基于FPGA和紅外檢測技術(shù)的智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究

蘭州交通大學(xué)電信學(xué)院 楊 碩 張慧敏 崔 新

1.研究背景

隨著犯罪率的逐年上升，人們對于監(jiān)控系統(tǒng)性能的要求越來越高，智能化無人值守的監(jiān)控系統(tǒng)成為新一代監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，具有重要的研究價(jià)值和廣泛的市場需求。

雖然到目前為止國內(nèi)外已經(jīng)在該領(lǐng)域取得了相當(dāng)豐碩的成果；但是目前仍然存在許多問題。例如：

(1)數(shù)字圖像處理存在信息量大，處理費(fèi)時(shí)，傳輸困難的問題。

(2)人臉檢測與跟蹤方面，實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確度之間存在矛盾，很難找到一個(gè)最優(yōu)的平衡點(diǎn)。

(3)由于人臉被其他物體遮擋等原因所造成的遮擋導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)不能有效的撲捉到人臉畫面，無法提取人臉特征，所以遮擋情況下的人臉檢測與跟蹤技術(shù)是目前研究的難點(diǎn)問題。

(4)人臉姿態(tài)的不規(guī)律行和不可預(yù)測性也為人臉檢測增添了難度，采集到的被測對象不同的臉部角度和不同的表情將直接影響檢測結(jié)果。

(5)受外部環(huán)境變化影響嚴(yán)重，光線條件、圖像采集設(shè)備在采集圖像帶來的電子噪聲、不可避免地人為抖動(dòng)等客觀條件會(huì)嚴(yán)重影響圖像的質(zhì)量，從而需要大量的圖像預(yù)處理工作，大大降低整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和精確性。

2.設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)應(yīng)用于一般室內(nèi)公共場所（如銀行），由于白天公共場所內(nèi)人員流動(dòng)量較大需要不間斷進(jìn)行監(jiān)控，而夜間由于人流稀少的特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)只在系統(tǒng)檢測到有人進(jìn)入監(jiān)控范圍后才開啟攝像頭進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集，這樣可以盡可能的減少系統(tǒng)資源浪費(fèi)，大大降低系統(tǒng)功耗。

系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行自檢程序，如果有模塊不能正常工作則由主控模塊向上位機(jī)發(fā)送系統(tǒng)錯(cuò)誤信息，反饋損壞模塊信息，等待上位機(jī)命令；如自檢正常，則通過光線強(qiáng)弱檢測模塊判斷周圍環(huán)境狀況，來選擇開啟MODE0/MODE1工作模式。

MODE0模式，首先通過FPGA控制模塊發(fā)送控制命令關(guān)閉紅外檢測模塊，并啟動(dòng)圖像采集模塊，對周圍環(huán)境進(jìn)行視頻圖像采集，經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換芯片將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳輸給FPGA，再經(jīng)過一些圖像處理操作后將處理好的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過usb傳輸給上位機(jī)；上位機(jī)接收圖像數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存和一些相應(yīng)處理，方便以后調(diào)用。

MODE1模式，首先控制模塊將夜間模式指示燈LED0點(diǎn)亮，然后通過FPGA控制模塊發(fā)送控制命令開啟紅外檢測模塊；在這個(gè)過程中圖像采集模塊處于等待狀態(tài)并不工作，直到檢測模塊檢測到有人進(jìn)入監(jiān)控范圍后，向控制模塊發(fā)送脈沖信號(hào)，控制模塊接收到后立即啟動(dòng)聲光報(bào)警模塊和圖像采集模塊，同時(shí)通過室內(nèi)照明電路開啟室內(nèi)電燈（點(diǎn)亮室內(nèi)照明指示燈LED1），方便采集模塊對對周圍環(huán)境進(jìn)行視頻圖像采集，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換芯片將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳輸給FPGA，視頻采集傳輸方式同MODE0相同。

如果系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)生系統(tǒng)外接電源中斷，則啟動(dòng)鋰電池供電，點(diǎn)亮斷電報(bào)警指示燈LED3，并且通過串口向上位機(jī)發(fā)送斷電異常信號(hào)，上位機(jī)接收到異常信號(hào)后作出相應(yīng)處理。

3.硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用ALERA公司的CYCLONE IV系列FPGA-EP4CE6F17C8對于硬件進(jìn)行開發(fā)。根據(jù)ALTERA官方的數(shù)據(jù)，CYCLONE IV相對CYCLONE III來說，功耗減少25%。圖1所示為系統(tǒng)的硬件框圖。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

如圖1所示，系統(tǒng)由光線強(qiáng)度檢測模塊，紅外檢測模塊，視頻采集模塊，控制模塊，聲光報(bào)警模塊，GSM報(bào)警模塊，鋰電池供電模塊以及上位機(jī)組成。

3.1 檢測模塊

3.1.1 光強(qiáng)檢測模塊

光線強(qiáng)度檢測模塊主要光強(qiáng)傳感器，A/D轉(zhuǎn)換，I2C總線接口組成。

本文選用TAOS公司的TSL2561芯片來實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)采集的功能。TSL2 561芯片是一種光強(qiáng)度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部集成了一個(gè)光敏二極管（通道0）和一個(gè)紅外響應(yīng)光敏二極管（通道1）；兩個(gè)積分式A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)將光敏電流模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，并存入芯片內(nèi)部通道0和通道1各自的寄存器中的功能。芯片的數(shù)字輸出表示每一個(gè)通道測量到的光照強(qiáng)度，通過I/O引腳與FPGA控制模塊連接，F(xiàn)PGA通過模擬I2C總線，對其內(nèi)部的16個(gè)寄存器的讀寫來實(shí)現(xiàn)對TSL2561的控制。

