CN101020104B - 基于视频检测的嵌入式森林火灾预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视频检测的嵌入式森林火灾预警系统，包括中心监控站和监测点，通过GPRS网络相互通信。监测点部分包含监测摄像头、嵌入式视频处理设备和GPRS数据传输模块，摄像头将采集到的视频信息传送到嵌入式视频处理设备，对数据进行火情识别分析，并在发现火情后迅速将警报信息压缩成数据包，通过GRPS数据传输模块经由GPRS网络传送到中心监控站；中心监控站内的终端控制器通过网络接收到数据包后解压并显示信息。本发明将数字图像处理技术、嵌入式技术以及无线通信技术有机结合。其自动识别火情，必要时刻传送数据的预警方式所需数据传送量少，无需人工实时监控。系统成本低，可靠性高，适用于大范围林区防火工作的需要，具有广阔的市场前景和极高的经济价值。

Description

基于视频检测的嵌入式森林火灾预警系统

一、技术领域

本发明涉及一种对森林进行火灾检测和报警的装置，具体地说是一种利用低功耗嵌入式技术，以及数字图像处理技术，自动检测视频信号，判断是否发生火情，并通过无线网络将警报、现场画面等相关信息传送给监控中心的预警系统。

二、背景技术

森林火灾是全球性的林业重要灾害之一，每年都会造成林木资源的重大损失和大范围的环境污染。目前针对森林火灾的监测，主要采用人工嘹望或者远程视频监控的方法。人工嘹望的方式比较落后，难以及时发现火情，往往延误扑火时间，造成严重后果。利用数字视频技术和现代通信技术设计的远程视频监控系统，其工作方式主要为：在林区各监测点安置摄像头，并通过有线或无线数据传输网络将实时画面送达监控中心，由中心工作人员实施监控。虽然此类系统避免了直接派驻人员的麻烦，可以一定程度上提高火灾警报的及时性，但实时视频的传输需要庞大且昂贵的通信网络保证。此外，发生火灾的情况相对比较少，故多数时候系统传送的是安全状况下的画面。但由于火情发生难以预测，理论上工作人员必须24小时不间断地监视各监测点传送的视频，否则依然可能延误火情的发现。此类预警系统的工作效率并不高。研究表明，可以将远程监控系统与嵌入式技术和数字图像处理技术相结合，首先在监测点对视频信号进行火情的智能识别处理，并仅在自动检测到异常的情况下传送相关数据到监控中心。这样的预警方式可以有效避免现有远程监控系统的种种不足。

三、发明内容

为了克服现有远程监控预警系统所具有的严重依赖人工监督、需要高成本通信网络的支持等缺点，本发明提供一种基于视频检测的嵌入式森林火灾预警系统。该系统在林区各监测点采集到视频数据之后，对其进行火情识别处理，并在监测到异常后通过无线网络传送警报和相关数据到监控中心。

本发明通过以下技术方案来实现：

预警系统由中心监控站和若干监测点构成，其特征是：监测点部分包含监测摄像头、嵌入式视频处理设备和GPRS(通用无线分组业务)数据传输模块，其中摄像头和GPRS数据传输模块均与嵌入式视频处理设备相连接；中心监控站主要包含终端控制器，终端控制器可以是具有数据处理功能的，连接至因特网并拥有公网IP地址的计算机。摄像头将采集到的视频信息传送给嵌入式视频处理设备，由该设备负责对数据进行识别分析，并在必要时(即发现火情时)将相关信息通过GRPS数据传输模块传送给中心监控站的终端控制器(图像信息在传送之前，将首先进行JPEG压缩，以降低数据传输量)；监控中心的管理人员也可以操控终端控制器，通过GPRS网络传送控制信息给各监测点的嵌入式视频处理设备，人为请求现场数据的传送，或者调节识别算法所需的各项参数。

