陳曉娟 卜樂平 楊加軍

（1. 海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，武漢 430033；2. 91458部隊(duì)，海南三亞 572000）

1 引言

傳統(tǒng)的火災(zāi)探測系統(tǒng)[1，2]是根據(jù)監(jiān)控現(xiàn)場某種單一的傳感器所采集的火災(zāi)特征信號，采用閾值法[3]來判定火災(zāi)是否發(fā)生。這樣的系統(tǒng)很難準(zhǔn)確獲取監(jiān)控現(xiàn)場的火災(zāi)特征信號，誤報漏報現(xiàn)象十分嚴(yán)重。目前，大量的研究人員正在研制以微處理器為核心的多傳感器火災(zāi)探測系統(tǒng)，降低火災(zāi)的誤報率和漏報率。這種探測系統(tǒng)其實(shí)是一個智能化的火災(zāi)自動探測報警終端。它可以單獨(dú)部署于火災(zāi)監(jiān)控現(xiàn)場，也可以組網(wǎng)建立分布式火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，DSP的性能指標(biāo)不斷提高，應(yīng)用的領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，可以實(shí)時完成圖像信號的處理。本文選用高性能的TMS320DM642芯片為核心，設(shè)計(jì)了一款多參數(shù)火災(zāi)探測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場圖像、溫度、煙霧濃度數(shù)據(jù)的采集、編碼、存儲、傳輸，通過對火災(zāi)圖像紋理特征[4]信號的提取，及對紋理、溫度、煙霧濃度等火災(zāi)特征信號的分析處理，完成重要場所的火災(zāi)監(jiān)控和自動報警。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 基本要求

為了實(shí)現(xiàn)對火災(zāi)情況準(zhǔn)確而及時的預(yù)報，要求火災(zāi)探測系統(tǒng)能在每秒鐘采集數(shù)幀圖像，每幀圖像要求能達(dá)到一定的分辨率，同時采集一組溫度、煙霧數(shù)據(jù)，能實(shí)時存儲采集的所有數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)傳送至主控計(jì)算機(jī)，使指揮人員及時了解現(xiàn)場火災(zāi)情況，從而做出正確的決策。報警終端要根據(jù)采集的所有數(shù)據(jù)迅速計(jì)算提取火災(zāi)的特征信號，并進(jìn)行多判據(jù)火災(zāi)的識別，如發(fā)生火災(zāi)則通知主控計(jì)算機(jī)。主控計(jì)算機(jī)得到火災(zāi)的信息，應(yīng)能立即驅(qū)動自動報警裝置，同時能報告火災(zāi)發(fā)生的地點(diǎn)位置。因此，火災(zāi)探測系統(tǒng)至少應(yīng)該包括4個模塊：火災(zāi)現(xiàn)場圖像采集、編碼、傳輸模塊，溫度和煙霧濃度數(shù)據(jù)采集模塊，火災(zāi)圖像紋理信號提取模塊，火災(zāi)特征信號分析處理模塊。這樣，火災(zāi)探測系統(tǒng)必然涉及到大容量視頻圖像的高速數(shù)據(jù)采樣、存儲與處理，需要一款高性能的DSP器件。本文選用的DSP為TMS320DM642芯片。

2.2 TMS320DM642芯片

TMS320DM642芯片是美國德州儀器公司推出的一款面向數(shù)字多媒體應(yīng)用的DSP，集成了完備的視頻輸入輸出接口、以太網(wǎng)接口等片上外設(shè)，能與視頻編解碼器件、以太網(wǎng)總線可靠無縫連接。該芯片主頻為600 MHz，能夠?qū)崟r處理大容量的視頻數(shù)據(jù)，提取火災(zāi)特征信號，識別輸出火災(zāi)報警信號，能夠通過以太網(wǎng)接口實(shí)時傳輸火災(zāi)監(jiān)控現(xiàn)場圖像，滿足火災(zāi)探測系統(tǒng)的基本要求。

