嵌入式地質災害視頻監控預警系統及方法
2023-10-08 05:38:39
嵌入式地質災害視頻監控預警系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種嵌入式地質災害視頻監控預警系統及方法。系統由嵌入式前端視頻監控裝置、無線中繼裝置、無線入網裝置三部分構成，嵌入式前端視頻監控裝置安裝在監控現場採集視頻信號；無線中繼裝置安裝在山頂，用於傳輸中繼；無線入網裝置安裝在可以上網的城鎮，將信號傳輸到網際網路。前端控制器採集各傳感器數據，分析計算並初步判斷災害狀況，根據需要控制打開或關閉監控攝像機和紅外閃光燈的電源、判斷災情，輸出信號。本發明具有主動、被動紅外夜視能力，不受白天黑夜限制，可將災害損失降低到最小。採用風光互補供電、節能省電工作模式確保系統正常工作。應用中繼通信方式可使本發明在通信不發達的地區有效使用。預警預報精度高，簡單實用。
【專利說明】嵌入式地質災害視頻監控預警系統及方法
一、【技術領域】
[0001]本發明涉及一種地質災害的監控和預警，特別是嵌入式地質災害視頻監控預警系統及方法。
二、【背景技術】
[0002]環境災害與地質災害每年造成國家與人民的生命與財產的巨大損失。對環境災害與地質災害的預測與報警十分重要。近年來對環境災害和地質災害的預報預警工作取得了長足的進步。
[0003]中國專利CN201110062816.3《自然災害監測預警方法與系統》公開了一種自然災害監測預警方法與系統，信息採集設備實時採集各監測點的自然條件數據與視頻監控數據，並通過信息傳輸設備將自然條件數據與根據視頻監控數據得到的視頻監控文件發送給信息處理系統。中國專利CN201110224128.2《地質災害監測預警系統和監測預警方法」》，地質災害監測預警系統包括分布在被監測區域的若干GNSS監測站，對可能由地表位移引起的崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、沉降和地裂縫等地質災害進行實時的地表位移監測，並結合遠程視頻監控，對監測信息進行數據處理，對預警信息進行自動發布，由此對可能引發的地質災害實現自動、實時預報預警的目的。中國專利CN201010297945.6《基於雨強、斜坡土壤含水量和形變量的地質災害預測系統》包括用於監測地質災害點的雨量雨強的自動雨量計、用於監測地質災害點土壤中水分的土壤水分傳感器、用於檢測地質災害點的地表和內部形變的全方位傾斜傳感器、用於評估地質災害發生規模的全方位視覺傳感器、用於無線傳輸視頻以及監測數據的嵌入式系統和用於進行地質災害預測預報的監控中心計算機，監控中心計算機包括通信模塊、數據接收模塊、基於雨量雨強的地質災害預測模塊、基於斜坡位移-時間曲線進行地質災害預測模塊、基於土壤含水量與雨量雨強的地質災害預測模塊和基於土壤含水量與斜坡變形量的地質災害預測模塊。上述幾種發明都用到了視頻地質災害的監控技術，但是還存在不足:1、都是在可見光下的監測，不適用於夜間監測，
2、能耗較高，需要較大的電源，3、通信帶寬要求較寬，必須依靠成熟的通信網絡。然而地質災害監測地點往往處於偏遠山區，沒法供電，也沒有成熟的通信系統。災害發生時間往往在夜間，由於監測設備不能在夜間使用，災害將造成很大的人員、物質損失。
三、
【發明內容】
[0004]本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種主要用於山區的地質災害監測系統，該系統採用風光互補供電方式，節能策略，應用中繼通信方式，具有主動、被動紅外夜視能力的視頻災害監測與災害分析系統，不受白天黑夜限制，節省能源，可在通信不發達的偏僻山村使用的地質災害監控預警系統和方法。
[0005]本發明的目的是這樣達到的:系統由嵌入式前端視頻監控裝置、無線中繼裝置、無線入網裝置三部分構成，嵌入式前端視頻監控裝置安裝在監控現場，用於採集視頻信號；無線中繼裝置用於將嵌入式前端視頻監控裝置採集的視頻信號傳輸到無線入網裝置；無線入網裝置安裝在可以上網的城鎮；嵌入式前端視頻監控裝置採集的視頻信號通過無線中繼裝置的中繼傳輸到無線入網裝置，再由無線傳輸裝置傳輸到網際網路；無線中繼裝置安裝在山頂，用於對嵌入式前端視頻監控裝置和無線入網裝置之間的數據傳輸中繼。
[0006]嵌入式前端視頻監控裝置中含有前端控制器，前端控制器用於採集雨量傳感器、水位壓力傳感器、基座拾音器、頂部拾音器的數據，分析計算這些傳感器數據，初步判斷災害狀況，根據災害狀況控制嵌入式前端視頻監控裝置運行狀態，並控制前端視頻監控裝置的數據與無線中繼裝置之間的數據通信。