本发明中，嵌入式视频处理设备采用32位ARM9系列处理器，支持USB(通用串行总线)2.0协议，支持移动存储设备(MMC/SD卡)。该设备中64M字节SDRAM作为内存，16K字节EEPROM存放启动代码，64M字节Flash存放操作系统和控制程序。此外还包含可与GPRS数据传输模块通信的RS232串行接口，以及模拟视频解码模块。

本发明中，嵌入式视频处理设备既支持USB接口的数字摄像设备，可以通过USB协议直接读取数字图像信息；也支持PAL/NTSC制的CVBS(复合电视)信号，可将模拟信号解码为符合ITU(国际电信同盟)656格式的字节流。该设备中模拟视频解码模块特征为：ARM处理器通过CPLD(复杂可编程逻辑器件)与视频解码装置和RAM(随机存取存储器)相连；ARM处理器读取同步信号，控制视频解码装置向RAM提供视频字节流，并通过RAM接受数字视频信号。

软件方面，嵌入式视频处理设备选用开放源代码的Linux作为操作系统。视频处理设备和终端控制器都由专为本系统设计的监测程序控制。

本发明中的嵌入式视频处理设备具有低功耗、低成本、体积小、易升级等特点。其系统工作电压为5V，工作电流50mA左右。

嵌入式视频处理设备中应用到的火情识别算法，主要利用数字信号处理技术，通过分析监测画面上各区域的平均亮度和色度信号的变化关系，来判别是否有火情发生。该算法对于画面中出现浓烟、火光等局部区域的异常现象敏感，而对光照变化、天气变化等画面的整体性变化不敏感。工作时，系统最高可以达到每秒处理两帧画面的能力。虽然该算法存在不可避免的误差，可能对图像中的一些干扰发出误报，但由于误报的情况发生频率低，且当数据送达监控中心后，工作人员可以通过观察现场拍摄的图像排除误报干扰，故不会影响系统的可靠性。

本发明的有益效果是：可以通过分析监测现场的视频数据识别是否发生火情，并在必要时刻传送画面和相关数据到监控中心。这样的监测方式仅在发现异常时传送数据，极大地减少了数据传送量，使得系统可以直接利用现有的GPRS无线网络收发数据，免去了另建通信网络维护系统运营的必要。此外，该系统使得中心工作人员无需24小时不间断监视各监测点视频，只需在得到警报的情况下通过传回的画面判断现场情况，并作相应处理。这种方式一方面降低了人员工作强度，提高了效率；另一方面减小了由于人为疏忽造成警报延误的可能性。

