李龍鳳

（上海諾基亞貝爾股份有限公司，江蘇 南京 210037）

0 引 言

傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)由專(zhuān)人在固定時(shí)間查看監(jiān)控區(qū)域，監(jiān)控內(nèi)容保存時(shí)間有限，相關(guān)人員無(wú)法根據(jù)監(jiān)控快速并及時(shí)地對(duì)安全事故做出反應(yīng)。此外，考慮到火災(zāi)和入侵警報(bào)系統(tǒng)復(fù)雜度高、價(jià)格昂貴且兩者并未集成在一個(gè)系統(tǒng)中，基于FPGA技術(shù)和Robei EDA工具設(shè)計(jì)智能安防系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用幀差法，不僅可以在多種環(huán)境下對(duì)入侵目標(biāo)進(jìn)行追蹤，而且還可以通過(guò)云端構(gòu)建多節(jié)點(diǎn)智能監(jiān)控網(wǎng)[1]。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，該系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)和識(shí)別無(wú)人值守區(qū)域的安全。

1 Robei EDA工具

Robei EDA軟件是一種全新的面向?qū)ο蟮目梢暬酒O(shè)計(jì)軟件，可以支持基于Verilog語(yǔ)言的集成電路前端設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。不同于軟件編程的抽象，Robei EDA工具將芯片設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單直觀，可以極大地降低學(xué)習(xí)芯片設(shè)計(jì)的入門(mén)門(mén)檻[2]。

2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體架構(gòu)可以分為5個(gè)部分，即門(mén)禁檢測(cè)系統(tǒng)、多傳感器融合的入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、環(huán)境數(shù)據(jù)及火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)以及多節(jié)點(diǎn)監(jiān)控組網(wǎng)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1 門(mén)禁檢測(cè)系統(tǒng)

門(mén)禁檢測(cè)系統(tǒng)作為安防系統(tǒng)的第一道防線，對(duì)未知身份者進(jìn)行第一次篩查。若指紋認(rèn)證通過(guò)，則系統(tǒng)判定為有權(quán)限進(jìn)入，后續(xù)警報(bào)解除；若指紋認(rèn)證未通過(guò)，則后續(xù)入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)繼續(xù)工作，實(shí)時(shí)監(jiān)控非法闖入者。

2.2 多傳感器融合入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

多傳感器融合的入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由超聲波模塊、無(wú)線雷達(dá)探測(cè)模塊、紅外溫度傳感器、OV5640攝像頭、LCD顯示屏、WiFi攝像頭以及舵機(jī)云臺(tái)組成，可以對(duì)非法闖入者進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[3]。若有人闖入，超聲波模塊和無(wú)線雷達(dá)探測(cè)模塊將探測(cè)到人體的存在，并通過(guò)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，而攝像頭捕捉到移動(dòng)目標(biāo)時(shí)可以將移動(dòng)目標(biāo)自動(dòng)框出。

2.3 環(huán)境數(shù)據(jù)及火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

環(huán)境數(shù)據(jù)及火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由火焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器、CO傳感器、GY-39環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊組成，可以對(duì)室內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并判斷是否發(fā)生火災(zāi)或其他事故。如果室內(nèi)出現(xiàn)明火、煙霧或過(guò)于潮濕的情況，上位機(jī)也會(huì)收到并警報(bào)?；鹧?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器、CO傳感器在感應(yīng)到明火、煙霧濃度超標(biāo)、CO濃度超標(biāo)后將會(huì)產(chǎn)生報(bào)警，報(bào)警信息由無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)分別發(fā)送至上位機(jī)和手機(jī)終端，提醒管理人員室內(nèi)發(fā)生的事故。環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)的溫度、濕度、氣壓等環(huán)境信息，并將信息實(shí)時(shí)發(fā)送至上位機(jī)，管理人員可以通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)。

2.4 無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)

無(wú)線通信系統(tǒng)由WiFi模塊、藍(lán)牙模塊、SIM900A模塊以及手機(jī)App等組成，系統(tǒng)通過(guò)WiFi模塊傳輸報(bào)警信息和環(huán)境數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)SIM900A模塊驅(qū)動(dòng)SIM卡向手機(jī)等終端發(fā)送報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的報(bào)警，提高系統(tǒng)的實(shí)用性。此外，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成報(bào)警日志，詳細(xì)記錄警報(bào)事件和時(shí)間，方便監(jiān)控人員日后查看。

2.5 多節(jié)點(diǎn)智能監(jiān)控組網(wǎng)系統(tǒng)

