基于圖像的嵌入式森林火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)研究與設(shè)計

田仲富　黎粵華　劉曉義

摘要 針對目前我國森林防火遠(yuǎn)程監(jiān)控中存在的不足，提出了一種基于嵌入式處理平臺的森林火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，對系統(tǒng)硬件設(shè)計和林火圖像識別算法兩個方面做了詳細(xì)論述。系統(tǒng)以嵌入式微處理器作為現(xiàn)場控制器的主控單元，現(xiàn)場控制器通過串口與CCD攝像機進(jìn)行實時通信，獲取監(jiān)測區(qū)域的圖像信息，對獲取的圖像信息進(jìn)行林火識別，若系統(tǒng)判斷有林火發(fā)生，則將火情信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送給監(jiān)控中心，從而達(dá)到第一時間發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)的目的。通過在林區(qū)現(xiàn)場進(jìn)行的試驗表明，該系統(tǒng)能夠克服工作環(huán)境的干擾，且具有響應(yīng)速度快、識別率高以及監(jiān)控區(qū)域廣等特點。

關(guān)鍵詞 森林防火；圖像處理；遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號 S126 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）13-04105-03

Abstract Aiming at the existing problems of forest fire prevention in China in remote monitor and control system， a forest fire monitoring system based on embedded platform was proposed， two aspects of the system hardware design and the fire image recognition algorithm were discussed in detail. The system is based on embedded microprocessor as the master controller unit， field controller for realtime communication through the serial port and the CCD camera， image acquisition information monitoring area of forest fire recognition， the image information acquisition system， if the judge a forest fire， the fire information through the wireless network transmission to the monitoring center， so as to find forest fire at the first time. The forest field experiments showed that， the system can overcome the interference of the work environment， and has quick response speed， high recognition rate and a wider range of monitor.

Key words Forest fire； Image processing； Remote monitoring

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是人類寶貴的物質(zhì)財富，也是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)不可或缺的珍貴資源。但森林火災(zāi)時有發(fā)生，其突發(fā)性強，危害性大，處置困難，加上林區(qū)地形復(fù)雜，地域廣闊，因而對森林安全造成極大威脅。森林火災(zāi)是破壞森林資源的主要災(zāi)害之一[1-2]。無論是國內(nèi)還是國外，每次森林火災(zāi)都會使森林資源遭受巨大損失，同時也會對生態(tài)環(huán)境造成巨大破壞。因此，在第一時間發(fā)現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場并及時撲救火災(zāi)，歷來是林區(qū)管理工作的重中之重。森林火災(zāi)不只是燒毀成片的森林，傷害林內(nèi)的動物，而且還降低森林的更新能力，引起土壤的貧瘠和破壞森林涵養(yǎng)水源的作用，甚而打破生態(tài)環(huán)境平衡。所以，為降低森林火災(zāi)的損失，世界各國非常重視林火監(jiān)測技術(shù)的研究[3]。

針對目前全球森林及荒地火災(zāi)的嚴(yán)峻形勢，筆者提出了一種將圖像處理技術(shù)與嵌入式技術(shù)相結(jié)合的森林防火監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以通過CCD攝像機和感光探測器對頻發(fā)火災(zāi)的森林區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控，將獲得的視頻信號通過專門的圖像采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，同時提取煙霧的光學(xué)特性，將這此信息輸入嵌入式微處理器，其依據(jù)火災(zāi)圖像的特征和光學(xué)特征做相應(yīng)的處理和火情分析，從而實現(xiàn)林火監(jiān)測的目的[4]。

該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測林區(qū)的火災(zāi)情況，為相關(guān)部門采取相應(yīng)的預(yù)警或滅火措施提供重要的決策依據(jù)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

該系統(tǒng)的硬件主要包括CCD攝像機、現(xiàn)場控制器以及監(jiān)控中心，其中現(xiàn)場控制器的主控單元采用三星公司S3C2440，在此微處理器的基礎(chǔ)上還擴展了林火報警模塊、GPS模塊以及GPRS模塊。系統(tǒng)現(xiàn)場控制器組成如圖1所示。

系統(tǒng)在工作過程中，CCD攝像機通過解碼器將采集到的圖像信息送給嵌入式微處理器。微處理器對其緩沖區(qū)中的信息進(jìn)行處理，同時采用林火識別算法判斷火災(zāi)情況，如果監(jiān)測到火災(zāi)情況，則調(diào)用串口編程程序來控制GPRS模塊（將附加了林火現(xiàn)場的氣象信息、火情信息、植被信息以及地理環(huán)境信息等重要數(shù)據(jù)的火警信息），通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控中心。監(jiān)控中心提取圖像數(shù)據(jù)后，進(jìn)行解壓操作，并進(jìn)一步分析火災(zāi)信息，以便制定合理的部署和撲救工作。系統(tǒng)工作流程如圖2所示[5-6]。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計