[0007]前端控制器由ARM控制電路，供電控制電路和4路模數轉換電路組成，4路模數轉換電路分別連接基座拾音器、頂部拾音器、雨量傳感器和水位壓力傳感器，並將接基座拾音器、頂部拾音器、雨量傳感器和水位壓力傳感器輸出的模擬信號轉為數位訊號送給ARM控制電路；ARM控制電路通過通用輸入接口與4個模數轉換電路的數據接口、供電控制電路、紅外閃光燈連接；ARM控制電路通過網線與無線網橋連接，無線網橋用於嵌入式前端視頻監控裝置與無線中繼裝置之間的數據通信；ARM控制電路通過並行通信接口與監控攝像機連接；供電控制電路與ARM控制電路、紅外閃光燈、監控攝像機連接；供電控制電路是帶有繼電器的控制電路，供電控制電路受ARM控制電路的控制，並在ARM控制電路的控制下打開或關閉監控攝像機和紅外閃光燈的電源。
[0008]嵌入式前端視頻監控裝置上設置有監控攝像機、紅外閃光燈、前端控制器、前端無線網橋。嵌入式前端視頻監控裝置各部件安裝在立杆和基座上，立杆緊固連接在基座上，立杆上方設置太陽能光伏板、風力發電機、前端天線、雨量傳感器和機箱；風力發電機固定在風力發電支架；蓄電池、風光控制器、監控攝像機、紅外閃光燈、前端控制器和無線網橋安裝在機箱內，頂部拾音器安裝在機箱的下方；在立杆的下方安裝有水位壓力傳感器、在立杆底部豎向開有一漏水槽，基座拾音器安裝在基座上。
[0009]前端控制器中的監控攝像機由非致冷紅外焦平面探測器以及外圍電路、可見光圖像傳感器以及外圍電路、可編程門陣列以及外圍電路、內存電路、數位訊號處理器晶片以及其外圍電路、數字溫度傳感器構成；非致冷紅外焦平面探測器以及外圍電路的驅動時序，包括主時鐘、復位信號、積分信號由可編程門陣列以及外圍電路提供；非致冷紅外焦平面探測器以及外圍電路的輸出信號，包括輸出像素信號、行有效信號、第一行信號送給可編程門陣列以及外圍電路；可見光圖像傳感器及外圍電路的驅動時序，包括行同步信號、場同步信號、時鐘信號、驅動時序信號、曝光控制信號由編程門陣列以及外圍電路提供；可見光圖像傳感器及外圍電路的像素亮度信號送給可編程門陣列以及外圍電路；內存電路與可編程門陣列以及外圍電路連接並進行數據傳輸；數位訊號處理晶片以及其外圍電路與可編程門陣列以及外圍電路連接並進行數據傳輸；數字溫度傳感器的數據輸送給可編程門陣列；非致冷紅外焦平面探測器和可見光圖像傳感器焊接在同一張印製板上，且成像靶面的對應邊平行擺放。
[0010]可見光圖像傳感器以及外圍電路由可見光圖像傳感器、時序驅動轉換、可見光圖像傳感器模數轉換電路組成；可見光圖像傳感器可以是CCD圖形傳感器或CMOS圖像傳感器、時序驅動轉換電路將可編程門陣列以及外圍電路提供的行同步信號、場同步信號、時鐘信號、驅動時序信號、曝光控制信號轉換成符合圖像傳感器電平要求的相關信號，可見光圖像傳感器的圖像模擬信號送給可見光圖像傳感器模數轉換電路，可見光圖像傳感器模數轉換電路將可見光圖像傳感器的圖像模擬信號轉換為數位訊號，即像素亮度信號送給可編程門陣列以及外圍電路。
[0011]非致冷紅外焦平面探測器以及外圍電路由非致冷紅外焦平面探測器、電源與偏置電路、放大與濾波電路，模數轉換電路構成；電源與偏置電路為非致冷紅外焦平面探測器提供電源與偏置信號，非致冷紅外焦平面探測器的圖像輸出模擬信號由放大與濾波電路放大後，經模數轉換電路轉換成數位訊號輸送給可編程門陣列，非致冷紅外焦平面探測器的主時鐘、復位信號、積分信號、行有效信號、第一行信號與可編程門陣列連接。
[0012]由嵌入式前端視頻監控裝置、無線中繼裝置、無線入網裝置三部分構成預警系統，嵌入式前端視頻監控裝置安裝在監控現場，用於採集視頻信號；無線中繼裝置用於將嵌入式前端視頻監控裝置採集的視頻信號傳輸到無線入網裝置；無線入網裝置安裝在可以上網的城鎮；嵌入式前端視頻監控裝置採集的視頻信號通過無線中繼裝置的中繼傳輸到無線入網裝置，再由無線傳輸裝置傳輸到網際網路；無線中繼裝置安裝在山頂，用於對嵌入式前端視頻監控裝置和無線入網裝置之間的數據傳輸中繼。
[0013]嵌入式前端視頻監控裝置中含有前端控制器，前端控制器用於採集雨量傳感器、水位壓力傳感器、基座拾音器、頂部拾音器的數據，分析計算這些傳感器數據，初步判斷災害狀況，根據災害狀況控制嵌入式前端視頻監控裝置運行狀態，並控制前端視頻監控裝置的數據與無線中繼裝置之間的數據通信，根據實際需要控制系統的運行狀態，控制打開或關閉監控攝像機和紅外閃光燈的電源、判斷傳感器輸出信號是否處於地質災害預警或報警狀態，並將輸出信號通過無線網橋傳輸到無線中繼裝置，最終傳輸到無線入網裝置，從而傳輸到網際網路。
[0014]前端控制器對系統的控制是按如下方式進行的:前端控制器由ARM控制電路，供電控制電路和4路模數轉換電路組成，4路模數轉換電路分別連接基座拾音器、頂部拾音器、雨量傳感器和水位壓力傳感器，並將接基座拾音器、頂部拾音器、雨量傳感器和水位壓力傳感器輸出的模擬信號轉為數位訊號送給ARM控制電路；ARM控制電路通過通用輸入接口與4個模數轉換電路的數據接口、供電控制電路、紅外閃光燈連接；ARM控制電路通過網線與無線網橋連接，無線網橋用於嵌入式前端視頻監控裝置與無線中繼裝置之間的數據通信；ARM控制電路通過並行通信接口與監控攝像機連接；供電控制電路與ARM控制電路、紅外閃光燈、監控攝像機連接；供電控制電路受ARM控制電路的控制，並在ARM控制電路的控制下打開或關閉監控攝像機和紅外閃光燈的電源；ARM控制電路採集基座拾音器、頂部拾音器、雨量傳感器和水位壓力傳感器的輸出數位訊號，根據4個傳感器輸出信號判斷是否處於地質災害預警或報警狀態，並將4個傳感器的輸出信號通過無線網橋傳輸到無線中繼裝置，最終傳輸到無線入網裝置，從而傳輸到網際網路；按照正常和預警預報不同情況，ARM控制電路啟動供電控制電路為紅外閃光燈和監控攝像機供電並拍攝照片、傳輸圖像採用不同的時間、頻次。