四、附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明中嵌入式视频处理设备的结构示意图；

图3是嵌入式视频处理设备中模拟视频解码模块的结构示意图；

图4是火情识别算法中划分监测区域的示意图；

图5是监测点主监测程序的流程图；

图6是本发明中使用的火情识别算法流程图；

图7是嵌入式视频处理设备中模拟视频解码模块的电路原理图；

图8是嵌入式视频处理设备中电源模块的电路原理图；

图9是嵌入式视频处理设备中嵌入式处理器的电路原理图；

图10是嵌入式视频处理设备中Flash、SDRAM和EEPROM的电路原理图；

图11是嵌入式视频处理设备中接口模块的电路原理图。

五、具体实施方式

一种本发明所述的基于视频检测的嵌入式森林火灾预警系统，包括若干监测点1，以及中心监控站2(见图1)。其中监测点由嵌入式视频处理设备3、视频摄像头4和GPRS数据传输模块5组成；监测站则主要由终端控制器6(可以是连接至因特网，并拥有公网IP的计算机)构成。摄像头4将采集到的现场视频传送给嵌入式视频处理设备3。如果系统选用USB接口摄像头，则嵌入式视频处理设备3通过USB1.1或2.0协议直接读取数字图像信息；若果选用模拟摄像头，CVBS视频信号将首先通过嵌入式视频处理设备3中的模拟视频解码模块转换成符合ITU656格式的字节流，之后再将数据读入系统内存。嵌入式视频处理设备3按照火情识别算法判别当前画面中是否存在异常：如果无异常，则继续处理下一帧图像；若发现异常，则将现场画面按照JPEG格式进行压缩，并将压缩后的数据连同时间信息，以及监测点代码载入数据包。嵌入式视频处理设备3与GPRS数据传输模块5用RS232串口相连。嵌入式视频处理设备3利用RS232串口通信协议将装载好的数据包传送给GPRS数据传输模块5，数据传输模块5通过GPRS无线网络将数据包发送给提供GPRS服务的移动公司，并由该公司服务器将数据传送至因特网。中心监控站2的终端控制器6通过因特网接收到自监测点1传送的数据包，从数据包中提取JPEG图像数据后解压缩，根据监测点代码确定其地点，并向监控人员显示警报发生的时间、位置和图像等警报信息，由监控人员最终判断是否发生火情。

本发明支持监控人员通过终端控制器6操控监测点1，包括请求传送现场画面，设置识别算法所需参数等操作。其基本流程为：监控人员利用终端控制器6提供的操作界面设定相关命令；终端控制器6依照一定格式将命令编码，载入数据包并通过因特网传送至提供GPRS服务的移动公司；该公司再将数据通过GPRS网络发送到相应的GPRS数据传输模块5；最终，监测点1内的嵌入式视频处理设备3经GPRS数据传输模块5接收到数据包后解码，取出命令并执行相应操作。

图2是本发明中嵌入式视频处理设备的结构示意图。该设备包含嵌入式处理模块7、模拟视频解码模块8、接口模块9以及电源模块10。模拟视频解码模块8以及接口模块9均与嵌入式处理模块7相连。电源模块10分别连接嵌入式处理模块7与模拟视频解码模块8。嵌入式处理模块7由嵌入式处理器11、内存单元12、启动BIOS 13以及Flash存储单元14构成；接口模块9则包含USB视频接口15、USB Client接口16、Debug串行接口17，用于连接GPRS模块的串行接口18，以及MMC/SD卡插槽19。电源模块10负责向嵌入式处理模块7与模拟视频解码模块8提供各自所需的稳压直流电；嵌入式处理模块7通过嵌入式处理器11上的GPIO口连接并控制模拟视频解码模块8，将模拟摄像设备传送过来的PAL/NTSC制式CVBS信号转换为符合ITU656格式的字节流，并传输至内存单元12；嵌入式处理模块7亦可通过接口模块9实现与USB摄像设备、MMC/SD卡、GPRS数据传输模块以及外部计算机之间的通信。

嵌入式视频处理设备中的嵌入式处理模块7采用ATMEL公司生产的AT91RM9200处理器作为嵌入式处理器11，其工作频率为200MHz，工作温度：-40℃～80℃；内存单元12选用两片32M字节SDRAM；16K字节IIC接口的EEPROM作为启动BIOS 13存储上电后的系统引导程序；Flash存储单元14选用一片64M字节NAND Flash芯片存放操作系统和控制程序等。

本发明中模拟视频解码模块的结构见图3，其设计细节如下：嵌入式处理器11通过CPLD20与视频解码器21相连，控制视频解码器21的运行(包括视频解码器21的初始化设置等)；视频解码器21的主要功能是将模拟视频信号转换为数字视频字节流；CPLD 20负责将解码器21输出的字节流存入静态存储器22中；嵌入式处理器11则可在一帧图像转换完毕之后，通过CPLD 20从静态存储器22中快速读取视频数据，并交由识别算法作进一步处理。嵌入式处理器11对解码器21、CPLD 20的控制，以及对静态存储器22内数据的读取操作均通过GPIO口完成。