2.3 系統(tǒng)基本原理

火災(zāi)探測系統(tǒng)的基本原理如圖 1所示。TMS320DM642芯片通過TVP5150視頻解碼模塊與彩色 CCD攝像機(jī)連接在一起。TVP5150模塊接收兩路復(fù)合視頻信號，解碼后輸出BT.656格式的視頻流數(shù)據(jù)。TMS320DM642則支持BT.656格式的視頻流數(shù)據(jù)，能與TVP5150的數(shù)據(jù)流進(jìn)行無縫連接。同時，TMS320DM642芯片通過TL16C752B通用異步收發(fā)器具備了 RS485接口通信的功能。這樣選用 CHD301C型溫度傳感器和CHD-LH93煙霧傳感器可以很容易實(shí)現(xiàn)溫度、煙霧數(shù)據(jù)的采集，因?yàn)樵擃愋偷膫鞲衅骶庋b了RS485接口。為了提高火災(zāi)探測系統(tǒng)的可靠性，避免單個傳感器故障引起系統(tǒng)不能正常工作，每一個傳感器均通過兩個 20 ?的電阻接入 RS485總線，同時在RS485總線的末端接入120 ?的終端電阻。

圖1 火災(zāi)探測系統(tǒng)原理

3 數(shù)據(jù)采集及處理

3.1 視頻壓縮傳輸

為了及時了解現(xiàn)場的情況，一般需將現(xiàn)場的視頻圖像傳輸?shù)街骺赜?jì)算機(jī)，而對一幀未經(jīng)處理圖像來說，其數(shù)據(jù)量相當(dāng)大，如 320 ×240 ×8bit的圖像為 75 kb，如果不經(jīng)處理進(jìn)行圖像傳輸，無疑會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。因此應(yīng)對圖像進(jìn)行壓縮傳輸。我們知道，圖像數(shù)據(jù)間存在著很大的冗余性，有壓縮的余地，如應(yīng)用國際靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG算法[5]，一般圖像的壓縮率可達(dá)到10～20 倍。對于本系統(tǒng)，攝像機(jī)是固定的，其攝入的圖像前后兩幀之間極其相似，至少背景應(yīng)一樣，因此選擇對捕獲圖像的前后兩幀的差值進(jìn)行JPEG壓縮，必然會大大提高壓縮率，減少數(shù)據(jù)量，而主控計(jì)算機(jī)的任務(wù)則是對傳輸過來的壓縮數(shù)據(jù)按相反的過程進(jìn)行解壓顯示，為了顯示的連續(xù)性，主控計(jì)算機(jī)可對其進(jìn)行插值以達(dá)到動態(tài)效果。壓縮處理后的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)接口傳輸。

3.2 溫度和煙霧濃度數(shù)據(jù)采集及處理

溫度、煙霧傳感器與TMS320DM642之間采用 Modbus協(xié)議進(jìn)行通信，其中 TMS320DM642作為主設(shè)備，傳感器作為從設(shè)備，主設(shè)備可以向從設(shè)備發(fā)送查詢指令字符串，從設(shè)備根據(jù)主設(shè)備查詢指令作出相應(yīng)反應(yīng)，主設(shè)備采用中斷方式接收從設(shè)備數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，通信過程如圖2所示。每一個從設(shè)備通過一個不同的地址來標(biāo)識。本文在溫度、煙霧數(shù)據(jù)采集過程中，按照最多同時接6個溫感和6個煙感的情況設(shè)計(jì)采集程序。通信波特率取9600，則TMS320DM642與任一個溫度或煙霧傳感器之間完成一次通信的所需時間大約30 ms。因此，在程序中定義了一個周期為40 ms的定時器控制完成溫度、煙霧濃度數(shù)據(jù)的采集。這樣通過設(shè)備地址循環(huán)的方式，可以在 480 ms內(nèi)完成所有傳感器數(shù)據(jù)的采集。在完成最后一個傳感器數(shù)據(jù)采集后計(jì)算溫感的平均溫度和煙感的平均煙霧濃度，并分別存放到全局溫度參數(shù)序列空間和煙霧濃度參數(shù)序列空間，供火災(zāi)識別使用。

圖2 主從設(shè)備通信過程

3.3 圖像數(shù)據(jù)采集及處理

圖像數(shù)據(jù)采集則在定時器的控制下每 160 ms采集一幀，獲取的圖像數(shù)據(jù)處理流程如圖 3所示?，F(xiàn)假設(shè)火災(zāi)現(xiàn)場圖像的四個紋理參數(shù)分別記為x1，x2，x3，x4，則火災(zāi)現(xiàn)場圖像的四個紋理參數(shù)的平均波動量為