[0015]在正常狀態下，ARM控制電路每10分鐘啟動供電控制電路為紅外閃光燈和監控攝像機供電一次，並拍攝一張照片，並將照片通過無線網橋傳輸到網際網路；在預警或報警狀態下，ARM控制電路啟動供電控制電路為紅外閃光燈和監控攝像機持續供電，通過無線網橋將監控攝像機圖像實時傳輸到網際網路。
[0016]本發明的積極效果是:[0017]1、本發明為具有主動、被動紅外夜視能力的視頻災害監測與災害分析裝置，不受白天黑夜限制，夜間使用為災害預警預報贏得寶貴時間，將災害損失降低到最小。
[0018]2、採用風光互補供電、節省能源方式，按照需要供電拍攝照片，確保能源自給，確保預警系統正常工作，減少設備的維修、保養，節約人力物力，特別是在環境惡劣的地區，更能突顯優勢。
[0019]3、應用中繼通信方式，由無線中繼裝置、無線入網裝置保障通信，在通信不發達的偏僻山村能夠有效使用本地質災害監控預警系統，達到災害預警預報的目的。
[0020]4、具有災害分析能力，在前端控制器中採用ARM控制電路對現場進行初步分析，減少誤報，大幅提高預警預報準確性。
四、【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1是系統整體結構示意圖。
[0022]圖2是嵌入式前端視頻監控裝置示意圖。
[0023]圖3是前端控制器結構示意圖。
[0024]圖4是前端控制器中模數轉換電路圖。
[0025]圖5?圖11是微處理器ARM控制電路圖。
[0026]圖12是供電控制電路圖。
[0027]圖13是監控攝像機結構示意圖。
[0028]圖14是可見光圖像傳感器以及外圍電路。
[0029]圖15可見光圖像傳感器模數轉換電路圖。
[0030]圖16是可見光圖像傳感器電路圖。
[0031]圖17是時序驅動轉換電路圖。
[0032]圖18是非致冷紅外焦平面探測器以及外圍電路圖。
[0033]圖19是電源與偏置電路與非致冷紅外焦平面探測器電路圖。
[0034]圖20是放大濾波電路圖。
[0035]圖21模數轉換電路圖。
[0036]圖22?25是可編程門陣列以及外圍電路圖。
[0037]圖26?27是內存電路圖。
[0038]圖28?34是數位訊號處理晶片以及外圍電路。
[0039]圖35是ARM控制流程圖。
[0040]圖36是可見光控制流程圖。
[0041]圖37是數位訊號處理晶片程序框圖。
[0042]圖38是水域計算框圖。
[0043]圖中，I嵌入式前端視頻監控裝置，2無線中繼裝置，3無線入網裝置，4水位壓力傳感器，5漏水槽，6基座，7固定孔，8立杆，9-1、9-2太陽能光伏板，10風力發電機，11風力發電機支架，12雨量傳感器,13機箱,14蓄電池，15風光控制器,16監控攝像機,17紅外閃光燈，18前端，19安裝基礎，20頂部拾音器，21基座拾音器，22前端控制器，23前端無線網橋。
五、【具體實施方式】[0044]參見附圖1?3。
[0045]嵌入式前端視頻監控裝置I安裝在監控現場，用於採集視頻信號；無線中繼裝置2用於將嵌入式前端視頻監控裝置採集的視頻信號傳輸到無線入網裝置；無線入網裝置3安裝在可以上網的城鎮。嵌入式前端視頻監控裝置採集的視頻信號通過無線中繼裝置的中繼傳輸到無線入網裝置，再由無線傳輸裝置傳輸到網際網路。無線中繼裝置安裝在山頂，用於對嵌入式前端視頻監控裝置和無線入網裝置之間的數據傳輸中繼。
[0046]嵌入式前端視頻監控裝置上設置有監控攝像機16、紅外閃光燈17、前端控制器22、前端無線網橋23。嵌入式前端視頻監控裝置各部件安裝在立杆8和基座6上，立杆8緊固連接在基座6上，立杆上方設置太陽能光伏板9-1、9-2、風力發電機10、前端天線18、雨量傳感器12和機箱13 ;風力發電機10固定在風力發電支架11 ;蓄電池14、風光控制器15、監控攝像機16、紅外閃光燈17、前端控制器22和無線網橋23安裝在機箱13內，頂部拾音器20安裝在機箱的下方；在立杆的下方安裝有水位壓力傳感器4、在立杆底部豎向開有一漏水槽5，基座拾音器21安裝在基座上。
[0047]立杆固定並支撐所有傳感器以及其他相關裝置。立杆高度比可以預見的最高水位高1.5米以上。立杆一般為空心鋼管，其強度可以安裝所有其他傳感器以及相關裝置，並能抵抗可以預見最大泥石流的破壞力。基座與立杆緊固連接在一起，安裝在基座底面，與安裝基礎接觸，用於在施工基礎上固定立杆。本實施例中，基座上的固定孔不少於4個，固定孔用於將立杆固定在安裝基礎上。