本发明使用Philips公司的SAA7113视频解码器，其工作状态的设置均通过IIC总线进行。工作时，系统利用嵌入式处理器的两个GPIO口模拟IIC总线的SDA和SCL信号，对视频解码器21设置各项操作命令。本发明中选用的CPLD为Lattice公司的LC4128V，静态存储器22采用ISSI公司的IS61LV5128存储芯片(容量512K字节)。由于每次都在连续地址范围内存储视频数据，本发明在CPLD中设置计数器，并将其输出作为静态存储器的地址信号。读视频数据之前，计数器输出被设置为视频数据存储区的起始地址，嵌入式处理器11通过GPIO口每读到一个字节，就向CPLD 20发送一个计数信号，使得静态存储器22的输入地址上升一位，以便读取下一个字节。采用这种方式，充分利用CPLD的大量I/O口和快速运算功能，减轻了嵌入式处理器的工作负担，为识别算法的执行预留了充足的系统资源。

本发明中系统的通信部分说明如下：监测点内的嵌入式视频处理设备将需传送的信息通过串口送至GPRS数据传输模块，该模块以GPRS资料包的形式通过GPRS无线网络把资料发送到中国移动的内部网(CMNET)，由中国移动通过GPRS服务节点(GSN)把资料送至因特网，最终到达因特网上拥有指定IP地址的服务器(即中心监控站的终端控制器)。反之，中心监控站也可以将相关命令以及参数信息通过因特网发送到GSN，并经CMNET传至各监测点。

本发明中嵌入式视频处理设备与GPRS数据传输模块之间的传输波特率最高可达115200。各类支持TCP/IP协议的GPRS MODEM均可作为传输模块应用于本系统。

本发明使用的火情识别算法以数字图像处理技术为基础，利用火灾发生前后视频画面上出现的亮度和色度信号的变化判别火情。其理论基础和相关设计细节如下：

与其它地区相比较，林区特点为人烟稀少、建筑物数量低。因此，林区内采集到的视频画面景物相对单一，且多数时刻画面内容的改变由天气变化或光照变化引起，速度上较为缓慢，且为覆盖整个区域的全局性变化。正常情况下，发生局部区域亮度或色度信号突变的概率较低(可能的状况例如鸟类飞行，或者人类活动等)。如果发生火情，白天会出现明显的浓烟，夜间则会产生火光。此类现象生成时间短，持续时间长，且初始时集中在局部区域。由于浓烟上升，在林地与天空交界处会造成亮度信号的不同程度变化。夜间虽然难以观察到浓烟，但林地内的火光可以明显提高局部区域的亮度，并且造成色度上富有特征的变化。本发明中使用的火情识别算法，正是利用上述特点进行设计的，主要分为烟流探测和火光探测两部分。

在火情识别算法运行之前，需要对摄像画面进行监测区的划分。监测区需根据摄像头的位置、监测点的地理环境以及监控人员对于火灾易发区的先验知识确定。如图4所示：对于烟流探测，监测区一般设定为地平线上方的矩形区域；而对于火光探测，监测区一般设定在林地覆盖的区域内。确定监测区后，系统将其进一步划分成一定大小的监测块，识别算法将以监测块为单位逐一检测火情。需要说明的是对于覆盖林地的区域，越靠近地平线的地方单位面积内覆盖的实际空间范围越大，故监测块尺寸越小。

嵌入式视频处理设备上运行的监测程序流程设计如图5所示。系统初始化后即进入主循环：首先嵌入式处理模块读取一帧YUV格式的视频数据，之后应用火情识别算法检测该帧数据，若算法未发现异常，则读入新的视频数据，进入下一轮循环；如果算法返回异常报告，则系统开始警报处理(包括压缩该帧图像及相关信息，并交由GPRS模块发送)，完成后进入下一轮循环。

