基于ARM的新型船舶火災(zāi)監(jiān)控及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

1、基于ARM的新型船舶火災(zāi)監(jiān)控及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)摘要：在傳統(tǒng)的使用溫度、濕度、煙霧傳感器識(shí)別火災(zāi)基礎(chǔ)上，本設(shè)計(jì)增加了通過(guò)攝像頭抓取現(xiàn)場(chǎng)圖像進(jìn)行基于OpenCV的火災(zāi)圖像識(shí)別算法，結(jié)合多信息融合技術(shù)，用多因子概率綜合模型確定四種影響火災(zāi)因素的權(quán)重來(lái)計(jì)算發(fā)生火災(zāi)的概率。在圖像和數(shù)據(jù)傳輸上采用了以太網(wǎng)和can現(xiàn)場(chǎng)總線的綜合冗余技術(shù)，經(jīng)實(shí)踐表明：系統(tǒng)工作穩(wěn)定，火災(zāi)識(shí)別可靠性高，數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)，能準(zhǔn)確、快速反應(yīng)火災(zāi)過(guò)程，給出報(bào)警信號(hào)。關(guān)鍵詞：火災(zāi)智能監(jiān)控；冗余； 多信息融合0引言船舶火災(zāi)是船舶海難中較常見(jiàn)而且危險(xiǎn)性較大的一種安全事故?；馂?zāi)一旦發(fā)生，不僅對(duì)船員、船體及貨物的安全造成威脅，事故發(fā)生地點(diǎn)的海洋環(huán)境也會(huì)

2、遭到破壞。因此，船舶防火的重要性一直受到國(guó)際海事組織(IMO)和各國(guó)航運(yùn)企事業(yè)單位的普遍關(guān)注。隨著智能傳感器的發(fā)展，以微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)字圖像處理技術(shù)的不斷提高，船舶火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)必須更加自動(dòng)化、智能化，以保證船舶的安全航運(yùn)。本系統(tǒng)為網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)，基于OpenCV在ARM上的應(yīng)用，提出了一種綜合根據(jù)火焰運(yùn)動(dòng)特征的碼本訓(xùn)練算法及根據(jù)火焰顏色特征的HIS模型的新型火災(zāi)圖像識(shí)別算法，采用多信息融合技術(shù)，結(jié)合實(shí)時(shí)采集機(jī)艙的溫度、濕度、煙霧狀況，提高了火災(zāi)檢測(cè)的可靠性。同時(shí)考慮船舶機(jī)艙環(huán)境極為惡劣，圖像等數(shù)據(jù)采用了以太網(wǎng)和CAN總線綜合冗余的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸方案，使船舶管理相關(guān)人員能同步獲取火災(zāi)信息，從而實(shí)現(xiàn)

3、對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)圖像的實(shí)時(shí)檢測(cè)和參數(shù)的傳輸，及時(shí)采取相應(yīng)措施，對(duì)船舶的安全航行無(wú)疑有著重要的意義。1火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和框圖智能火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)由傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)（溫度、濕度、煙霧），分辨率可調(diào)的USB攝像頭，中央處理器（ARM），圖像及數(shù)據(jù)傳輸總線（2對(duì)CAN總線、1路以太網(wǎng)總線），上位機(jī)（圖像、數(shù)據(jù)顯示和火災(zāi)報(bào)警）。圖1 系統(tǒng)框圖1) 傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)采用了溫度、濕度和煙霧傳感器，因?yàn)檫@三個(gè)環(huán)境因素是判斷火災(zāi)的必要條件。傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到中央處理器，與攝像頭抓取的圖像進(jìn)行綜合處理來(lái)確認(rèn)是否發(fā)生火災(zāi)。傳感器分布在機(jī)艙的重點(diǎn)部位，如主機(jī)、輔機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、鍋爐和分油機(jī)等能及時(shí)探測(cè)到火災(zāi)的地

4、方，安裝的距離要合適，以免產(chǎn)生誤報(bào)和漏報(bào)。2) 分辨率可調(diào)的USB攝像頭由于船艙內(nèi)空間狹小，為了更好地監(jiān)視各柴油機(jī)組工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，在各個(gè)柴油機(jī)組的上方設(shè)置分辨率可調(diào)的usb攝像頭，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各柴油機(jī)的工作場(chǎng)景，并通過(guò)數(shù)據(jù)線傳輸圖像到中央處理器。為了克服船艙的昏暗背景，提高圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量，可采用分辨率可調(diào)的USB攝像頭加補(bǔ)光的方式來(lái)滿(mǎn)足火災(zāi)圖像分析要求。3) 中央控制單元整個(gè)智能監(jiān)控系統(tǒng)的核心，采用了三星公司的16/32位RISC微處理器S3C2440，一款低價(jià)格、低功耗、高性能的ARM處理器。為了提高火災(zāi)圖像分析的可靠性，本方案在Linux系統(tǒng)上移植了OpenCV庫(kù)，結(jié)合視覺(jué)庫(kù)的使用，提出

