王海帆，馬福昌

(太原理工大學(xué) 測(cè)控技術(shù)研究所，山西 太原030024)

責(zé)任編輯:任健男

隨著科學(xué)技術(shù)以及人工智能的迅猛發(fā)展，視頻監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)被運(yùn)用到生活的各個(gè)領(lǐng)域，視頻監(jiān)控已經(jīng)進(jìn)入了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的時(shí)代，即第三代的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。而隨著社會(huì)發(fā)展的需求，智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)也在最近幾年興起，智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)就是在無人看守的情況下，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，通過對(duì)運(yùn)動(dòng)物體特征值的提取分析，對(duì)獲得的有用信息進(jìn)行處理，同時(shí)去掉大量不需要的數(shù)據(jù)信息，達(dá)到節(jié)省存儲(chǔ)空間的目的。本文設(shè)計(jì)了一種采用FPGA[1-4]和ARM的嵌入式智能液位視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)采集到的圖像信息進(jìn)行圖像識(shí)別，得到液位信息，同時(shí)將超出設(shè)定值的圖像信息應(yīng)用WiFi技術(shù)遠(yuǎn)程傳輸出去，實(shí)現(xiàn)了液位的遠(yuǎn)程無線視頻監(jiān)控，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、靈活性好的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由圖像的采集、圖像的緩存、圖像的顯示、圖像的識(shí)別、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與傳輸?shù)炔糠纸M成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖像的采集采用CMOS圖像傳感器，雖然CMOS圖像傳感器采集出來的圖像較CCD傳感器略差，但是CCD的成本遠(yuǎn)高于CMOS產(chǎn)品，而且CMOS傳感器的功耗比CCD產(chǎn)品低。用SDRAM實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的緩存，供VGA實(shí)時(shí)地顯示圖像。圖像采集、緩存和顯示單元由FPGA完成。圖像的識(shí)別、存儲(chǔ)和傳輸由ARM9微控制器完成。其中FPGA和ARM通過雙口RAM進(jìn)行通信。

系統(tǒng)工作流程:OV7670采集輸出的16 bit的RGB565視頻數(shù)據(jù)通過FPGA內(nèi)部的FIFO緩存進(jìn)入SDRAM，OV7670通過SCCB協(xié)議由FPGA進(jìn)行配置，VGA實(shí)時(shí)地讀取SDRAM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，同時(shí)FPGA讀取SDRAM中的數(shù)據(jù)存入雙口RAM中，讀取完一幀圖像后向ARM微控制器發(fā)送中斷信號(hào)，ARM微控制器將讀取的視頻數(shù)據(jù)通過內(nèi)部的圖像識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)液面高度的自動(dòng)讀數(shù)，并判斷液位是否超出預(yù)設(shè)值，如果超出則并啟動(dòng)WiFi[5-7]模塊將視頻數(shù)據(jù)發(fā)送出去并報(bào)警，同時(shí)將視頻數(shù)據(jù)保存到SD卡中，如果沒有超出則重新讀取圖像進(jìn)行分析[8-12]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 基于FPGA的硬件設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

FPGA選用的是Altera公司的EP3C25Q240C8N，它是Altera的Cyclone系列的第三代產(chǎn)品。CycloneⅢ系列FPGA較之前的產(chǎn)品具有更低的功耗、成本和更高性能，得到了廣泛的應(yīng)用。EP3C25擁有24 624個(gè)邏輯單元，內(nèi)部集成了66個(gè)嵌入式存儲(chǔ)器模塊M9K，608 kbit的內(nèi)部RAM，并有66個(gè)18×18嵌入式乘法器，4個(gè)內(nèi)部PLL，最大用戶可用148個(gè)I/O引腳，83個(gè)差分通道。

2.1.1 圖像采集模塊

本系統(tǒng)采用的攝像頭是CMOS攝像頭OV7670圖像傳感器，特點(diǎn)是體積小，工作電壓低，通過SCCB總線控制，輸出16位數(shù)據(jù)，圖像最高幀率達(dá)到30幀/秒(f/s)。數(shù)字輸出格式有YUV/YCrCb 4∶2∶2，RGB 4∶2∶2，RGB565/555/444，Raw RGB Data。支持色彩飽和度、灰度、Gamma、銳度(邊緣增強(qiáng))和像素反轉(zhuǎn)等參數(shù)的調(diào)節(jié)，具有自動(dòng)曝光控制、自動(dòng)增益控制、自動(dòng)白平衡、自動(dòng)亮度控制和自動(dòng)噪聲控制等功能。圖像采集模塊具體電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 圖像采集模塊電路設(shè)計(jì)(截圖)

