晉　磊，裴以建，崔國亮，程正瑞

(云南大學 信息學院,云南 昆明 650000)

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基于網(wǎng)絡攝像機的森林火災檢測系統(tǒng)研究

晉磊，裴以建，崔國亮，程正瑞

(云南大學 信息學院,云南 昆明 650000)

摘要針對當前世界上發(fā)達國家采用衛(wèi)星作為森林火災的監(jiān)測工具，輔以直升機補充衛(wèi)星監(jiān)測帶的誤差，不僅造價高昂，且不符合林區(qū)分布廣、分布不集中的國情等缺點，提出了一種以網(wǎng)絡攝像機作為監(jiān)測工具，手機、電腦作為處理終端，開發(fā)基于Android手機客戶端和PC客戶端的森林火災監(jiān)測系統(tǒng)。利用TCP/IP協(xié)議棧設計多線程任務應用，實現(xiàn)火災監(jiān)測在網(wǎng)絡攝像機平臺的移植。最終將視頻處理結(jié)果由以太網(wǎng)傳至監(jiān)控中心，實現(xiàn)對火災的提前預警。

關(guān)鍵詞火災檢測；網(wǎng)絡攝像頭；Android平臺

Research on Forest Fire Detection System Based on IP-camera

JIN Lei,PEI Yi-jian,CUI Guo-liang,CHENG Zheng-rui

(SchoolofInformationScienceandEngineering,YunnanUniversity,KunmingYunnan650000,China)

AbstractCurrently,satellites are used by some developed countries as forest fire monitoring tool,and the satellite monitoring errors are complemented by helicopters.This method is too costly,and it’s not adapted to the wide and decentralized distribution of Chinese forest.A forest fire monitoring system based on Android mobile client and PC client is proposed,in which an IP-camera is used as the monitoring tool,and mobile phones and computers as the processing terminal.Using TCP/IP protocol for multithreaded applications design,the transplant of fire monitoring on network camera platform is achieved.The video processing results are finally sent to the monitoring center through Ethernet to achieve the early warning of forest fire.

Key wordsfire detection;IP-camera;Android platform

0引言

森林在國民經(jīng)濟中占有重要地位，它不僅能提供國家建設和人民生活所需的木材及林副產(chǎn)品，而且還肩負調(diào)節(jié)氣候、保持水土及旅游保健等多種使命。同時，森林還是農(nóng)牧業(yè)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的重要條件。然而，森林火災會給森林帶來嚴重危害。森林火災位居破壞森林的三大自然災害(火災、病害和蟲害)之首。森林火災的發(fā)生將帶來巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。因此，實現(xiàn)早期森林火災預警，將為及時疏散人群和撲滅火災提供寶貴的時間，最大程度地減少人員傷亡和經(jīng)濟損失。攝像頭作為一種視頻輸入設備，它所帶來的實時監(jiān)控效果，使上述的這些成為可能[1]。

目前，國內(nèi)主要采用基于PC的圖像型森林火災探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)視頻傳輸距離有限且布線不易[2]。而IP網(wǎng)絡攝像頭內(nèi)嵌WIFI模塊，從而可以方便地連接到無線路由、手機等管理設備，免去了布線復雜的煩惱，并且由于4G網(wǎng)絡的全面覆蓋，也使得實時監(jiān)控獲取畫面成為了可能?？朔藭r間、地域的限制。

因此，對基于IP網(wǎng)絡攝像頭的火災檢測研究不僅對防災減少經(jīng)濟損失具有重大意義，同時也滿足了當下智能手機的流行趨勢，應用手機進行實時監(jiān)測預警，極大地降低安防人員的勞動強度，真正在一定意義上實現(xiàn)了從源頭上預防森林火災。

1IP網(wǎng)絡攝像頭內(nèi)部構(gòu)成分析

IP網(wǎng)絡攝像機內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。其實就是一臺使用Linux嵌入式系統(tǒng)的多功能監(jiān)控服務器，有自己的CPU、硬盤(閃存)、內(nèi)存和有外接的網(wǎng)絡接口。網(wǎng)絡攝像機通過一塊視頻壓縮芯片，把CMOS攝像頭拍到的視頻高效壓縮轉(zhuǎn)換成能在網(wǎng)絡上傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包，集成普通攝像機和視頻壓縮、網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換器，將圖像轉(zhuǎn)換為基于TCP/IP網(wǎng)絡標準的數(shù)據(jù)包，使攝像機所攝的畫面通過RJ-45以太網(wǎng)接口直接傳送到網(wǎng)絡上，通過網(wǎng)絡即可接收遠端視頻畫面[3]。同時，在平臺上增加了對同步電機的相關(guān)支持，授權(quán)用戶可以控制攝像機云臺鏡頭的左右轉(zhuǎn)動。