[0048]基座拾音器是防水拾音器，用於米集通過大地傳輸的聲音，安裝在基座底座的下方，基礎的上方。基座拾音器的輸出連接到前端控制器的模數轉換的模擬輸入接口。頂部拾音器安裝在立杆頂部的機箱下，在可以預測的最高水位下不會被水淹沒，採集空間聲音。頂部拾音器的輸出連接到前端控制器的模數轉換的模擬輸入接口。基座拾音器、頂部拾音器選用杭州艾力特音頻技術有限公司的防水拾音器K0-210。
[0049]水位壓力傳感器用於測量水位的高度。安裝在立杆內部的最下短，水位壓力傳感器的輸出連接到前端控制器的模數轉換的模擬輸入接口，選用北京雙科恆信機電儀表有限公司BPY800型。在立杆2底部豎向開有一漏水槽5，使得水可以從漏水槽漏到立杆內，接觸水位壓力傳感器。
[0050]太陽能光伏板、風力發電機、風力發電機支架、蓄電池、風光控制器為系統的風光發電設備，為整個系統提供能源。風光發電設備由成都振中電氣有限公司提供成套設備。太陽能光伏板、風力發電機安裝在立杆頂部，保證在可以預測最大水位不被淹沒。蓄電池、風光控制器安裝在機箱裡。
[0051]雨量傳感器感應安裝地的降雨量，選擇徐州市星球高科技研究所XYL-1型翻鬥式雨量傳感器。雨量傳感器輸出連接到前端控制器的模數轉換的模擬輸入接口。機箱用於安裝蓄電池、風光控制器、監控攝像機、紅外閃光燈、前端控制器，並做防水設計，保證蓄電池、風光控制器、監控攝像機、紅外閃光燈、前端控制器不接觸到水。機箱安裝高度在可以預測的最高水位以上。監控攝像機用於監控地質災害的可見光視頻信號，被動紅外視頻信號，主動紅外視頻信號，並對光視頻信號，被動紅外視頻信號，主動紅外視頻信號進行視頻數據融合，災害分析。紅外閃光燈為主動紅外視頻信號提供紅外光源。前端天線則與無線中繼裝置進行數據傳輸。[0052]安裝基礎為立杆的安裝基礎，可以選擇安裝地合適的巖石基礎或安裝地人工基礎。安裝基礎要求能保證立杆以及立杆所有設備的穩定，並能使立杆抵抗可以預見的最大泥石流的衝擊。本實施例，紅外閃光燈17採用上海菱尚光電科技有限公司，型號:LS-MCL-1R8D ;無線中繼裝置2採用美國UBNT公司，型號:Nano Station M5，風光控制器15，太陽能光伏板9-1、9-2，風力發電機10共同構成風光互補發電設備,米用成都振中電氣有限公司提供的成套設備。
[0053]參見附圖3。前端控制器是系統中最重要部件，採集雨量傳感器、水位壓力傳感器、基座拾音器、頂部拾音器的數據，分析計算這些傳感器數據，初步判斷災害狀況，根據災害狀況控制嵌入式前端視頻監控裝置運行狀態，並控制前端視頻監控裝置的數據與無線中繼裝置之間的數據通信。前端無線網橋用於前端視頻監控裝置與無線中繼裝置之間的數據通信，本實施例採用美國UBNT公司，型號:Nano Station M5。
[0054]圖4是前端控制電路中的模數中電路，4個模數轉換電路採用相同的結構，IN連接傳感器模擬輸出，UP5為模數轉換集成電路，第5、6腳為串行數據輸出接口，與ARM集成電路的兩個不同的通用輸入輸出接口連接。UP4為美國TEXAS INSTRUMENTS公司生產的運算放大器0PA335 ；UP5為美國TEXAS INSTRUMENTS公司生產的模數在轉換晶片ADS1252。
[0055]圖5?11給出了微處理器ARM控制電路圖。ARM控制電路對整個系統進行控制。圖中，UlO為美國ATMEL公司生產AT91RM9200，Ull為美國Micron Technology公司生產48LC4M32，U16為中國臺灣瑞昱半導體公司生產RTL8201，J4是RJ45接插件，用於連接無線網橋。
[0056]參見附圖12。供電控制電路是帶有繼電器的控制電路，圖中，+24V接蓄電池輸出，POWER輸出監控攝像機和紅外閃光燈，由各連接電路變換到自己需要的電壓模式。Pl.0，Pl.1連接ARM集成電路的兩個不同的通用輸入輸出接口連接。U4:德國HAMLIN公司生產的繼電器HE721C。
[0057]參見圖13?17。監控攝像機由非致冷紅外焦平面探測器以及外圍電路、可見光圖像傳感器以及外圍電路、可編程門陣列以及外圍電路、內存電路、數位訊號處理晶片以及其外圍電路、數字溫度傳感器構成。非致冷紅外焦平面探測器以及外圍電路的驅動時序，包括主時鐘、復位信號、積分信號由可編程門陣列以及外圍電路提供。非致冷紅外焦平面探測器以及外圍電路的輸出信號，包括輸出像素信號、行有效信號、第一行信號送給可編程門陣列以及外圍電路。可見光圖像傳感器及外圍電路的驅動時序，包括行同步信號、場同步信號、時鐘信號、驅動時序信號、曝光控制信號由編程門陣列以及外圍電路提供。可見光圖像傳感器及外圍電路的像素亮度信號送給可編程門陣列以及外圍電路。內存電路與可編程門陣列以及外圍電路連接並進行數據傳輸。數位訊號處理晶片以及其外圍電路與可編程門陣列以及外圍電路連接並進行數據傳輸。數字溫度傳感器的數據輸送給可編程門陣列。非致冷紅外焦平面探測器和可見光圖像傳感器焊接在同一張印製板上，且成像靶面的對應邊平行擺放。數字溫度傳感器採用深圳市鉬電科技有限公司生產，型號:DS18B20。