2.1.2 圖像顯示模塊

圖像顯示模塊主要作用是將CMOS采集到的數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換成模擬圖像，通過VGA接口顯示到LCD顯示器上。圖像顯示模塊電路包括數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和VGA接口電路，如圖3所示，本電路中選用的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片為AD公司的ADV7123KST140，它有3組獨(dú)立的10 bit寬的RGB數(shù)字輸入口和3個(gè)相應(yīng)的RGB模擬輸出口，5 V供電，速度為140 MHz，低功耗。其原理圖如圖3所示。

圖3 圖像顯示模塊具體電路(截圖)

2.1.3 圖像緩存模塊

SDRAM模塊包括SDRAM讀寫、向SDRAM寫數(shù)據(jù)FIFO和從SDRAM讀數(shù)據(jù)FIFO，采用異步FIFO的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)SDRAM的突發(fā)讀寫，同時(shí)FPGA為SDRAM提供同步命令接口和時(shí)序邏輯控制，從FPGA的輸入時(shí)鐘為50 MHz，通過內(nèi)部PLL倍頻后成為100 MHz的時(shí)鐘供給SDRAM。本設(shè)計(jì)使用的是韓國(guó)HYUNDAI公司的HY57V641620，存儲(chǔ)容量為4組×16 Mbit(8 Mbyte)，工作電壓為3.3 V，兼容LVTTL接口，支持自動(dòng)刷新(Auto-Refresh)和自刷新(Self-Refresh)，16位數(shù)據(jù)寬度。具體接口電路如圖4所示。

圖4 圖像緩存模塊接口電路(截圖)

2.2 基于ARM的硬件設(shè)計(jì)

ARM處理器采用2440 16/32 bit RISC微處理器。2440作為手持設(shè)備設(shè)計(jì)的專用芯片，具有低功耗、處理計(jì)算速度高等特點(diǎn)。該器件工作電壓為1.3 V，采用16/32 bit ARM 920T RISC核心，提供的接口包括NAMD閃存、數(shù)碼相機(jī)、TFT液晶屏、USB、SD/MMC存儲(chǔ)卡及觸摸屏等，支持Windows CE和Linux等系統(tǒng)。

2.2.1 SD卡存儲(chǔ)模塊

SD卡是一種低電壓的Flash閃存產(chǎn)品，有標(biāo)準(zhǔn)的SD/SPI兩種操作模塊。對(duì)于SD操作模式，讀寫速度快、控制信號(hào)線多、操作復(fù)雜，對(duì)于SPI操作模塊，速度慢、信號(hào)線少、操作相對(duì)簡(jiǎn)單。本設(shè)計(jì)采用的是SD模式，在這種模式下，所有數(shù)據(jù)線都要接上拉電阻。具體接口電路如圖5所示。

圖5 SD卡接口電路(截圖)

2.2.2 WiFi傳輸模塊

目前，市面上的WiFi模塊有USB，UART，SPI，SDIO等4種接口，本設(shè)計(jì)采用SDIO接口的WiFi模塊。內(nèi)部采用Marvell 88w8686芯片，支持1 200～115 200 baud的波特率范圍，支持單3.3 V供電，具體電路圖如圖6所示。

圖6 WiFi模塊接口電路(截圖)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA的編程時(shí)通過Verilog語言來實(shí)現(xiàn)的，在QuartusⅡ環(huán)境下進(jìn)行編程和調(diào)試的。其中FPGA實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能:1)視頻信號(hào)的采集和顯示部分的時(shí)序控制;2)對(duì)OV7670進(jìn)行控制、配置和初始化;3)視頻圖像信號(hào)壓縮和緩存的控制。ARM處理器用來實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別模塊、SD卡讀寫和WiFi模塊的控制。ARM嵌入式微處理器的軟件設(shè)計(jì)以實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)Linux為軟件平臺(tái)，系統(tǒng)各功能采用C語言編程來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)工作流程如圖7所示。

3.1 視頻信號(hào)采集模塊軟件設(shè)計(jì)

視頻采集模塊分為攝像頭初始化、配置和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換兩部分，一部分是按照SCCB總線時(shí)序，對(duì)OV7670進(jìn)行初始化，并將數(shù)據(jù)寫入到攝像頭內(nèi)部寄存器，控制它的工作模式，使它輸出RGB圖像信號(hào)，另一部分則將輸出的8 bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為16 bit的RGB565信號(hào)。其中VSYNC為幀同步信號(hào)，HREF為行同步信號(hào)，XCLK為系統(tǒng)時(shí)鐘輸入信號(hào)，PCLK為像素時(shí)鐘。將得到的cmos_data數(shù)據(jù)的相鄰2個(gè)字節(jié)作為RGB565信號(hào)輸出，仿真圖如圖8和圖9所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖(截圖)

3.2 圖像的緩存模塊

SDRAM的操作有以下幾個(gè)步驟:上電后等待200μs后進(jìn)入穩(wěn)定期，向SDRAM發(fā)送預(yù)充電命令，等待一定時(shí)鐘后發(fā)送8次刷新命令，設(shè)置SDRAM的工作模式寄存器，行列選擇之后可以進(jìn)行讀寫操作，對(duì)SDRAM的操作時(shí)通過對(duì)CS#，RAS#，CAS#，WE#，ADDR的組合指令來完成的。SDRAM仿真時(shí)序圖如圖10所示。