圖1　內(nèi)部結(jié)構(gòu)

IP網(wǎng)絡攝像機原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于網(wǎng)絡攝像機圖像采集部分和模擬攝像機是一樣的，故將其簡化為鏡頭、濾光鏡以及CCD圖像傳感器三部分。IP網(wǎng)絡攝像機內(nèi)含CPU，建有Web Server和CCD圖像傳感器，增加了對模擬視頻進行數(shù)字化處理的芯片，并由編解碼芯片完成對圖像及聲音的壓縮和動態(tài)錄像的回放[4]。

圖2　IP網(wǎng)絡攝像機原理結(jié)構(gòu)圖

2系統(tǒng)的組成及實施

我國是少林國家，森林覆蓋率僅為13.92%，遠遠低于72%的世界的平均水平。且分布不集中，傳統(tǒng)的森林火災監(jiān)測系統(tǒng)模型一般用遙感和衛(wèi)星圖片作為數(shù)據(jù)來源，而遙感圖片和衛(wèi)星圖片一是數(shù)據(jù)不是即時傳輸，二是造價昂貴[5]。基于國情，提出了以網(wǎng)絡攝像頭作為檢測模型，在瞭望臺與檢測區(qū)域間實現(xiàn)點對多點數(shù)據(jù)傳輸、流媒體傳輸2種模式，以實現(xiàn)從源頭到監(jiān)控中心的實時監(jiān)測。

模式1：點對多點數(shù)據(jù)傳輸模式如圖3所示。利用24 dBi柵格定向天線進行信號增益的放大，定向天線在水平方向和垂直方向均表現(xiàn)為有一定寬度的波束，增益越大，功率角度越小。點對多點無線網(wǎng)橋以一個網(wǎng)絡中心點發(fā)送無線信號，其他接收點進行信號接收。通過柵格定向天線實現(xiàn)放大信號增益，滿足在林區(qū)有遮擋物的條件下進行正常的數(shù)據(jù)傳輸[6]。此種模式，對于山路崎嶇的偏遠山區(qū)具有重要意義，免去了護林人的腳力巡山，監(jiān)測火情的問題，極大地減輕了護林員的工作壓力。同時，實現(xiàn)的成本很低，對于偏遠山區(qū)的護林防火具有重要意義。

圖3　點對多點傳輸模式

收發(fā)端都接定向天線的實際信號強度檢測圖如圖4和圖5所示。信號強度的檢測是通過WirelessMon專業(yè)版吞吐量測試軟件進行性能測試的，收發(fā)端均為網(wǎng)捷FOUNDERYEW500同型號路由器。實現(xiàn)415曲線發(fā)送端信道位圖，虛線QRouter-D5曲線為接收端信道位圖。二者在相距距離為1.5 km有樹作為遮擋物的情況下進行測試。由圖4信道位圖可見，二者信號質(zhì)量很好，信號穩(wěn)定。

圖4　兩端接定向天線信道位圖

由圖5接收端時間位圖可以看出，信號整體來說很穩(wěn)定，但是接收端有短時(約為0.5 s)的信號停止，信號強度直接從-50 dBm降到-100 dBm，這與路由器性能有關(guān)，廠商在生產(chǎn)環(huán)節(jié)嵌入短時間歇性的停止，以達到省電模式的效果。

圖5　接收端時間位圖

圖6和圖7為只有發(fā)送端接24 dBi柵格定向天線進行增益放大，而接收端不接定向天線進行增益放大的信號檢測圖。由圖6可見，在同樣的距離模式下，發(fā)送端的信號強度相同，而接收端信號的衰減效果明顯，接收端收到的信號強度僅有-64 dBm。由圖7接收端的時間位圖也可看到，信號穩(wěn)定后的強度衰減了10 dBm。