高精度定位系統(tǒng)由ATK-S1216北斗模塊組成，具有定位精度高、傳輸速度快的優(yōu)點(diǎn)。多節(jié)點(diǎn)智能監(jiān)控組網(wǎng)系統(tǒng)可以定位整個(gè)系統(tǒng)的位置，將各個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳至云端進(jìn)行統(tǒng)一處理，實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)、高效且全面的監(jiān)控[4]。多節(jié)點(diǎn)智能監(jiān)控組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能監(jiān)控組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)算法

3.1 移動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)算法

采用幀間差分法來(lái)檢測(cè)非法闖入者的位置，并通過(guò)方框框選的方法使其在LCD屏幕上顯示，完成對(duì)區(qū)域場(chǎng)景的入侵檢測(cè)與追蹤識(shí)別。幀間差分法通過(guò)對(duì)視頻圖像連續(xù)兩幀作差分運(yùn)算來(lái)獲得運(yùn)動(dòng)目標(biāo)輪廓，當(dāng)視頻圖像中的物體出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，相鄰兩幀之間就會(huì)出現(xiàn)較為明顯的差異，通過(guò)兩幀相減可以得到兩幀亮度差的絕對(duì)值。結(jié)合預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行二值化來(lái)分析圖像中物體的運(yùn)動(dòng)特性，從而確定圖像中有無(wú)運(yùn)動(dòng)物體[5]。移動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)算法流程如圖3所示。

圖3 移動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)算法流程

將攝像頭采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RGB格式后，將數(shù)據(jù)分成兩路。一路直接送入同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi) 存（synchronous dynamic random-access memory，SDRAM）的寫(xiě)通道1，由LCD驅(qū)動(dòng)模塊使能讀通道1，讀出后做為輸出數(shù)據(jù)1；另一路進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，將RGB格式轉(zhuǎn)換為灰度格式，寫(xiě)入SDRAM寫(xiě)通道2，并將通道1的寫(xiě)使能延時(shí)一幀后作為通道2的讀使能，這樣就得到了兩股平行的數(shù)據(jù)，每個(gè)像素之間相差一幀。將數(shù)據(jù)送入差分模塊，如果某一個(gè)像素點(diǎn)上前后兩幀的數(shù)據(jù)相差大于某一閾值，就認(rèn)為該像素點(diǎn)上出現(xiàn)了移動(dòng)物體，遍歷全部像素即可確定移動(dòng)目標(biāo)的位置。做差后對(duì)二值化的圖像進(jìn)行進(jìn)一步處理，采用濾波算法將多余的噪點(diǎn)去除，再利用開(kāi)運(yùn)算使輪廓更平滑，通過(guò)遍歷所有像素點(diǎn)確定目標(biāo)區(qū)域4個(gè)頂點(diǎn)的極值坐標(biāo)，與SDRAM讀通道1輸出的RGB圖像同時(shí)送入LCD顯示，從而完成對(duì)畫(huà)面內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)框選。

3.2 黑夜圖像增強(qiáng)算法

移動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)算法適用于白天，在黑夜等光線較弱的情況下識(shí)別效果不太理想?；诖?，采用直方圖拉伸的方法提升黑夜環(huán)境下的圖像識(shí)別效果。在前一幀計(jì)算出公式灰度值，用來(lái)對(duì)本幀圖像進(jìn)行拉伸處理。設(shè)f(x,y)為輸入圖像，在第一幀統(tǒng)計(jì)灰度最大值B和最小值A(chǔ)。在第二幀進(jìn)行拉伸，輸出拉伸后的圖像為：

黑夜圖像算法實(shí)際應(yīng)用效果如圖4所示。

圖4 黑夜圖像算法實(shí)際應(yīng)用效果

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)上電，各個(gè)子系統(tǒng)完成初始化后開(kāi)始并行工作。將各個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳至云端進(jìn)行統(tǒng)一處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)信息交互。當(dāng)部署多臺(tái)設(shè)備時(shí)，通過(guò)云端對(duì)每一臺(tái)設(shè)備的信息進(jìn)行匯總處理，從而在組網(wǎng)終端實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備列表中任意一臺(tái)設(shè)備的信息。系統(tǒng)各部分的具體實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)各部分具體流程

5 結(jié) 論

基于FPGA和Robei EDA軟件的智能安防系統(tǒng)具有集成化和小型化等優(yōu)點(diǎn)，可以與多種外設(shè)連接并通信，能夠顯著降低系統(tǒng)建設(shè)成本。此外，經(jīng)過(guò)多次調(diào)試和實(shí)際應(yīng)用，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，適合在復(fù)雜場(chǎng)合中長(zhǎng)時(shí)間使用。