3.3 圖像識(shí)別算法

圖像識(shí)別模塊將采集到的圖像進(jìn)行處理，得到標(biāo)尺的讀數(shù)。所用到的標(biāo)尺如圖11所示。

圖11 刻度標(biāo)尺(截圖)

在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)需要安裝標(biāo)有刻度的專用標(biāo)尺，標(biāo)尺刻度用4位數(shù)碼管字體標(biāo)注，刻度最小間距1 mm。由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)必然受到噪聲等環(huán)境因素的影響，圖像存在一定的畸變，所以首先需要進(jìn)行預(yù)處理，將獲得的圖像進(jìn)行灰度處理，轉(zhuǎn)換為灰度圖像，接著進(jìn)行二值化分割，分割出目標(biāo)圖像;隨后進(jìn)行形態(tài)學(xué)濾波，包括腐蝕、膨脹、開運(yùn)算和閉運(yùn)算;然后采用3×3的中值濾波模板進(jìn)行，中值濾波后標(biāo)尺的刻度邊緣得到保護(hù)，去除了噪聲的干擾。

經(jīng)過圖像預(yù)處理后利用Canny算子進(jìn)行邊緣檢測(cè)，從圖像中分離度數(shù)字圖像和其下方的刻度圖像，再利用水平投影法和垂直投影法，以及數(shù)字本身長(zhǎng)度和面積等特征，通過多次采樣取平均值的方法標(biāo)定出水位分割線和分割后的字符，利用數(shù)字結(jié)構(gòu)特征分析法和穿線法識(shí)別單個(gè)字符，得到整數(shù)部分，利用分割線到整數(shù)刻度與兩個(gè)整數(shù)字符間的像素差的比值來得到小數(shù)部分，最終整數(shù)部分加小數(shù)部分得到所需要的數(shù)值。算法流程圖如圖12所示。

圖12 算法流程圖

3.4 測(cè)試結(jié)果

本系統(tǒng)所使用的標(biāo)尺上的刻度采用數(shù)碼管字體，這種字體沒有弧線，橫平豎直，簡(jiǎn)化了識(shí)別的難度，同時(shí)提高了識(shí)別的準(zhǔn)確性。

對(duì)上述字體在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了數(shù)百次實(shí)驗(yàn)，得到了可靠地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表1。通過測(cè)試可以看出，該識(shí)別算法能達(dá)到預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)論

本文基于FPGA和ARM設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、實(shí)用性強(qiáng)的智能高速液位無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，能在無人看守的情況下遠(yuǎn)程讀取液位數(shù)據(jù)。充分發(fā)揮了FPGA和ARM的特點(diǎn)，利用FPGA在邏輯控制和數(shù)據(jù)采集方面的優(yōu)勢(shì)，以及ARM穩(wěn)定性好、控制性強(qiáng)的特點(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)液位數(shù)據(jù)的采集識(shí)別、存儲(chǔ)及傳輸，以及VGA的顯示。系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控液位的目的，節(jié)省了人力和物力的成本，為實(shí)現(xiàn)更好的嵌入式無線液位監(jiān)控系統(tǒng)提供了一個(gè)良好的解決方案。

表1 數(shù)字識(shí)別率測(cè)試

[1]莊聰聰，王大明.基于ARM7與FPGA架構(gòu)的面陣CCD圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科技廣場(chǎng)，2010(1):104-106.

[2]嚴(yán)華宇.基于FPGA的玻璃缺陷圖像采集預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2007.

[3]舒志猛，陳素華.基于FPGA和DSP的高速圖像處理系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35(4):143-144.

[4]胡勝，楊雷，宋躍，等.基于ARM&FPGA的CCD圖像識(shí)別裝置[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012(1):55-56.

[5]胡君連.基于WiFi的嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].上海:東華大學(xué)，2012.

[6]吳穎.基于視覺傳感的嵌入式液位測(cè)量系統(tǒng)[D].天津:天津大學(xué)，2009.

[7]薛子伯.基于WiFi的觸發(fā)式無線圖像采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].吉林:吉林大學(xué)，2011.

[8]宋樂，林玉池，吳穎，等.基于視覺傳感的嵌入式自動(dòng)讀尺系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009，28(8):87-88.

[9]趙瑤池，胡祝華，胡詩雨.嵌入式網(wǎng)絡(luò)智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35(4):69-71.

[10]王剛，毛劍飛，田青，等.基于ARM11的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2011，20(8):19-20.

[11]畢克宏.基于機(jī)器視覺的水位監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].鄭州:鄭州大學(xué)，2009.

[12]余振庭.排水系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控圖像識(shí)別控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].杭州:浙江大學(xué)，2008.