圖6　接收端不接定向天線信道位圖

圖7　接收端時間位圖

在這種情況下，通信的質(zhì)量也不是太好，在信號傳輸過程中，信號衰變改變了信號的電壓,致使信號在傳輸中遭到破壞，產(chǎn)生誤碼。由關(guān)于接收信號和數(shù)據(jù)的測試統(tǒng)計可見，經(jīng)過一段時間后傳輸幀數(shù)為51 191，F(xiàn)CS錯誤數(shù)為5 965，可以知道誤碼率約為10%，可能導致大量錯誤信息的產(chǎn)生，不能很好地完成通信任務。

因此，由以上可見，這種采用24 dBi柵格定向天線進行增益放大，以垂直功率角度14°水平功率角度10°放置，能夠在林區(qū)這種樹木遮擋嚴重、影響對無線信號收發(fā)的區(qū)域，很好地完成通信任務。模式1經(jīng)實際驗證，在林區(qū)能夠完成視頻圖像傳輸?shù)耐ㄐ湃蝿铡?/p>

模式2：流媒體式傳輸模型，監(jiān)控端由PC監(jiān)控端和移動監(jiān)控端組成，主要實現(xiàn)視頻監(jiān)控功能；數(shù)據(jù)傳輸部分將壓縮完成的音視頻數(shù)據(jù)傳送到流媒體服務器；服務器主要提供用戶統(tǒng)一的Web頁面和Web Service接口。存儲管理服務器負責視頻數(shù)據(jù)的存儲與調(diào)度[7]。最終以流式協(xié)議 (RTSP、MMs和RTMP等)將視頻文件以流媒體形式傳輸?shù)娇蛻舳?，供用戶在線訪問，在平臺上增加對同步電機的相關(guān)支持，授權(quán)用戶可以控制攝像機云臺鏡頭的左右轉(zhuǎn)動[8]。

同時，4G網(wǎng)絡的全面覆蓋使得遠端的實時視頻監(jiān)控成為了可能，克服了時間和地域的限制，能夠更高效地完成森林防災監(jiān)控預警，也極大地減輕了護林員的勞動強度和壓力。此種模式下，對于發(fā)生重大火情情況，能夠迅速向服務器發(fā)送火災預警，反映給相關(guān)部門，將為撲滅火情爭取寶貴的時間，具有重要的實現(xiàn)意義。

3基于Android的手機客戶端軟件開發(fā)

Android是 Google公司推出的針對移動設備的操作系統(tǒng)，底層采用Linux內(nèi)核，應用程序采用類Java語言編寫，并運行于類JVM虛擬機的Dalvik虛擬機之上[9]。該系統(tǒng)具有開放源碼免費授權(quán)的優(yōu)勢，功能完善和成熟，已獲得廠商的廣泛支持和大量市場份額 。eclipse IDE開發(fā)環(huán)境友善。

同時，網(wǎng)絡攝像機的多數(shù)構(gòu)件如壓縮模塊、嵌入式系統(tǒng)等可采用成熟的集成電路和DSP設備，為加速開發(fā)進程提供了充分的結(jié)構(gòu)保證。多數(shù)網(wǎng)絡攝像機廠商提供二次開發(fā)工具包，用戶可以根據(jù)自己的應用要求，開發(fā)出適合自己需要的特定監(jiān)控系統(tǒng)。

因此選用 Android系統(tǒng)作為IP網(wǎng)絡攝像頭的客戶端程序。Android客戶端軟件開發(fā)流程圖如8所示。

圖8　Android開發(fā)流程

Android應用函數(shù)與類構(gòu)成如圖9所示。

圖9　Activity類構(gòu)成

Android應用一般由多個Activity、Intent、Content Provider和Service等程序框架組成，其中最基礎(chǔ)的是Activity活動類，該類相當于軟件運行時的一個頁面，在頁面之上可添加各種控件，如：button按鍵、ImageView 圖片、Text boxes和Lists列表等。除此以外還負責監(jiān)聽系統(tǒng)事件，負責啟動其他的Activity類。在多Activity類之間跳轉(zhuǎn)就需要用到Intent類，Intent類有2個重要部分：動作和動作對應的數(shù)據(jù)。常用的動作有：MAIN、VIEW、PICK和EDIT等，動作數(shù)據(jù)則以URI形式表示[10]。通過Intent類還能傳遞參數(shù)，作用類似鏈條串起Activity類 。

