塔吊“吊點”監(jiān)控系統(tǒng)

于洪友

摘? ? 要：塔吊在使用過程中，常常遇到駕駛員視線被遮擋，形成吊裝盲區(qū)的現(xiàn)象。此時操作不當會釀成重大安全事故，當前工地上主要靠信號工打手勢、旗語或?qū)χv機對駕駛員溝通，不僅耗時費力，還難以保證安全。通過在吊鉤上安裝攝像頭，將吊點位置圖像傳到駕駛室，讓駕駛員清淅的看到吊點位置情況，有助于準確安全地完成吊裝任務

關(guān)鍵詞：塔吊;吊點;監(jiān)控系統(tǒng);視頻傳輸;無線網(wǎng)絡

1? 引言

隨著近年來建筑行業(yè)塔吊的大量使用，由于在沒有看清吊物及周邊環(huán)境情況下，盲目起吊，或在駕駛員視線盲區(qū)降落位置不當引發(fā)的安全事故頻繁發(fā)生，造成了重大的生命財產(chǎn)損失。安全事故的經(jīng)驗教訓表明，對塔吊吊點及周圍環(huán)境及時進行有效的監(jiān)測，將吊點位置圖像傳到駕駛室，讓駕駛員清淅的看到吊點位置情況，可有效地預防和減少此類事故發(fā)生。

2? 系統(tǒng)整體設計

用單目視覺檢測塔吊吊鉤高度的視頻傳輸體系，及時顯示出檢測得到的吊鉤離地面高度以及相關(guān)視頻圖像信息。這種系統(tǒng)主要有視頻采集端、接收端組成，其中采集端主要安裝在塔吊吊鉤上，攝像頭垂直向下，以有效監(jiān)控吊鉤下方工地情況，而接收端主要安裝在駕駛室內(nèi)以方便駕駛員查看。這兩個終端由WiFi進行通信連接[1]。該系統(tǒng)工作流程：先有視頻采集端借助USB攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)信息，進行圖像處理后計算出吊鉤離地面高度的各種信息，由無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)信息輸送至視頻接收端口，最后在LCD屏幕上顯示出視頻、高度信息。

3? 硬件設計

整個系統(tǒng)的硬件由視頻采集終端、視頻接收終端組成，其中前者主要包括電源模塊、WiFi無線傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及視頻采集模塊等組成;而后者和視頻采集終端相比無視頻采集模塊，但增加了存儲模塊、LCD顯示屏等。其中采集模塊的構(gòu)造如圖1所示。

系統(tǒng)工作原理：該系統(tǒng)采集端的USB攝像頭可將采集到的模擬視頻信號經(jīng)視頻解碼器轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號，并將其輸入微處理器的視頻通道口處理，再經(jīng)WiFi無線模塊將處理以后的各種數(shù)據(jù)信息發(fā)送至接收端口，在LCD顯示屏上面及時顯現(xiàn)出吊鉤高度信息。

（1）微處理模塊，主要根據(jù)三星公司設計的16/32 位RISC 微處理器，其最高主頻能達到667Mhz，屬于獨立的流水線設計，設計較特殊可以明顯改善視頻處理功能，集成多格式編解碼器，可以支持譯碼、VCI解碼等，是一個性能高、功耗低，成本低的處理器，適合用在視頻媒體上[2]。

（2）視頻采集模塊，用Omni Vision 公司生產(chǎn)的型號為OV9650的芯片當作CMOS數(shù)字圖像傳感器，這種芯片內(nèi)部集成了數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、圖像傳感器，可以為微處理模塊提供SCCB接口與Camera Interface接口。當光學圖像投射在圖像傳感器上，光學圖像信號會轉(zhuǎn)化成電信號，然后電信號經(jīng)內(nèi)部數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化變成數(shù)字信號，數(shù)字信號在處理DSP芯片后經(jīng)USB接口傳輸至開發(fā)板上面。而微處理器對內(nèi)部寄存器進行讀寫控制芯片。