2.1 圖像采集

在森林防火的重點區(qū)域應(yīng)結(jié)合其地形特點、早期火情發(fā)生情況以及本地樹種、植被和氣候等特點布置合理的云臺，安裝在云臺上的攝像機應(yīng)能覆蓋觀測到設(shè)定區(qū)域的整個范圍，且采集到的圖像要滿足一定的精度，因此，該系統(tǒng)采用的是索尼公司生產(chǎn)的HDR-PJ820E攝像機。它是一款日夜型的攝像機，具有低照度下自動彩色轉(zhuǎn)黑自的功能，可實現(xiàn)960線的高清晰度圖像，與日本精工牌長焦鏡頭相配合，能夠提供優(yōu)質(zhì)的監(jiān)控圖像[7]。該系統(tǒng)的S3C2440處理器的視頻采集接口支持ITU標(biāo)準(zhǔn)的圖像數(shù)據(jù)和模擬視頻信號，從而可很好地解決不同林區(qū)攝像裝備差異的問題。嵌入式處理器對不同類型圖像的處理方式是不同的，如果系統(tǒng)接收的是ITU標(biāo)準(zhǔn)的圖像數(shù)據(jù)，則嵌入式處理器可以根據(jù)UPnP協(xié)議直接接收該圖像信息；若系統(tǒng)接收的是模擬視頻信號，則嵌入式處理器必須使用視頻解碼器將接收到的信號進(jìn)行視頻解碼。該系統(tǒng)的視頻解碼器采用美信集成產(chǎn)品公司的4通道視頻解碼器芯片MAX9530，它支持PAL/NTSC視頻標(biāo)準(zhǔn)，可以輸入4路模擬視頻信號，通過內(nèi)部寄存器的不同配置可以對4路輸入進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸入可以為4路CVBS或2路S視頻（Y/C）信號，輸出8位 VPO信號。

2.2 信息處理

嵌入式處理模塊選用三星公司的S3C2440嵌入式微處理器，其工作頻率220 MHz。 S3C2440嵌入式微處理器通過CPLD接收來自MAX9530提供的同步信號，每次通過通用輸入輸出口讀取一個字的內(nèi)容，然后給CPLD發(fā)送一個計數(shù)脈沖，使得SRAM地址增加2位，為接收下一個字的內(nèi)容做好準(zhǔn)備。采用這種方式充分利用了CPLD的串口和快速運算功能，從而減少了S3C2440嵌入式微處理器的工作負(fù)擔(dān)，也為火災(zāi)識別算法的運行準(zhǔn)備了大量的系統(tǒng)資源。

2.3 林火報警與系統(tǒng)通信

當(dāng)該系統(tǒng)的林火檢測模塊檢測到林火發(fā)生時，現(xiàn)場控制器立即通過即插即用接口與GPS模塊進(jìn)行通信，從而獲取林火發(fā)生的具體位置信息，并立即產(chǎn)生火警信息[9]。當(dāng)產(chǎn)生火警信息后立即觸發(fā)GPRS模塊，GPRS模塊將附加了林火現(xiàn)場的氣象信息、火情信息、植被信息以及地理環(huán)境信息等重要數(shù)據(jù)的火警信息發(fā)送給提供GPRS服務(wù)的移動公司，由其負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳送至Internet，并最終傳送給監(jiān)控指揮中心。另外，監(jiān)控中心也可根據(jù)實際需要通過CPRS網(wǎng)絡(luò)傳送控制信息給各監(jiān)測點的嵌入式視頻處理設(shè)備，人為請求現(xiàn)場數(shù)據(jù)的傳送或者調(diào)節(jié)識別算法所需的各項參數(shù)。

3 火災(zāi)圖像識別算法

火災(zāi)圖像識別算法通常分為以下兩個階段：第一階段是選定運動像素和區(qū)域；第二個階段是選定被監(jiān)測林區(qū)是否產(chǎn)生了火災(zāi)煙霧[10]。

4 結(jié)論

該研究提出的這種結(jié)合嵌入式處理技術(shù)與圖像處理技術(shù)的森林火災(zāi)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，利用了3S主流技術(shù)，同時在現(xiàn)場控制器的圖像處理中引入火災(zāi)圖像識別算法，使系統(tǒng)可以自動識別火情，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將林火警報信息發(fā)給監(jiān)控中心。試驗表明，該系統(tǒng)可以極大程度地降低林火監(jiān)測人員的勞動強度，能夠較好地適應(yīng)不同的監(jiān)測環(huán)境，且具有穩(wěn)定性高、識別率高以及成本低廉等特點。

目前，林區(qū)大空間火災(zāi)識別技術(shù)還處于發(fā)展期，理論基礎(chǔ)和現(xiàn)實技術(shù)還不夠完善。在該研究中，雖然取得了一定的成果，但仍存在著一些不足，如在實際應(yīng)用中，系統(tǒng)存在一定的誤報情況，另外，林火識別算法中涉及的部分閾值是基于理論知識和經(jīng)驗的。因此，期望今后的研究能夠提供充足的火災(zāi)數(shù)據(jù)和方法，并通過改善算法等克服上述林火識別中的不足。

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