5、了一種綜合根據(jù)火焰運(yùn)動(dòng)特征的碼本訓(xùn)練算法及根據(jù)火焰顏色特征的HIS模型的新型火災(zāi)圖像識(shí)別算法。同時(shí)通過(guò)S3C2440的串口1實(shí)時(shí)接收傳感器采集的機(jī)艙溫度、濕度和煙霧數(shù)據(jù)，用概率綜合來(lái)最終判定是否發(fā)生火災(zāi)。4) 圖像及數(shù)據(jù)傳輸總線數(shù)據(jù)傳輸采用了具有高可靠性和實(shí)時(shí)性的雙CAN總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和高速雙重冗余設(shè)計(jì)的Ehernet以太網(wǎng)技術(shù)，大大提高了報(bào)警的及時(shí)性和可靠性。5) 上位機(jī)上位機(jī)由一臺(tái)高性能工控計(jì)算機(jī)構(gòu)成，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)交換機(jī)直接連接至計(jì)算機(jī)的網(wǎng)口。CAN總線不能與計(jì)算機(jī)直接相連，通過(guò)總線接口卡轉(zhuǎn)換CAN總線數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口連接至PC機(jī)。若發(fā)生火災(zāi)，上位機(jī)軟件將實(shí)時(shí)顯示火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)圖像，并發(fā)出警報(bào)提示

6、管理人員進(jìn)行處理。2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件需對(duì)USB攝像頭抓取的圖像進(jìn)行火災(zāi)算法分析，接收串口的傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)以太網(wǎng)或can總線向上位機(jī)發(fā)生圖像和數(shù)據(jù)等多個(gè)任務(wù)同時(shí)加以控制，為了提高資源使用效率來(lái)提高系統(tǒng)的效率，采用了多線程處理的方式，創(chuàng)建了三個(gè)任務(wù)相對(duì)應(yīng)的三個(gè)線程thread_algorithm，thread_usart，thread_send。Video4linux2（簡(jiǎn)稱(chēng)V4L2)，是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)。在Linux中，視頻設(shè)備是設(shè)備文件，可以像訪問(wèn)普通文件一樣對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)，攝像頭在/dev/video0下。由于Linux系統(tǒng)移植了OpenCV，所以可以直接使用庫(kù)函數(shù)c

7、vCaptureFromCAM(0)直接打開(kāi)設(shè)備。Linux串口1設(shè)備位于/dev/ttySAC1，使用前先對(duì)串口進(jìn)行必要的配置，定義一個(gè)termios結(jié)構(gòu)體，選擇串口的數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)類(lèi)型，用cfsetispeed函數(shù)初始化通信速率。當(dāng)系統(tǒng)確認(rèn)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，啟動(dòng)發(fā)送圖像數(shù)據(jù)線程thread_send，首先嘗試建立Socket，Socket數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包含五種信息：通信協(xié)議、本地協(xié)議地址、本地主機(jī)端口、遠(yuǎn)端主機(jī)地址和遠(yuǎn)端協(xié)議端口。地址族、端口號(hào)、IP地址等信息保存在sockaddr_in結(jié)構(gòu)體中。這里使用了面向連接的Socket客戶(hù)端，因此調(diào)用Connect函數(shù)在Socket數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中保存本

8、地和遠(yuǎn)端信息，并與服務(wù)器建立連接。若連接成功，則通過(guò)send函數(shù)將采集的圖像和傳感器測(cè)量到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)服務(wù)端應(yīng)用程序。若連接失敗或超時(shí)，則打開(kāi)之前創(chuàng)建好的can設(shè)備文件，啟動(dòng)S3C2440外接的MCP2515 獨(dú)立can協(xié)議控制器，通過(guò)can總線將圖像和數(shù)據(jù)經(jīng)can-usb轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。 圖2 軟件流程圖3 火災(zāi)報(bào)警的可靠性分析火災(zāi)發(fā)生時(shí), 伴隨很多特征參數(shù)的變化, 傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警器只針對(duì)單一因素進(jìn)行閾值判斷, 沒(méi)能將多傳感器有機(jī)結(jié)合,誤判概率極大。本系統(tǒng)采用多信息融合技術(shù)，通過(guò)多因素概率綜合模型考慮分析圖像、溫度、濕度和煙霧四類(lèi)監(jiān)測(cè)特征, 確定火災(zāi)發(fā)生概率, 結(jié)合實(shí)際情況確定靈敏度