MySurfaceView.java用于獲取和處理服務器傳來的WiFi視頻流數(shù)據(jù)，用canvas畫布將其全屏顯示在手機界面。Main.java初始化各個按鈕的信息，GetCameraIp()方法獲取攝像頭IP地址setOnTouchListener對觸屏操作進行監(jiān)聽，獲取各個按鈕的動作函數(shù)，實現(xiàn)對網(wǎng)絡攝像頭及云臺轉(zhuǎn)動的控制。

4PC端C#程序設計流程

使用Visual Studio軟件編寫，語言為C#。PC軟件設計流程圖類似于Android手機客戶端軟件流程。

PC連接到以太網(wǎng)，通過TCP/IP協(xié)議進行數(shù)制，設置視頻流地址、控制地址和控制端口。設置好接口后即完成了對于攝像頭的配置要求，即可以收發(fā)遠端攝像頭拍攝的畫面[11]。同時，在平臺上增加對同步電機的相關(guān)支持，授權(quán)用戶可以控制攝像機云臺鏡頭的左右轉(zhuǎn)動，亦可控制攝像頭的實時傳輸。

5應用趨勢

系統(tǒng)以多線程進行區(qū)域圖像監(jiān)測，并將其融入到視覺動態(tài)目標流程中，最終實現(xiàn)遠程的森林火災監(jiān)測，以提高系統(tǒng)的實時性和檢測的準確率。

智能化是數(shù)字化網(wǎng)絡化發(fā)展的必然趨勢，這樣才能做到事前預警，真正保安全。網(wǎng)絡攝像機將是一個承載智能技術(shù)的理想平臺，尤其加入人與物異常等的智能算法軟件，將是網(wǎng)絡攝像機成為智能網(wǎng)絡攝像機的重要發(fā)展方向。

目前，在國內(nèi)多采用在高處搭建瞭望臺來監(jiān)測林火以及通過衛(wèi)星、直升機和3s技術(shù)的綁定來定位和傳輸林火圖片。

在加拿大使用NOAA和AVHHR型2顆衛(wèi)星全天候監(jiān)測全國各林區(qū)氣候。2顆衛(wèi)星每天在該國上空輪流飛行5次，每次檢測1 000 km2，及時向全國各地發(fā)布短期和中長期氣象預報。并通過互聯(lián)網(wǎng)和多種信息媒介向各林區(qū)報告天氣趨勢[12]。

由于衛(wèi)星信息當前仍有14%誤差，因此林區(qū)還需要配備多架先進的直升飛機輪流監(jiān)測森林火災，以此作為衛(wèi)星信息的重要補充。結(jié)合我國森林覆蓋不是太集中的國情考慮，相對而言整個系統(tǒng)的造價昂貴，安防人員的勞動強度大，造成資源的浪費。利用普及的智能手機及PC作為處理終端，進行實時監(jiān)控，不僅實現(xiàn)成本低，且容易實現(xiàn)。因此，具有一定的現(xiàn)實意義。

6結(jié)束語

本系統(tǒng)設計是基于Android和C#的網(wǎng)絡攝像頭森林火災監(jiān)測系統(tǒng)，介紹了以網(wǎng)絡攝像頭作為開發(fā)平臺，2種網(wǎng)絡模式下的視頻數(shù)據(jù)交換：點對多點數(shù)據(jù)傳輸模式對偏遠山區(qū)的森林火災監(jiān)控預警具有建設性意義；而流媒體模式則以很快的速度將災情反應到服務器，獲取信息以爭取寶貴的撲火時間，減小火災帶來的巨大經(jīng)濟損失。

當前隨著Android智能手機的普及，遠程視頻監(jiān)控運用于Android智能手機是未來的必然趨勢，實現(xiàn)森林火災在手機上的實時監(jiān)控必定大有可為。

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晉磊男，(1990—)，碩士。主要研究方向：圖像處理、人工智能及數(shù)字圖像處理。

裴以建男，(1958—)，教授。主要研究方向：數(shù)字圖像處理、大數(shù)據(jù)研究、機器人的研發(fā)。

作者簡介

中圖分類號TN915.43

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2016)02-0014-05

收稿日期：2015-11-02

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.02.04

引用格式：晉磊，裴以建，崔國亮，等.基于網(wǎng)絡攝像機的森林火災檢測系統(tǒng)研究[J].無線電工程,2016,46(2):14-18.