[0058]可見光圖像傳感器以及外圍電路由可見光圖像傳感器、時序驅動轉換、可見光圖像傳感器模數轉換電路組成。可見光圖像傳感器可以是CCD圖形傳感器或CMOS圖像傳感器、時序驅動轉換電路將可編程門陣列以及外圍電路提供的行同步信號、場同步信號、時鐘信號、驅動時序信號、曝光控制信號轉換成符合圖像傳感器電平要求的相關信號，可見光圖像傳感器的圖像模擬信號送給可見光圖像傳感器模數轉換電路，可見光圖像傳感器模數轉換電路將可見光圖像傳感器的圖像模擬信號轉換為數位訊號，即像素亮度信號送給可編程門陣列以及外圍電路。
[0059]附圖15中可見光圖像傳感器模數轉換電路晶片選型為美國Analog Devic公司:AD9949。圖16中圖像傳感器晶片選擇日本SONY公司:ICX285 ;圖17中時序驅動轉換電路中晶片選型為日本SONY公司:CXD3400。
[0060]圖18是非致冷紅外焦平面探測器以及外圍電路圖。非致冷紅外焦平面探測器以及外圍電路主要由非致冷紅外焦平面探測器、電源與偏置電路、放大與濾波電路，模數轉換電路構成。電源與偏置電路為非致冷紅外焦平面探測器提供電源與偏置信號，非致冷紅外焦平面探測器的圖像輸出模擬信號由放大與濾波電路放大後，經模數轉換電路轉換成數位訊號輸送給可編程門陣列，非致冷紅外焦平面探測器的主時鐘、復位信號、積分信號、行有效信號、第一行信號與可編程門陣列連接。
[0061]圖19是電源與偏置電路與非致冷紅外焦平面探測器電路圖。圖中，U3非致冷紅外焦平面探測器為法國ULIS公司的UL01021E，Ul、U2、U4、U5、U6、U7、U8構成電源與偏置電路。U1、U2為美國TEXAS INSTRUMENTS公司生產的TPS79533 ;U4、U5為美國MAXM公司生產的MAX6004 ;U6為美國TEXAS INSTRUMENTS公司生產的LM317 ;U7、U8為美國TEXASINSTRUMENTS公司生產的TLV5638。MC:主時鐘；INT:積分信號；RESET:復位信號；LIGNE1:第一行信號；DATAVAL:行有效信號；A0UT:輸出給放大與濾波電路。
[0062]圖20是放大濾波電路圖。圖中，Ul:為美國TEXAS INSTRUMENTS公司:0PA2890 ；AOUT接口連接到非致冷紅外焦平面探測器的輸出；ADCIN連接到模數轉換電路的輸入。圖21模數轉換電路圖中，Ul:美國TEXAS INSTRUMENTS公司生產0PA2890，AOUT:連接到非致冷紅外焦平面探測器的輸出；ADCIN連接到模數轉換電路的輸入。
[0063]參見附圖22?25。
[0064]可編程門陣列以及外圍電路電路圖。可編程門陣列晶片選擇美國XILINX公司:XC3S1200。圖26?27是內存電路圖。內存電路模塊有2塊，連接在編程門陣列即外圍電路上，相同的兩個內存U3，U4採用美國Micron Technology公司:MT48LC4M32。
[0065]圖28?34是數位訊號處理晶片以及外圍電路。圖中，U4:美國TEXAS INSTRUMENTS公司生產晶片DM642 ；IC1,IC2是美國Micron Technology公司生產MT48LC8M32 ；IC3是美國AMD公司生產的AM29LV320。
[0066]圖35是ARM控制流程圖。系統的控制是由ARM控制電路進行的，ARM控制流程:開始，第一步，TO=當前系統時間，進入第二步，採集基座拾音器和頂部拾音器數據；對基座拾音器和頂部拾音器數據做快速傅立葉變換；取出基座拾音器和頂部拾音器感興趣頻率的幅度值；將數據發到網際網路，第三步，採集水位壓力傳感器數據；採集雨量傳感器數據；將數據發到網際網路；第四步，判斷是否有感興趣的頻率幅度值大於預警值，是，進入第七步，否，進入第五步，判斷水位壓力是否大於預警值？是，進入第七步，否，進入第六步，判斷是否降雨量大於預警值，是，進入第七步，否，Tl=當前系統時間，判斷T1-T0 > 10分鐘，否，返回第二步，是，供電控制電路接通電源，採集一幀圖像，並將圖像發送到網際網路，供電電路斷開電源，TO=Tl,返回第二步；第七步:供電控制電路接通電源，TO=當前系統時間，連續採集圖像，並將圖像發送到網際網路並返回第二步。[0067]前端控制器中的監控攝像機中非致冷紅外焦平面探測器以及外圍電路的輸出信號，包括輸出像素信號、行有效信號、第一行信號送給可編程門陣列以及外圍電路，可編程門陣列的驅動時序信號送給非致冷紅外焦平面探測器，其可編程門陣列的程序流程是:第一步，輸出驅動時序；第二步，讀入非致冷紅外焦平面探測器圖像信號；第三步，圖像校正；第四步，校正後的數據輸送給數位訊號處理器；第五步，返回第二步，循環往復；非致冷紅外焦平面探測器的圖像校正方法包括實驗測試圖像校正參數和圖像校正兩部分: [0068]實驗測試圖像校正參數:將攝像機放在0、1、2、3......60攝氏度環境下，分別測量
