 据，透明发送到相应的串口设备(即控制终端)。这种 工作模式缺点在于只适用于 Wi n d o w s 操作系统。S o c k e t 模式 又分 为：T C P S e r v e r、T C P C l i e n t 和 U D P S e iw e r C l i e n t，这种模式的最大优点在于主机不再受操 作系统的限制，可以用 T e l n e t 或 We b网页配置参数。T C P协议称为面向连接 的字节流式套接字，必须在
31、有 请求时才发送数据，并且收到数据后才需要回应，它可 以提供双向的、可靠 的、有序 的和无重复投递的数据 流。U D P(u s e r d a t a g r a m p r o t o c o 1)协议称为无连接的数 据报套接字，运行在服务器和客户端的两个程序不用 建立连接，而是以收、发数据报作为通信方式，通信 的 内容以“数据报”短信息的形式实现，每个数据报文有 独立的源地址和 目的地址，传输时不能保证对方一定 能收到，也不能保证收到的报文次序。3 系统 的软件设计工作 3 1 主控计算机的程序设计 本设计系统采用 厂U D P S e r v e r C l i e n t 模式，在由
32、 串 口服务器通过 固定网络通路，根据S o c k e t 程序包中(上接 第 5 l页)别，并通过 G P R S模块将 现场图像传送到监控 中心。本系统和 目前应用的系统相 比，火灾识别算法更为简 单有效，易于在嵌入式系统中实现，而且降低了监控中 心工作人员的工作强度，使远程火灾监控的成本大为 降低。实验结果表明，整个系统具有对火灾的识别率 高、成本低廉等优点，可扩展应用在楼字火灾监控、隧 道火灾监控等诸多领域。参考文献：1 黄振华，李正 明，潘天红 基于 图像型森林 火灾无线远 程 监控系统 J 传感器与微系统，2 0 0 9，2 8(3)：8 6 8 7 2 张素文，付薇，刘明兰 嵌
33、人式视频图像传输系统的设计 与实现 J 微计算机信息，2 0 0 7，2 3(8)：2 22 4 3 徐凡，袁杰，田东 基于视频的嵌入式森林火灾预警系统 J 计算机应用，2 0 0 8，2 8(1)：2 6 4 2 6 6 4 Y a ma g i s h i H，Y a ma g u c h i J F i r e fl a m e d e t e c t i o n a l g o r i t h m U s i n g a c o l o r c a me r a A 1 P r o c e e d i n g s o f 1 9 9 9 I n t e r n a t i o n a
34、l S y mp o s i u m o n Mi c r o me c h a t r o n i c s a n d Hu ma n S c i e n c e I C I N a g o y a，J a p a n，1 9 9 9：2 5 52 6 0 5 N o d a S，U e d a K F i r e d e t e c t i o n i n t u n n e l s u s i n g a n i m a g e p r o c e s s i n g m e t h o d A J P r o c e e d i n g s o f V e h i c l e N a v i g a t i o n a n d I n f o r m a t i o n S y s t e m s C o n f e r e n c e C Y o k o h a m a，J a p a n，1 9 9 4：5 7 6 2 6 韩妮，关字东，徐 枭字 基 于图像识别算 法的森林防火 系 统设 汁 J 科技 导报，2 0 0 8，2 6(5)：7 78 0 7 王跃 宗，刘 京会 T M S 3 2 0 D M642 D S P应用 系统设计 与开 发 M 北京：人 民邮电出版社，2 0 0 9-0 5 口