基于ARM與S3C44B0X的火災(zāi)圖像中受困人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 由于傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)受到慌亂中人員走動(dòng)及火災(zāi)煙霧的影響，難以從采集的火災(zāi)圖像中對(duì)受困人員進(jìn)行準(zhǔn)確實(shí)時(shí)識(shí)別，導(dǎo)致定位效果差。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新的火災(zāi)圖像中受困人員的定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成，系統(tǒng)硬件的核心部分是ARM圖像采集器以及S3C44B0X嵌入式處理器；主要通過(guò)MC9S12NE64以太網(wǎng)控制模塊控制ARM圖像采集器，將采集的圖像傳輸?shù)絊3C44B0X嵌入式處理器進(jìn)行處理，并對(duì)附件模塊即通信模塊進(jìn)行了優(yōu)化分析。軟件設(shè)計(jì)部分主要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)工作流程及以太網(wǎng)控制模塊應(yīng)用軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)；最后通實(shí)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用此系統(tǒng)進(jìn)行火災(zāi)圖像中受困人員定位，能夠極大地提高受困人員定位的準(zhǔn)確性，提高人員救治率。

關(guān)鍵詞： 火災(zāi)圖像； 受困人員定位； 火災(zāi)煙霧； 圖像采集

中圖分類號(hào)： TN911.73?34； TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）20?0129?04

Abstract： The traditional positioning system is difficult to recognize the trapped people in fire image timely and accurately due to the influence of the walking people and fire smoke. Therefore， a new trapped people positioning system in fire image was designed and implemented. The system is composed of hardware and software mainly. The core parts of the system hardware are the ARM image collector and S3C44B0X embedded processor. The Ethernet control module MC9S12NE64 is used to control the ARM image collector， transmit the acquired image to the S3C44B0X embedded processor for processing， and conduct an optimized analysis of the communication module. The working process of the whole system and the application software of Ethernet control module were designed. The designed system was verified in the experiment. The experimental results show this system used to locate the trapped people in the fire image can improve the accuracy of the trapped people positioning greatly and cure rate.

Keywords： fire image； trapped people positioning； fire smoke； image acquisition

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程的不斷提高，高樓建筑越來(lái)越多 [1]，當(dāng)高樓發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于樓層多，區(qū)域大，為受困人員的及時(shí)營(yíng)救帶來(lái)了極大的困難[2]。當(dāng)建筑樓群發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于火災(zāi)煙霧的濃度較大，會(huì)對(duì)室外消防人員的營(yíng)救帶來(lái)很大的難度，極易引發(fā)人員傷亡事故[3]。因此，如何設(shè)計(jì)合理的定位系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)圖像中的受困人員進(jìn)行準(zhǔn)確定位，成為火災(zāi)中搜尋工作的核心問題。研究火災(zāi)圖像中受困人員定位方法，已經(jīng)成為公共安全領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題，在消防搜救領(lǐng)域具有無(wú)可替代的作用，擁有廣闊的發(fā)展空間，成為很多專家研究的重點(diǎn)課題[4?5]。當(dāng)前，主要的火災(zāi)圖像中受困人員定位方法主要有基于遠(yuǎn)程圖像傳輸?shù)腉PS監(jiān)控系統(tǒng)的火災(zāi)中受困人員定位系統(tǒng)[6]、基于模糊控制的火災(zāi)中受困人員定位系統(tǒng)和基于FPGA的火災(zāi)圖像中受困人員定位系統(tǒng)[7]。其中，最常用的是基于遠(yuǎn)程圖像傳輸?shù)腉PS監(jiān)控系統(tǒng)的火災(zāi)中受困人員定位系統(tǒng)[5]。利用傳統(tǒng)的火災(zāi)圖像中受困人員定位系統(tǒng)進(jìn)行人員定位時(shí)，視頻采集設(shè)備采集到的人員圖像受到火災(zāi)煙霧的干擾程度及受困人員驚慌走動(dòng)較大，造成人員識(shí)別準(zhǔn)確性降低，導(dǎo)致定位效果較差[8]。為了避免上述傳統(tǒng)系統(tǒng)的弊端，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于ARM與S3C44B0X遠(yuǎn)程監(jiān)控的火災(zāi)圖像受困人員定位系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文系統(tǒng)能夠克服火災(zāi)的干擾，實(shí)現(xiàn)了受困人員的準(zhǔn)確定位。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于ARM遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的火災(zāi)圖像中受困人員圖形定位系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