（3）WiFi無線傳輸模塊，這種模塊的設計能夠確保視頻數(shù)據(jù)實時傳輸，對H.264進行壓縮處理，其數(shù)據(jù)量非常大，故運用WiFi無線寬帶技術(shù)，通信寬帶分別為54Mb/s、11 Mb/s以及2 Mb/s，有良好的抗干擾性，適應能力強。WiFi無線模塊提供有SDIO、SPI接口，通過這兩個接口可以將傳輸過來的數(shù)據(jù)封裝起來，由網(wǎng)絡將各種信息輸送至遠程用戶端。系統(tǒng)無線網(wǎng)絡模塊采用的是雙排插針式接口，其中SDIO總線有兩個端口，即主機端口與設備端口，主機端口發(fā)出命令后，在設備端口進行解析。

4? 視頻采集流程

本系統(tǒng)采用Linux-2.6.38內(nèi)核版本，能夠?qū)SB Camera提供支持，當USB Camera符合相關(guān)標準，USB設備就能直接應用。其中V4L2屬于Linux內(nèi)核中的通用視頻設備驅(qū)動，其Video設備在用戶控件調(diào)用各種ioctl對攝像頭實施控制，還能用mmap實施內(nèi)存映射。在使用時需先打開設備文件，獲得設備信息，然后參照設備功能，輸入視頻，設置好視頻的制作方式與幀格式，再向驅(qū)動申請幀緩沖，而幀緩沖會映射到用戶空間，可直接操作采集幀[3]。將申請到的幀緩沖一律入列，為存放采集到的數(shù)據(jù)提供方便。然后采集視頻，并且列出已經(jīng)采集到數(shù)據(jù)的幀緩沖，取得原始采集數(shù)據(jù)，最后將幀緩沖再次入列至對尾循環(huán)采集視頻數(shù)據(jù)，若停止采集則立即關(guān)閉視頻。

5? 單目視覺檢測吊鉤高度

在操作吊鉤的過程中，用二值化操作對吊鉤實施檢測分割，用局部自適應閾值法，按照像素臨塊的數(shù)值分布確定像素位置上面的二值化閾值，每個像素位置的二值化閾值并非固定不變，且主要由臨近的像素分布情況確定，亮度高的部位二值化閾值高，而亮度低的部位二值化閾值低，對吊鉤則更易精確地檢測識別[4]。該設計用的是自適應二值化閾值算法，需要先求出塊中加權(quán)和，減去param1，在整個設計過程中吊鉤顏色是黃色，且黃色像素較稀疏，依照訓練的自適應閾值，可檢測出吊鉤邊界，進一步識別出吊鉤具體位置。

單目視覺檢測技術(shù)是從二維圖像信息中取得的三維空間位置信息，需將三維場景投影至攝像機二維圖像平面上，用幾何關(guān)系判定被測物體在世界坐標體系的位置，以及其在成像點的數(shù)學關(guān)系，用小孔成像原理模擬出二者的投影關(guān)系。本文用的是針孔模型監(jiān)測距離的方法進行分析的，被監(jiān)測物體的特征點會在攝像機成像平面上投影形成幾何圖像。

6? 結(jié)語

盡管當前市場上有很多監(jiān)控設備，但多數(shù)是以PC為平臺，缺少圖像處理功能，智能化程度很低，且其體積大，攜帶較困難，價格貴。本文設計的單目視覺塔吊監(jiān)控系統(tǒng)是以ARM11平臺為基礎的，該系統(tǒng)融合了多種信息，可以監(jiān)控塔吊吊鉤，測量高度，進而解決駕駛員視覺盲區(qū)難題，利于駕駛員及時掌控吊鉤高度信息，提升作業(yè)安全系數(shù)與效率。

參考文獻：

[1] 梁艷.基于OpenCV的ARM嵌入式網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].微型機與應用，2013（9）：121～122.

[2] 郗瑤穎.基于ARM11的單目視覺車距監(jiān)測系統(tǒng)[J].計算機系統(tǒng)應用，2012（12）：103～104.

[3] 韓延祥.用于目標測距的單目視覺測量方法[J].光學精密工程，2011（5）：98～99.

[4] 趙春媛.基于ARM9的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設計，2012（2）：33.