拍攝目標為O攝氏度和60攝氏度的目標，將環境溫度X攝氏度，拍攝目標溫度O攝氏度下的第i行，第j列的像素測量值標記為XOi j (x)，將環境溫度X攝氏度，拍攝目標溫度60攝氏度下的第i行，第j列的像素測量值標記為Xhij(x);計算環境溫度X攝氏度下:Gij 00=255/(Xhij (x)-XOij (X))，Qij (X)=-Gij (x).XOij (x);得至Ij Gij (x)，Qij (x)為環境溫度 x 攝氏度下，第i行，第j列的校正參數；
[0069]圖像校正方法:第一步，從數字溫度傳感器讀取溫度，第二步，根據溫度，讀取校正參數，設計算環境溫度X攝氏度下第i行，第j列的校正參數分別為Gij(x)，Qij(X);第三步，讀取非致冷紅外焦平面探測器圖像信號，設讀取的第i行，第j列的數據為Dij ;第四步，校正數據=Gij (X).Dij+Qij (x)。
[0070]圖36是可見光控制流程圖。前端控制器中監控攝像機可編程門陣列的可見光圖像傳感器工作流程:開始，第一步，向可見光圖像傳感器發送時序；設置圖像傳感器最快快門值、最慢快門值、最大幀率、最小幀率、最大增益、最小增益，第二步，從圖像傳感器讀入圖像數據；對圖像數據進行Bayer運算、白平衡運算後得到彩色信號，將彩色信號送數位訊號處理晶片；對彩色信號進行計算得到8位灰度圖像信號，第三步，N=灰度圖像信號中大於200的像素總數，X=N/圖像像素總數.100，第四步，判斷X > 5 ?是，進入第八步:否，第五步，判斷增益=最大增益？否，進入第九步，是，第六步，判斷快門=最慢快門？否，進入第十步，是，第七步，幀率=最小幀率？是，啟動閃光燈，回到第二步，否，進入第十一步；
[0071]第八步:判斷X是否大於30，否:直接返回第二步，是，判斷幀率=最大幀率？否，；運行8-1步，是:判斷快門=最大快門？否:運行8-2步，是，判斷增益=最小增益，是，回到第二步，否，運行8-3步
[0072]8-1步:幀率=原來的幀率.1.2，判斷幀率>最大幀率？否，回到第二步，是，幀率=最大幀率，回到第二步；
[0073]8-2步:快門=原來的快門/1.2，否，判斷快門〈最快快門？否，返回到第二步，是，快門=最快快門，返回第二步，
[0074]8-3步:增益=原來增益/1.2，判斷增益〈最小增益？否，回到第二步，是，增益=最小增益，回到第二步；
[0075]第九步:增益=原來的增益.1.2，判斷增益>最大增益？否，回到第二步，是，增益=最大增益，回到第二步；
[0076]第十步:快門=原來的快門.1.2，快門〉最慢快門？否，返回第二步，是，快門=最快快門，返回第二步；
[0077]第H^一步:關閉閃光燈；幀率=原來的幀率/1.2，判斷幀率 M ?否,返回第四步,是,第八步，i=l, j=j=l，第九步，判斷j > N ?否,返回第四步，是，進入第十步，j=l，第十一步，水域計算，返回第二步，循環往復。
[0079]計算時，最大水位區域矩陣根據歷史最大水位確定，融合係數a根據實驗確定；可見光傳感器像素解析度為M行N列；RE為開啟閃光燈前最後一幀的可見光傳感器灰度數據。矩陣O為計算得到可見光傳感器和紅外焦平面探測器融合處理後的數據。
[0080]圖38是水域計算框圖。水域計算的流程:開始，第一步，設置二值化門限k ;設置膨脹結構元素P ;設置膨脹次數N ;第二步，相鄰幀對應像素灰度相減，取差絕對值，令其為矩陣C ;若Cij > k，對應像素Di j=l，否則Dij=O ;用膨脹結構元素P對D做N次膨脹運算，運算後結果為E ;第三步，將矩陣O、E傳輸到網際網路，結束。
[0081]其中，矩陣 D為二值化矩陣；矩陣E為水域計算。
【權利要求】
1.一種嵌入式地質災害視頻監控預警系統，其特徵在於:系統由嵌入式前端視頻監控裝置、無線中繼裝置、無線入網裝置三部分構成，嵌入式前端視頻監控裝置安裝在監控現場，用於採集視頻信號；無線中繼裝置用於將嵌入式前端視頻監控裝置採集的視頻信號傳輸到無線入網裝置；無線入網裝置安裝在可以上網的城鎮；嵌入式前端視頻監控裝置採集的視頻信號通過無線中繼裝置中繼傳輸到無線入網裝置，再由無線入網裝置傳輸到網際網路；無線中繼裝置安裝在山頂，用於對嵌入式前端視頻監控裝置和無線入網裝置之間的數據傳輸中繼； 嵌入式前端視頻監控裝置中含有前端控制器，前端控制器用於採集雨量傳感器、水位壓力傳感器、基座拾音器、頂部拾音器的數據，分析計算這些傳感器數據，初步判斷災害狀況，根據災害狀況控制嵌入式前端視頻監控裝置運行狀態，並控制前端視頻監控裝置的數據與無線中繼裝置之間的數據通信。
2.如權利要求1所述的嵌入式地質災害視頻監控預警系統，其特徵在於:所述前端控制器由ARM控制電路，供電控制電路和4路模數轉換電路組成，4路模數轉換電路分別連接基座拾音器、 頂部拾音器、雨量傳感器和水位壓力傳感器，並將基座拾音器、頂部拾音器、雨量傳感器和水位壓力傳感器輸出的模擬信號轉為數位訊號送給ARM控制電路；ARM控制電路通過通用輸入輸出接口與4個模數轉換電路的數據接口、供電控制電路、紅外閃光燈連接；ARM控制電路通過網線與無線網橋連接，無線網橋用於嵌入式前端視頻監控裝置與無線中繼裝置之間的數據通信;ARM控制電路通過並行通信接口與監控攝像機連接；供電控制電路與ARM控制電路、紅外閃光燈、監控攝像機連接；供電控制電路是帶有繼電器的控制電路，供電控制電路受ARM控制電路的控制，並在ARM控制電路的控制下打開或關閉監控攝像機和紅外閃光燈的電源。
