基于圖像跟蹤識(shí)別技術(shù)的煤炭運(yùn)量視頻管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

摘要：為了有效地監(jiān)控煤場(chǎng)進(jìn)出車(chē)輛情況，設(shè)計(jì)一種基于圖像跟蹤識(shí)別技術(shù)的煤炭運(yùn)量視頻管理系統(tǒng)。介紹該系統(tǒng)硬件的整體設(shè)計(jì)，詳細(xì)說(shuō)明其中車(chē)輛到達(dá)感應(yīng)部分、圖像采集部分和云臺(tái)控制部分的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，以期為該系統(tǒng)的良好應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：視頻監(jiān)控系統(tǒng)；硬件；設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）12-0017-03

煤炭資源對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用，因此要對(duì)煤炭資源的開(kāi)采與利用進(jìn)行有效監(jiān)控與保護(hù)。為此，提出基于圖像跟蹤識(shí)別技術(shù)的煤炭運(yùn)量視頻管理系統(tǒng)。這里介紹該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用DVR-SV4125的工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，該計(jì)算機(jī)抗干擾能力強(qiáng)，能夠在惡劣的環(huán)境下正常工作?？紤]到整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，將系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)為車(chē)輛到達(dá)感應(yīng)部分、圖像采集部分、云臺(tái)控制部分及上位機(jī)4個(gè)部分（如圖1所示）。

2 車(chē)輛到達(dá)感應(yīng)部分的硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 PCI開(kāi)關(guān)板

AC6652（如圖2所示）是一款低價(jià)格通用光電隔離I/O板，具有16路輸入、16路輸出。采用PCI總線，支持即插即用，無(wú)需地址跳線。采用大規(guī)模可編程門(mén)陣列設(shè)計(jì)，提高可靠性。AC6652的輸入支持5～24 V輸入，同時(shí)輸出為集電極開(kāi)路輸出（OC輸出，輸出芯片為6N33或TIL113），輸出驅(qū)動(dòng)電流大于30 mA，可以方便地驅(qū)動(dòng)小型繼電器、LED等負(fù)載。AC6652采用CH系列PCI接口芯片及門(mén)陣列作為主控芯片。AC6652具有光電隔離的作用，有大規(guī)?？删幊涕T(mén)陣列，可靠性高?？梢越邮諄?lái)自AC140的信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)模塊處理，轉(zhuǎn)換為PCI通信格式，使上位機(jī)讀取車(chē)輛到來(lái)的數(shù)字量信號(hào)，或者通過(guò)該模塊的寫(xiě)操作向下位機(jī)發(fā)送操作命令。

2.2 隔離抗干擾模塊

由于整個(gè)系統(tǒng)工作環(huán)境比較惡劣，容易對(duì)輸入信號(hào)帶來(lái)干擾，為保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)的正常信號(hào)，設(shè)計(jì)隔離抗干擾模塊（如圖3所示），選用具有光電隔離功能的端子卡AC140。

AC140端子的連接方式為：1） K0～K7，分別對(duì)應(yīng)8個(gè)繼電器0～7的常開(kāi)開(kāi)關(guān)接點(diǎn)，每個(gè)K接點(diǎn)都是2個(gè)接線端子，對(duì)應(yīng)一路的繼電器開(kāi)關(guān)接點(diǎn)。2） DI0～DI7，分別對(duì)應(yīng)8路光電隔離輸入0～7號(hào)。3） GND，光電隔離輸入地線，即DI0～DI7的地線。4） POWER，對(duì)應(yīng)+12 V電源輸入，且電源負(fù)極與光電隔離輸入地線GND相互隔離。

2.3 地磁傳感器

整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)始工作的首要條件是：要準(zhǔn)確地感應(yīng)到車(chē)輛的到來(lái)。感應(yīng)車(chē)輛到來(lái)的方法很多，如紅外線、超聲波、地磁感應(yīng)等。超聲波傳感器容易受環(huán)境的影響，當(dāng)風(fēng)速在6級(jí)以上時(shí)，反射波會(huì)產(chǎn)生漂移而無(wú)法正常檢測(cè)；探頭下方通過(guò)人或物也會(huì)產(chǎn)生反射波，造成誤檢。紅外傳感器會(huì)因工作現(xiàn)場(chǎng)的灰塵、冰霧而影響系統(tǒng)正常工作。而地磁信號(hào)受環(huán)境因素影響較小，且比較穩(wěn)定，所以該系統(tǒng)采用地磁傳感器。

地磁傳感器利用車(chē)輛通過(guò)道路時(shí)對(duì)地球磁場(chǎng)的影響來(lái)完成對(duì)車(chē)輛的檢測(cè)。地球磁場(chǎng)在幾公里之內(nèi)基本上是恒定的，但大型的鐵磁性物體會(huì)對(duì)地球磁場(chǎng)產(chǎn)生巨大的擾動(dòng)。當(dāng)車(chē)輛通過(guò)時(shí)，對(duì)地磁的影響將達(dá)到地磁強(qiáng)度的幾分之一，而地磁傳感器可以分辨出地球磁場(chǎng)1/6 000的變化，因此利用地磁傳感器來(lái)檢測(cè)車(chē)輛具有極高的靈敏度。