根據(jù)紋理參數(shù)平均波動量的變化情況，可以進(jìn)行火災(zāi)的識別。在圖像數(shù)據(jù)的處理過程中，針對溫度、煙霧濃度、紋理特征平均波動量序列分別運(yùn)用趨勢算法、閾值算法、概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法完成火災(zāi)的自動識別，三種識別結(jié)果經(jīng)過與或融合后完成火災(zāi)的報警輸出。

4 火災(zāi)實(shí)驗(yàn)及識別

火災(zāi)實(shí)驗(yàn)過程中，使用了2個溫度傳感器和2個煙霧傳感器，分別記為1、2、3、4號。1號溫度傳感器和3號煙霧傳感器放置于火源正上方250 cm處，2號溫度傳感器和4號煙霧傳感器高度為135 cm，與火源斜距為215 cm。CCD攝像頭的高度為200 cm，與火源的斜距約為300 cm。實(shí)驗(yàn)過程中共采集了774幀圖像，圖4中分別為第31幀、第296幀和339幀圖像，第296幀對應(yīng)火災(zāi)發(fā)生時刻。火災(zāi)實(shí)驗(yàn)提取得到的紋理平均波動量、平均溫度、平均煙霧濃度變化曲線如圖 5所示。

圖3 圖像數(shù)據(jù)處理流程圖

圖4 火災(zāi)圖像

根據(jù)圖5所示的火災(zāi)特征參數(shù)變化曲線，能夠完成火災(zāi)的自動識別。本文中針對紋理平均波動量判據(jù)選用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別火災(zāi)。概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入樣本為包括當(dāng)前圖像的連續(xù) 51幀圖像對應(yīng)的50個紋理平均波動量構(gòu)成的列向量，也就是說火災(zāi)實(shí)驗(yàn)中采集到的774幀圖像，分析處理后可得到773個紋理平均波動幅度，并對應(yīng)723個輸入樣本，這可以保證火災(zāi)輸入樣本包含有足夠的火災(zāi)信息，可提高火災(zāi)識別的準(zhǔn)確性。

圖5 火災(zāi)特征參數(shù)

針對溫度、煙霧濃度判據(jù)分別選用成熟的趨勢算法和閾值法進(jìn)行火災(zāi)識別。三種判據(jù)識別的結(jié)果通過與或融合后完成火災(zāi)的報警輸出。實(shí)驗(yàn)表明：（1）該系統(tǒng)能夠根據(jù)紋理參數(shù)平均波動量序列可以快速發(fā)現(xiàn)早期火災(zāi)，具有重要的應(yīng)用價值。（2）火災(zāi)的不可控性，體現(xiàn)為紋理參數(shù)的波動變化，而日光燈的開關(guān)、酒精燈的點(diǎn)燃對應(yīng)的紋理參數(shù)體現(xiàn)為階躍變化，這種差異可以用來剔除日光燈、酒精燈等引起的干擾，提高系統(tǒng)的抗干擾性。（3）該系統(tǒng)中同時引入紋理參數(shù)、煙霧濃度、溫度等多種判據(jù)，極大的提高了系統(tǒng)探測火災(zāi)的可靠性。（4）該系統(tǒng)很容易組網(wǎng)構(gòu)建形成分布式智能化的火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng), 主控計(jì)算機(jī)則可以根據(jù)火災(zāi)識別結(jié)果調(diào)取現(xiàn)場圖像，確認(rèn)后驅(qū)動報警裝置和滅火裝置，撲滅火災(zāi)。因此，基于TMS320DM642的多參數(shù)火災(zāi)探測系統(tǒng)，能夠克服常規(guī)探測技術(shù)的缺陷，有效提高火災(zāi)探測系統(tǒng)的靈敏度和可靠性。

5 結(jié)論

本文圍繞TMS320DM642芯片設(shè)計(jì)的多參數(shù)火災(zāi)探測系統(tǒng)，能夠可靠實(shí)現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場圖像、溫度、煙霧濃度數(shù)據(jù)的采集、編碼、傳輸，能夠可靠實(shí)現(xiàn)火災(zāi)圖像紋理特征信號的提取，通過分析處理紋理、溫度、煙霧濃度等火災(zāi)特征信號，能夠完成重要場所的火災(zāi)監(jiān)控和自動報警。該探測系統(tǒng)很容易組網(wǎng)構(gòu)建分布式智能化的火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，具有良好的應(yīng)用前景。

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