火災(zāi)圖像中受困人員定位系統(tǒng)主要包括基于ARM的監(jiān)控器、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、代理服務(wù)器、用戶模塊、MC9S12NE64以太網(wǎng)控制模塊、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、遠(yuǎn)程處理中心模塊、結(jié)果顯示等模塊組成。控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)上分為信息層、控制層和現(xiàn)象圖像采集層。根據(jù)上述設(shè)計(jì)布局，能夠?qū)F(xiàn)場(chǎng)人員圖像信息直接傳輸?shù)竭h(yuǎn)程互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)處理中心，進(jìn)而分析并顯示，實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)圖像中遠(yuǎn)程受困人員的圖像定位。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的硬件設(shè)計(jì)

在人員定位系統(tǒng)硬件框架設(shè)計(jì)中，采用三星公司生產(chǎn)的S3C44B0X嵌入式處理器與飛思卡爾的MC9S12NE64以太網(wǎng)控制器是核心器件。該型號(hào)的圖像監(jiān)控器上自帶以太網(wǎng)接口，通過(guò)USB接口連接圖像采集模塊，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控中心對(duì)火災(zāi)圖像中受困人員的圖像信息的采集與定位。系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2中，人員定位系統(tǒng)外圍設(shè)備主要有：

（1） 飛思卡爾的MC9S12NE64以太網(wǎng)控制器，主要的功能是接入以太網(wǎng)。

（2） RS 232/RS 485接口，主要的功能是用作通信接口，可以實(shí)現(xiàn)在線編程。

（3） USB接口，主要用于連接圖像采集模塊，從而實(shí)現(xiàn)野外人員圖像的采集。

（4） 多路可編程接口，通過(guò)這些接口與現(xiàn)場(chǎng)其他信號(hào)傳感器進(jìn)行連接。

基于ARM的圖像采集監(jiān)控器的軟件部分主要功能是實(shí)現(xiàn)野外人員的圖像采集、圖像處理、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)矯正、通信等功能。其中通信程序通過(guò)API與以太網(wǎng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。

2.1 MC9S12NE64以太網(wǎng)控制模塊的硬件設(shè)計(jì)

MC9S12NE64以太網(wǎng)控制芯片是由飛思卡爾公司生產(chǎn)的，具有性能優(yōu)良、使用簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，因此被廣泛使用在火災(zāi)等高溫環(huán)境中。MC9S12NE64包含內(nèi)置的以太網(wǎng)控制器（EMAC）、10/100 M以太網(wǎng)物理層，內(nèi)置閃存存儲(chǔ)器，此外，它還包括兩個(gè)前行通信接口（SCI），一個(gè)四通道定時(shí)器、一個(gè)串行外設(shè)接口（SPI）和一個(gè)10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AC/DC）。MC9S12NE64具有強(qiáng)大的處理內(nèi)核HCS12。MC9S12NE64以太網(wǎng)控制模塊硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖3中，MC9S12NE64能夠?qū)崿F(xiàn)以太網(wǎng)訪問層和物理層功能，包括地址識(shí)別功能、編碼校驗(yàn)功能、濾波功能、信號(hào)糾偏功能等。在工作的過(guò)程中，ARM處理器在MC9S12NE64的外部總線上讀寫MAC幀。按照通信鏈路的不同，能夠?qū)C9S12NE64內(nèi)部分成遠(yuǎn)程DMA通道和本地DMA通道。本地DMA通道的功能是實(shí)現(xiàn)控制器與網(wǎng)線的信息傳輸。ARM處理器傳輸?shù)膱D像信息只需要進(jìn)行遠(yuǎn)程DMA操作。當(dāng)ARM處理器向以太網(wǎng)發(fā)送人員圖像信息時(shí)，首先將一幀人員圖像通過(guò)遠(yuǎn)程DMA通道傳輸至MC9S12NE64中的緩存區(qū)域，然后進(jìn)行圖像信息發(fā)送。MC9S12NE64結(jié)束上一幀火災(zāi)受困人員圖像的發(fā)送后，再發(fā)送當(dāng)前幀的火災(zāi)受困人員圖像。MC9S12NE64接收到的人員圖像信息通過(guò)MAC對(duì)比，進(jìn)行CRC校驗(yàn)后，再由FIFO存儲(chǔ)到接收?qǐng)D像的緩沖區(qū)。當(dāng)前圖像傳輸結(jié)束后，以中斷寄存器的方法通知ARM處理器。ARM處理器再通過(guò)遠(yuǎn)程DMA通道讀取這一幀人員圖像信息。