火情识别算法的流程见图6。当系统进入识别算法流程后，首先调出监测区内的视频数据，之后以监测块为单位逐一检测。每一监测块都可能处于三种状态：正常、潜在异常或者异常。检测过程中，系统根据上一轮检测后确定的状态分别做相应处理：如果该监测块之前标识为正常，则系统对其作初级异常分析，检测该区域内亮度和色度数据的平均值是否存在超出某一域值的变化：如果存在，则将其状态标识为潜在异常；否则保持其状态参数不变。如果某监测块已处于潜在异常，系统对其作干扰判别分析，以排除可能的干扰。干扰判别不是在一轮检测中就可完成的，因为判别标准主要为该区域视频信号超出正常范围所持续的时间，以及亮度信号的波动情况等。因此系统在一定时间段内(即若干个循环内)记录下该监测块Y信号(亮度信号)的平均灰度值，在此期间该区域持续保持潜在异常状态不变。在该段时间内的最后一轮干扰判别检测中，算法主要统计该监测块的平均灰度值的分布状况，以及当前的气象信息，最终判别该区域是否出现异常：若判定为异常，则状态参数标识为异常；否则，标识为正常。一旦在某一轮识别检测中出现新的异常标识，则识别算法以特定的返回值告知系统作警报处理。若检测某监测块时，该区域已处于异常状态，则算法做相应异常处理：检查中心监控人员是否发送过恢复该区域为正常状态的命令，如果有则恢复其状态，否则跳过该区域直接搜索下一监测块。

本识别算法中的初级异常分析，以及干扰判别分析都是基于域值的分析算法，并且在对烟流和火光的处理方法上有所差异。由火灾造成的烟流在色彩上没有特点，初级异常分析主要通过比较监测块内亮度信号在空间和时间上的变化来判断是否为潜在异常。如果某监测块的平均灰度值与整个监测区平均灰度值的差值超过设定的域值，并且该监测块当前的平均灰度值与一段时间之前自身的灰度值相比存在较高的变化，则算法判断该监测块出现潜在异常。对于火光探测，初级异常分析除作上述检测之外，还考虑监测块的平均色度信号U与V。系统将YUV转换到RGB，比较R信号与B信号的强度：如果R信号超过B信号且差值高于设定的域值，可判断该区域偏红色，为火光的概率较高；否则视为干扰。在干扰判别阶段，算法除比较监测块平均灰度值的分布外，还综合当前的气象信息。如果当前气候湿度大、气温低，或者有雨雪，则算法自动调高异常判别的域值，降低异常判别的敏感度；如果气候干燥、温度高、风力大，则系统按一定比例调低域值，增加异常判别的敏感度。由于嵌入式视频处理设备不配有探测气象的传感器，所有气象信息由中心监控站负责获取，并发送到各监测点。

Claims (3)

1.一种基于视频检测的嵌入式森林火灾预警系统，其特征是：它包括监测点(1)和中心监控站(2)；监测点(1)包含一个GPRS数据传输模块，中心监控站(2)连接至因特网，两者可以通过GPRS网络相互通信；

监测点(1)包括嵌入式视频处理设备(3)、视频摄像头(4)以及GPRS数据传输模块(5)；视频摄像头(4)将图像信息传送至嵌入式视频处理设备(3)进行识别处理，嵌入式视频处理设备(3)与GPRS数据传输模块(5)相连，并通过该模块与中心监控站实施通信；

嵌入式视频处理设备(3)支持USB摄像设备和CVBS模拟摄像设备的输入；支持通过RS232串口通信协议连接GPRS数据传输模块(5)；支持通过MMC/SD卡存储数据信息；识别算法处理速度最高可达2帧/秒。

2.根据权利要求1所述的基于视频检测的嵌入式森林火灾预警系统，其特征是：中心监控站(2)包括连接至因特网并拥有公网IP地址的终端控制器(6)；终端控制器(6)通过GPRS网络接受监测点(1)传送的报警信息，或者发送控制命令至监测点(1)。

3.根据权利要求1所述的基于视频检测的嵌入式森林火灾预警系统，其特征是：嵌入式视频处理设备(3)上运行的火情识别算法，通过处理采集到的数字视频信号，分析画面亮度信息和色度信息的变化，自动检测火情的发生。

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