3.如權利要求1所述的嵌入式地質災害視頻監控預警系統，其特徵在於:嵌入式前端視頻監控裝置上設置有監控攝像機(16)、紅外閃光燈(17)、前端控制器(22)、前端無線網橋(23 );嵌入式前端視頻監控裝置各部件安裝在立杆(8 )和基座(6 )上，立杆(8 )緊固連接在基座(6 )上，立杆上方設置太陽能光伏板(9-1、9-2 )、風力發電機(10 )、前端天線(18 )、雨量傳感器(12)和機箱(13);風力發電機(10)固定在風力發電支架(11)上；蓄電池(14)、風光控制器(15)、監控攝像機(16)、紅外閃光燈(17)、前端控制器(22)和無線網橋(23)安裝在機箱(13)內，頂部拾音器(20)安裝在機箱的下方；在立杆的下方安裝有水位壓力傳感器(4 )、在立杆底部豎向開有一漏水槽(5 )，基座拾音器(21)安裝在基座上。
4.如權利要求2所述的嵌入式地質災害視頻監控預警系統，其特徵在於:所述前端控制器中的監控攝像機由非致冷紅外焦平面探測器以及外圍電路、可見光圖像傳感器以及外圍電路、可編程門陣列以及外圍電路、內存電路、數位訊號處理器晶片以及其外圍電路、數字溫度傳感器構成；非致冷紅外焦平面探測器以及外圍電路的驅動時序，包括主時鐘、復位信號、積分信號由可編程門陣列以及外圍電路提供；非致冷紅外焦平面探測器以及外圍電路的輸出信號，包括輸出像素信號、行有效信號、第一行信號送給可編程門陣列以及外圍電路；可見光圖像傳感器及外圍電路的驅動時序，包括行同步信號、場同步信號、時鐘信號、驅動時序信號、曝光控制信號由編程門陣列以及外圍電路提供；可見光圖像傳感器及外圍電路的像素亮度信號送給可編程門陣列以及外圍電路；內存電路與可編程門陣列以及外圍電路連接並進行數據傳輸；數位訊號處理晶片以及其外圍電路與可編程門陣列以及外圍電路連接並進行數據傳輸；數字溫度傳感器的數據輸送給可編程門陣列；非致冷紅外焦平面探測器和可見光圖像傳感器焊接在同一張印製板上，且成像靶面的對應邊平行擺放。
5.如權利要求4所述的嵌入式地質災害視頻監控預警系統，其特徵在於:所述可見光圖像傳感器以及外圍電路由可見光圖像傳感器、時序驅動轉換、可見光圖像傳感器模數轉換電路組成；可見光圖像傳感器可以是CCD圖形傳感器或CMOS圖像傳感器、時序驅動轉換電路將可編程門陣列以及外圍電路提供的行同步信號、場同步信號、時鐘信號、驅動時序信號、曝光控制信號轉換成符合圖像傳感器電平要求的相關信號，可見光圖像傳感器的圖像模擬信號送給可見光圖像傳感器模數轉換電路，可見光圖像傳感器模數轉換電路將可見光圖像傳感器的圖像模擬信號轉換為數位訊號，即像素亮度信號送給可編程門陣列以及外圍電路； 所述非致冷紅外焦平面探測器以及外圍電路由非致冷紅外焦平面探測器、電源與偏置電路、放大與濾波電路，模數轉換電路構成；電源與偏置電路為非致冷紅外焦平面探測器提供電源與偏置信號 ，非致冷紅外焦平面探測器的圖像輸出模擬信號由放大與濾波電路放大後，經模數轉換電路轉換成數位訊號輸送給可編程門陣列，非致冷紅外焦平面探測器的主時鐘、復位信號、積分信號、行有效信號、第一行信號與可編程門陣列連接。
6.一種嵌入式地質災害視頻監控預警方法，其特徵在於:由嵌入式前端視頻監控裝置、無線中繼裝置、無線入網裝置三部分構成預警系統，嵌入式前端視頻監控裝置安裝在監控現場，用於採集視頻信號；無線中繼裝置用於將嵌入式前端視頻監控裝置採集的視頻信號傳輸到無線入網裝置；無線入網裝置安裝在可以上網的城鎮；嵌入式前端視頻監控裝置採集的視頻信號通過無線中繼裝置的中繼傳輸到無線入網裝置，再由無線傳輸裝置傳輸到網際網路；無線中繼裝置安裝在山頂，用於對嵌入式前端視頻監控裝置和無線入網裝置之間的數據傳輸中繼； 嵌入式前端視頻監控裝置中含有前端控制器，前端控制器用於採集雨量傳感器、水位壓力傳感器、基座拾音器、頂部拾音器的數據，分析計算這些傳感器數據，初步判斷災害狀況，根據災害狀況控制嵌入式前端視頻監控裝置運行狀態，並控制前端視頻監控裝置的數據與無線中繼裝置之間的數據通信，根據實際需要控制系統的運行狀態，控制打開或關閉監控攝像機和紅外閃光燈的電源、判斷傳感器輸出信號是否處於地質災害預警或報警狀態，並將輸出信號通過無線網橋傳輸到無線中繼裝置，最終傳輸到無線入網裝置，從而傳輸到網際網路。