3 圖像采集部分的硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.1 視頻采集卡

在PC機(jī)上通過(guò)視頻采集卡可以接收來(lái)自視頻輸入端的模擬視頻信號(hào)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采集并量化成數(shù)字信號(hào)，然后壓縮編碼成數(shù)字視頻。由于視頻采集卡具備硬件壓縮的功能，在采集視頻信號(hào)時(shí)首先在卡上對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行壓縮，然后再通過(guò)PCI接口把壓縮的視頻數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)上。一般的PC視頻采集卡采用幀內(nèi)壓縮的算法把數(shù)字化的視頻存儲(chǔ)成AVI文件，高檔一些的視頻采集卡還能直接把采集到的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)壓縮成MPEG-1格式的文件。由于模擬視頻輸入端可以提供不間斷的信源，視頻采集卡要采集模擬視頻序列中的每幀圖像，并在采集下一幀圖像之前把這些數(shù)據(jù)傳入PC系統(tǒng)，因此，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集的關(guān)鍵是每一幀所需的處理時(shí)間。如果每幀視頻圖像的處理時(shí)間超過(guò)相鄰兩幀之間的相隔時(shí)間，則會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失，即丟幀現(xiàn)象。采集卡都是把獲取的視頻序列先進(jìn)行壓縮處理，然后再存入硬盤(pán)，即視頻序列的獲取和壓縮是在一起完成的，免除了再次進(jìn)行壓縮處理的不便。不同檔次的采集卡具有不同質(zhì)量的采集壓縮性能。該系統(tǒng)采用天敏4000視頻采集卡（如圖4所示）。

3.2 攝像頭的選型及特點(diǎn)

系統(tǒng)采用Sony公司的EVI-D30彩色攝像機(jī)。EVI-D30攝像機(jī)的主要功能是自動(dòng)跟蹤功能（Auto Tracking），可以不停地自動(dòng)摘取用戶(hù)預(yù)定義的主題。圍繞選擇的主題，EVI-D30會(huì)摘取相似的像素顏色和明亮度。EVI-D30有4種預(yù)定義的主題：自動(dòng)跟蹤功能、自動(dòng)聚焦、自動(dòng)曝光和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。

4 云臺(tái)控制部分的硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

4.1 云臺(tái)

云臺(tái)是安裝、固定攝像機(jī)的支撐設(shè)備，分為固定云臺(tái)和電動(dòng)云臺(tái)兩種。固定云臺(tái)用于監(jiān)視區(qū)范圍不大的場(chǎng)合，使用時(shí)將攝像機(jī)固定于云臺(tái)上，調(diào)整好攝像機(jī)水平、俯仰的角度，達(dá)到最好的工作姿態(tài)，然后鎖定調(diào)整機(jī)構(gòu)即可；電動(dòng)云臺(tái)可以擴(kuò)大攝像機(jī)的監(jiān)視范圍，提高攝像機(jī)的使用價(jià)值，主要用于對(duì)大范圍進(jìn)行掃描監(jiān)視，電動(dòng)云臺(tái)調(diào)整姿態(tài)通過(guò)兩臺(tái)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)接受來(lái)自控制器的信號(hào)精確地運(yùn)行定位，在控制信號(hào)的作用下，云臺(tái)上的攝像機(jī)既可自動(dòng)掃描監(jiān)視區(qū)域，也可在監(jiān)控中心值班人員的操縱下跟蹤監(jiān)視對(duì)象。

根據(jù)回轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，云臺(tái)可分為左右旋轉(zhuǎn)的水平旋轉(zhuǎn)云臺(tái)和既能左右旋轉(zhuǎn)又能上下旋轉(zhuǎn)的全方位云臺(tái)。云臺(tái)水平轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為0～350°，俯仰角度為0～90°。有的云臺(tái)還有自動(dòng)巡視功能。根據(jù)使用的環(huán)境，云臺(tái)還可分為室內(nèi)用云臺(tái)和室外用云臺(tái)。選擇云臺(tái)的主要指標(biāo)為回轉(zhuǎn)范圍、承載能力和旋轉(zhuǎn)速度。一般的云臺(tái)均屬于有線控制的電動(dòng)云臺(tái)。

4.2 云臺(tái)設(shè)備安裝

云臺(tái)通常是與攝像頭結(jié)合在一起的， 攝像頭提供額外的線路用于云臺(tái)設(shè)備與計(jì)算機(jī)的連接。該線路通常以COM端口的形式連接計(jì)算機(jī)，在線路的一端連接有云臺(tái)控制轉(zhuǎn)換器（如圖5所示）。

云臺(tái)控制轉(zhuǎn)換器以COM端口的形式連接計(jì)算機(jī)，圖6顯示了云臺(tái)控制轉(zhuǎn)換器與上位機(jī)的連接。

4.3 云臺(tái)控制分析

計(jì)算機(jī)與云臺(tái)之間的通信是通過(guò)串行通信實(shí)現(xiàn)的。PC機(jī)只擁有標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口，而云臺(tái)只提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的RS-485接口，因此中間需要一個(gè)RS232-485轉(zhuǎn)換器，以將RS-232信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS-485信號(hào)。云臺(tái)通過(guò)云臺(tái)解碼器、RS232-485轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)串口相連，程序通過(guò)向云臺(tái)解碼器發(fā)送指令來(lái)實(shí)現(xiàn)云臺(tái)控制。這里的指令是由云臺(tái)控制協(xié)議確定的。不同的廠家，云臺(tái)控制協(xié)議也不盡相同。該系統(tǒng)所采用的協(xié)議是PELCO-D2400。

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