2.2 MC9S12NE64與以太網(wǎng)的接口硬件設(shè)計(jì)

MC9S12NE64是通過(guò)H1102濾波器與以太網(wǎng)進(jìn)行連接的。MC9S12NE64與以太網(wǎng)的接口硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，其中H1102是深圳華升微電子公司生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)濾波器。

圖4中，[TPout+]，[TPout-]，[TPIN+]、[TPIN-]是MC9S12NE64芯片中輸出信號(hào)的4個(gè)引腳。H1102右邊的以太網(wǎng)RJ45A接口通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RJ45電纜線接入到以太網(wǎng)。

2.3 圖像采集模塊的硬件設(shè)計(jì)

火災(zāi)圖像中受困人員圖像采集模塊主要由兩部分組成：第一部分是CMOS圖像感應(yīng)器；第二部分是圖像處理模塊。火災(zāi)中受困人員圖像采集模塊的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5中，圖像感應(yīng)器主要的功能是實(shí)現(xiàn)火災(zāi)中受困人員圖像的采集，圖像處理模塊的功能是讀取采集的圖像數(shù)據(jù)、對(duì)圖像的處理及壓縮。這些功能主要由內(nèi)置的模塊實(shí)現(xiàn)，將采集的受困人員圖像按照一定數(shù)據(jù)幀的格式，通過(guò)USB接口傳輸至ARM處理器，再由以太網(wǎng)控制芯片MC9S12NE64通過(guò)以太網(wǎng)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)能夠接收到火災(zāi)中受困人員的圖像，實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)中受困人員的圖像定位。

2.4 遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的火災(zāi)圖像中受困人員定位，需要及時(shí)將采集到的受困人員圖像傳輸至以太網(wǎng)絡(luò)。本文系統(tǒng)采用客戶服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)通信的模式，進(jìn)行火災(zāi)中受困人員圖像的實(shí)時(shí)傳輸。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程受困人員圖像傳輸?shù)暮诵牟糠?。其主要包括命令通道和圖像數(shù)據(jù)通道這兩個(gè)通道。上述兩個(gè)通道的通信端口不一樣，因此，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中彼此互不干擾。命令通道在本地視頻采集設(shè)備與遠(yuǎn)程監(jiān)視器之間建立通信協(xié)議，發(fā)送確認(rèn)信號(hào)和相關(guān)協(xié)議，利用TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。圖像數(shù)據(jù)通道主要的功能是向遠(yuǎn)程監(jiān)控中心傳輸火災(zāi)受困人員圖像數(shù)據(jù)，由于對(duì)實(shí)時(shí)性的要求比較高，因此，需要利用無(wú)連接的UDP協(xié)議?；馂?zāi)中受困人員圖像遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6中，本地圖像監(jiān)控器在開始運(yùn)行時(shí)就啟動(dòng)火災(zāi)受困人員監(jiān)控的服務(wù)線程，采用堵塞的方法等待與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的連接，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心是命令通道的客戶端?；馂?zāi)中受困人員圖像數(shù)據(jù)就能持續(xù)地從本地圖像監(jiān)控設(shè)備發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)中受困人員的定位。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)工作流程軟件設(shè)計(jì)