3.1.2 紅外檢測模塊

紅外檢測模塊根據(jù)人體熱釋電感測原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有體積小、使用方便、工作可靠、檢測靈敏、探測角度大、感應(yīng)距離遠(yuǎn)等一系列功能。紅外檢測模塊能夠感應(yīng)人體靠近或遠(yuǎn)離，將對人體紅外熱輻射的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

整個(gè)紅外線感應(yīng)模塊由熱釋電型傳感器、菲涅爾透鏡、帶通放大器、比較器、光控電路、輸出電路構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 紅外檢測模塊

3.2 主控模塊

FPGA主控模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，其功能主要是接收檢測模塊發(fā)送的脈沖信號(hào)，根據(jù)程序判斷是否要啟動(dòng)視頻采集模塊、報(bào)警模塊或者向上位機(jī)傳輸狀態(tài)信息等操作。

FPGA芯片通過I/O引腳驅(qū)動(dòng)采集模塊、報(bào)警模塊以及各個(gè)LED指示燈顯示系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，通過串口和上位機(jī)進(jìn)行通信，并將圖像數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口傳輸給上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理和分類存儲(chǔ)。

3.3 報(bào)警模塊

3.3.1 聲光報(bào)警模塊

聲光報(bào)警模塊主要由LED報(bào)警指示燈和蜂鳴器組成，當(dāng)FPGA向聲光報(bào)警模塊發(fā)送報(bào)警命令時(shí)，由I/O引腳向LED2發(fā)送高電平將其點(diǎn)亮，同時(shí)調(diào)用.v，通過I/O引腳向蜂鳴器發(fā)送設(shè)定好的不同頻率的信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音。

3.3.2 GSM報(bào)警模塊

當(dāng)系統(tǒng)檢測到入侵，進(jìn)入監(jiān)控范圍或者有其他異常情況發(fā)生，F(xiàn)PGA控制模塊接收檢測信號(hào)后，在驅(qū)動(dòng)本地聲光報(bào)警模塊報(bào)警以外，還可以通過發(fā)送AT指令來控制GSM模塊TC35i進(jìn)行遠(yuǎn)程無線報(bào)警。

我們可以將需要發(fā)送的報(bào)警短信提前編輯好存儲(chǔ)在TC35i模塊中，當(dāng)接收到控制芯片的命令時(shí)，TC35i模塊將短信通過AT指令控制報(bào)警信息發(fā)送。

本文中FPGA通過兩個(gè)I/O引腳控制TC35i的開關(guān)機(jī)、復(fù)位等，通過串口與TC35i進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通信速率為9600Kbps，采用8位異步通訊方式，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。

TC35i模塊輸入輸出的TTL正電平邏輯不是+5V，而是+2.9V，因此必要時(shí)需加端口保護(hù)。

3.4 視頻采集模塊

視頻采集模塊主要由攝像頭，A/D轉(zhuǎn)換芯片組成。

目前攝像頭主要有CCD和CMOS兩種，由于其構(gòu)造不同導(dǎo)致二者的性能具有很大差距。

CCD器件最大特點(diǎn)在于能通過專屬通道設(shè)計(jì)，在傳輸時(shí)保持信號(hào)不失真，通過將眾多像素集合到單一的放大器上做統(tǒng)一處理，來保證資料的完整性。

而CMOS器件由于制做過程比較簡單，沒有專屬通道的設(shè)計(jì)，必須先行放大再整合各個(gè)像素的資料，因此在信號(hào)完整性方面有一定欠缺。

本文選取CCD型攝像頭來完成視頻采集的功能，系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 視頻采集模塊

3.5 上位機(jī)

上位機(jī)可通過串口和usb口與FPGA進(jìn)行通信，上位機(jī)通過串口接收FPGA發(fā)送的一些狀態(tài)信息、異常警告等，將這些信息分類進(jìn)行存儲(chǔ)處理，并向FPGA發(fā)送相應(yīng)命令來控制下位機(jī)動(dòng)作；FPGA通過usb接口將進(jìn)行簡單處理的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)軟件對不同的目標(biāo)人臉，進(jìn)行提取特征，分別建立數(shù)據(jù)模型，并將包含同一人臉的視頻數(shù)據(jù)標(biāo)號(hào)分塊存儲(chǔ)，方便以后調(diào)去查看。當(dāng)我們輸入一張人臉照片后軟件將其與已有人臉數(shù)據(jù)庫中的人臉進(jìn)行特征值比對，如果匹配結(jié)果在一定的閾值內(nèi)，說明該人臉與數(shù)據(jù)庫中某一人臉匹配成功，可掉出相關(guān)的所有視頻。這樣可以大大的降低工作人員的工作量，節(jié)省時(shí)間。

4.結(jié)尾

本文的設(shè)計(jì)在試驗(yàn)系統(tǒng)下能夠獨(dú)立完成對圖像信息的采集，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤和圖像的顯示，異常情況報(bào)警，以及事發(fā)后的相關(guān)視頻的篩選調(diào)取。系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加智能化，避免大量人員消耗，功耗低，靈活性好，多模塊報(bào)警機(jī)制，能更好的完成異常處理，具有更好的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。

但是功能方面，系統(tǒng)還有待進(jìn)一步的改進(jìn)和完善，例如可以添加一個(gè)音頻檢測模塊，對監(jiān)控范圍內(nèi)的聲音進(jìn)行采集、處理以增加系統(tǒng)判斷周圍情況的依據(jù)，使系統(tǒng)更加智能化，減少誤報(bào)警情況的發(fā)生。

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