9、, 最終判定是是否發(fā)生火災(zāi)。 圖3 多因子概率綜合模型對(duì)于圖像和煙霧這兩個(gè)定性因素，概率模型可簡(jiǎn)化為：（1）（i=1,2）為圖像，煙霧單獨(dú)反映火災(zāi)發(fā)生的概率值。而溫度和濕度是定量的數(shù)據(jù)，溫度是判別火災(zāi)的重要因素，標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)曲線升溫速率表達(dá)式為： （2）式中，和T為實(shí)驗(yàn)開(kāi)始和t時(shí)刻的爐溫，t為實(shí)驗(yàn)時(shí)間(min)。濕度和火災(zāi)一般滿(mǎn)足：當(dāng)空氣濕度大于60%時(shí)，發(fā)生火災(zāi)的情況不多；當(dāng)空氣濕度在50%-60%時(shí)，可以慢慢燃燒，但不能蔓延；濕度在40%-50%時(shí)，能發(fā)煙燃燒但不容易擴(kuò)大燃燒面積；當(dāng)空氣濕度在30%-40%時(shí)，較易燃燒并擴(kuò)大蔓延；濕度低于25%時(shí)，極容易發(fā)生火災(zāi)。因此溫度和濕度的模型為：（3）

10、式中，（i=3,4）為溫度，濕度單獨(dú)反映火災(zāi)發(fā)生的概率值，為信號(hào)的閾值，為信號(hào)的飽和值，為對(duì)應(yīng)信號(hào)的影響系數(shù)， 。綜合分析四種因素, 分別得到每種因素對(duì)總結(jié)果的影響系數(shù), 即權(quán)重。則火災(zāi)發(fā)生概率的最終結(jié)果由各獨(dú)自概率加權(quán)和得到:（4）參數(shù)的準(zhǔn)確度直接決定了智能火災(zāi)報(bào)警的質(zhì)量, 不同環(huán)境下所需的參數(shù)差異較大,比如, 周?chē)举|(zhì)材料較多時(shí), 火災(zāi)發(fā)生時(shí)煙霧起主導(dǎo)影響, 這時(shí)就要加大煙霧權(quán)重；周?chē)墙饘俨牧陷^多時(shí)，溫度起主導(dǎo)作用，這時(shí)就要加大溫度權(quán)重。所以權(quán)重需要根據(jù)不同情況做大量調(diào)研及實(shí)驗(yàn), 根據(jù)結(jié)果分析參數(shù)的最佳選擇。由于測(cè)試條件的限制，在實(shí)驗(yàn)室得到的結(jié)果可在下面的圖中顯示：4結(jié)論與傳統(tǒng)的船舶火災(zāi)

11、報(bào)警相比，硬件上本系統(tǒng)在使用溫度、濕度和煙霧傳感器的基礎(chǔ)上增加了攝像頭抓取火災(zāi)圖像進(jìn)行分析，大大降低了誤報(bào)和漏報(bào)的幾率。在圖像和數(shù)據(jù)傳輸方面也是采用了以太網(wǎng)和can現(xiàn)場(chǎng)總線的綜合冗余技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)化強(qiáng)，提高了火災(zāi)報(bào)警的及時(shí)性。在軟件上采用了多信息融合技術(shù)，結(jié)合基于多因子概率綜合模型，根據(jù)不同的使用環(huán)境靈活調(diào)節(jié)四種因素的權(quán)重，提高了判別發(fā)生火災(zāi)的可靠性，具有較高的推廣與應(yīng)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)1 陳國(guó)慶,陸守香.船舶火災(zāi)安全工程研究現(xiàn)狀J.消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2004,08:21.2 周立功.iCAN現(xiàn)場(chǎng)總線原理與應(yīng)用M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007:159.3 田澤

12、.嵌入式開(kāi)發(fā)與應(yīng)用教程M .北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004,36:37. 4 三星公司.S3C2440X 32Bit Risc Microprocessor Users ManualM.Samsung Electronics,2003 .5 SergioScaglia.嵌入式Internet TCP/IP基礎(chǔ)、實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用M(第一版).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.Abstract: Given the traditional use of sensors of temperature, humidity, smoke to identify the fire hazard,

13、this design adds the image recognition algorithm based on OpenCV to identify fire through capturing images with camera, and caculates the probability of fire hazard according to weight of four factors that influence fire occurrence. The weight is determined by integrated multifactor probability model. Integrated fieldbus Redundancy technology is used