火災(zāi)中受困人員定位系統(tǒng)的軟件部分主要包括火災(zāi)環(huán)境下的受困人員搜索、受困人員圖像分離、火災(zāi)受困人員特征提取三部分。軟件部分設(shè)計(jì)的流程圖如圖7所示。

3.2 以太網(wǎng)控制模塊應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)以太網(wǎng)的特性，使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)網(wǎng)口就可作為主站接口，采用軟件方式在主站CPU中實(shí)現(xiàn)協(xié)議的識(shí)別和封裝。在人員定位系統(tǒng)中，通過(guò)Java編程來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信與受困人員圖像等數(shù)據(jù)的傳輸與預(yù)處理，以太網(wǎng)控制模塊軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性，需要進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。利用Java進(jìn)行編程，利用Matlab 7.0構(gòu)建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)如圖9所示，分別利用本文系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行火災(zāi)圖像中受困人員定位。

在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，采集到的火災(zāi)中受困人員的圖像如圖10所示。利用傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行火災(zāi)圖像中受困人員定位，得到的人員圖像如圖11所示。利用本文監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行火災(zāi)中受困人員定位，得到的人員圖像如圖12所示。根據(jù)圖12實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠得知，利用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠獲取更清晰的受困人員圖像，充分體現(xiàn)出本文系統(tǒng)的優(yōu)越性。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行10次。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，隨著煙霧的濃度逐漸增加，獲取的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠得知，利用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行火災(zāi)中受困人員定位，能夠避免傳統(tǒng)系統(tǒng)的弊端，提高了定位的準(zhǔn)確率。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行火災(zāi)圖像中受困人員定位的過(guò)程中，系統(tǒng)采集的人員圖像受到火災(zāi)的干擾程度較大，造成人員特征難以識(shí)別，降低了定位的準(zhǔn)確性的問題。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于ARM與S3C44B0X遠(yuǎn)程監(jiān)控的火災(zāi)中受困人員定位系統(tǒng)。系統(tǒng)分為硬件部分和軟件部分，硬件部分重點(diǎn)對(duì)基于ARM嵌入式處理器的圖像采集器、通信模塊、圖像采集和處理模塊進(jìn)行了闡述。軟件部分包括受困人員搜索、受困人員圖像分離、受困人員特征提取三部分，并給出了ARM處理器圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟糠諨MA操作的源代碼程序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文系統(tǒng)能夠克服火災(zāi)的干擾，實(shí)現(xiàn)了受困人員的快速準(zhǔn)確定位，效果令人滿意。

參考文獻(xiàn)

[1] CHETEHOUNA K， SéRO?GUILLAUME O， SOCHET I， et al. On the experimental determination of flame front positions and of propagation parameters for a fire [J]. International journal of thermal sciences， 2008， 47（9）： 1148?1157.

[2] 趙斐，張波，張彥仲，等.基于擴(kuò)頻技術(shù)的RFID區(qū)域?qū)崟r(shí)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，21（1）：192?194.

[3] 肖泉，丁興號(hào)，王守覺，等.有效消除光暈現(xiàn)象和顏色保持的彩色圖像增強(qiáng)算法[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2010，22（8）：1246?1252.

[4] KRAUSE U， GROSSHANDLER W， GRITZO L. The international FORUM of fire research directors： a position paper on sustainability and fire safety [J]. Fire safety journal， 2012， 49（4）： 79?81.

[5] 傅衛(wèi)平，秦川，劉佳，等.基于SIFT算法的圖像目標(biāo)匹配與定位[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2011，32（1）：163?169.

[6] 李喆，丁振良，袁峰.基于分層插值和最小二乘擬合的亞像素細(xì)分算法[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，32（5）：615?618.

[7] 楊述斌.圖像邊緣檢測(cè)技術(shù)概述[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25（1）：73?76.

[8] CROCE P A， GROSSHANDLER W L， BUKOWSKI R W， et al. The international FORUM of fire research directors： a position paper on performance?based design for fire code applications [J]. Fire safety journal， 2008， 43（3）： 234?236.