7.如權利要求6所述的嵌入式地質災害視頻監控預警方法，其特徵在於:前端控制器對系統的控制是按如下方式進行的:前端控制器由ARM控制電路，供電控制電路和4路模數轉換電路組成，4路模數轉換電路分別連接基座拾音器、頂部拾音器、雨量傳感器和水位壓力傳感器，並將接基座拾音器、頂部拾音器、雨量傳感器和水位壓力傳感器輸出的模擬信號轉為數位訊號送給ARM控制電路；ARM控制電路通過通用輸入接口與4個模數轉換電路的數據接口、供電控制電路、紅外閃光燈連接；ARM控制電路通過網線與無線網橋連接，無線網橋用於嵌入式前端視頻監控裝置與無線中繼裝置之間的數據通信；ARM控制電路通過並行通信接口與監控攝像機連接；供電控制電路與ARM控制電路、紅外閃光燈、監控攝像機連接；供電控制電路受ARM控制電路的控制，並在ARM控制電路的控制下打開或關閉監控攝像機和紅外閃光燈的電源；ARM控制電路採集基座拾音器、頂部拾音器、雨量傳感器和水位壓力傳感器的輸出數位訊號，根據4個傳感器輸出信號判斷是否處於地質災害預警或報警狀態，並將4個傳感器的輸出信號通過無線網橋傳輸到無線中繼裝置，最終傳輸到無線入網裝置，從而傳輸到網際網路；按照正常和預警預報不同情況，ARM控制電路啟動供電控制電路為紅外閃光燈和監控攝像機供電並拍攝照片、傳輸圖像採用不同的時間、頻次。
8.如權利要求6所述的嵌入式地質災害視頻監控預警方法，其特徵在於:在正常狀態下，ARM控制電路每10分鐘啟動供電控制電路為紅外閃光燈和監控攝像機供電一次，並拍攝一張照片，並將照片通過無線網橋傳輸到網際網路；在預警或報警狀態下，ARM控制電路啟動供電控制電路為紅外閃光燈和監控攝像機持續供電，通過無線網橋將監控攝像機圖像實時傳輸到網際網路。
9.如權利要求6所述的嵌入式地質災害視頻監控預警方法，其特徵在於:前端控制器對系統的控制是由ARM控制電路進行的，ARM控制流程:開始，第一步，TO=當前系統時間，進入第二步，採集基座拾音器和頂部拾音器數據；對基座拾音器和頂部拾音器數據做快速傅立葉變換；取出基座拾音器和頂部拾音器感興趣頻率的幅度值；將數據發到網際網路，第三步，採集水位壓力傳感器數據；採集雨量傳感器數據；將數據發到網際網路；第四步，判斷是否有感興趣的頻率幅度值大於預警值，是，進入第七步，否，進入第五步；第五部:判斷水位壓力是否大於預警值？是，進入第七步，否，進入第六步；第六步:判斷是否降雨量大於預警值，是，進入第七步，否，Tl=當前系統時間，判斷Tl-TO > 10分鐘，否，返回第二步，是，供電控制電路接通電源，採集一幀圖像，並將圖像發送到網際網路，供電電路斷開電源，TO=Tl,返回第二步；第七步:供電控制電路接通電源，TO=當前系統時間，連續採集圖像，並將圖像發送到網際網路並返回第二步； 前端控制器中的監控攝像機中非致冷紅外焦平面探測器以及外圍電路的輸出信號，包括輸出像素信號、行有效信號、第一行信號送給可編程門陣列以及外圍電路，可編程門陣列的驅動時序信號送給非致冷紅外焦平面探測器，其可編程門陣列的程序流程是:第一步，輸出驅動時序；第二步，讀入非致冷紅外焦平面探測器圖像信號；第三步，圖像校正；第四步，校正後的數據輸送給數位訊號處理器；第五步，返回第二步，循環往復； 前端控制器中監控攝像機可編程門陣列的可見光圖像傳感器工作流程:開始，第一步，向可見光圖像傳感器發送時序；設置圖像傳感器最快快門值、最慢快門值、最大幀率、最小幀率、最大增益、最小增益；第二步，從圖像傳感器讀入圖像數據；對圖像數據進行Bayer運算、白平衡運算後得到彩色信號，將彩色信號送數位訊號處理晶片；對彩色信號進行計算得到8位灰度圖像信號；第三步，N=灰度圖像信號中大於200的像素總數，X=N/圖像像素總數.100 ;第四步，判斷X>5?是，進入第八步:否，第五步，判斷增益=最大增益？否，進入第九步，是，第六步，判斷快門=最慢快門？否，進入第十步，是，第七步，幀率=最小幀率？是，啟動閃光燈，回到第二步，否，進入第十一步； 第八步:判斷X是否大於30，否:直接返回第二步，是，判斷幀率=最大幀率？否，;運行8-1步，是:判斷快門=最大快門？否:運行8-2步，是，判斷增益=最小增益，是，回到第二步，否，運行8-3步； 8-1步:幀率=原來的幀率.1.2，判斷幀率>最大幀率？否，回到第二步，是，幀率=最大幀率，回到第二步； 8-2步:快門=原來的快門/1.2，否，判斷快門〈最快快門？否，返回到第二步，是，快門=最快快門，返回第二步， 8-3步:增益=原來增益/1.2，判斷增益〈最小增益？否，回到第二步，是，增益=最小增益，回到第二步； 第九步:增益=原來的增益.1.2，判斷增益>最大增益？否，回到第二步，是，增益=最大增益，回到第二步； 第十步:快門=原來的快門.1.2，快門 > 最慢快門？否，返回第二步，是，快門=最快快門，返回第二步； 第H^一步:關閉閃光燈；幀率=原來的幀率/1.2，判斷幀率圖像橫向像素M?否,返回第四步,是,進入第八步；第八步:i=l, j=j=l，第九步:判斷j >圖像縱向像素N ?否，返回第四步，是，進入第十步；第十步:j=l，第十一步:水域計算，返回第二步，循環往復； 水域計算的流程:開始，第一步，設置二值化門限k ;設置膨脹結構元素P ;設置膨脹次數N ;第二步，相鄰幀對應像素`灰度相減，取差絕對值，令其為矩陣C ;若Cij > k，對應像素Di j=l，否則Dij=O ;用膨脹結構元素P對D做N次膨脹運算，運算後結果為E ;第三步，將矩陣O、E傳輸到網際網路，結束。
10.如權利要求9所述的所述嵌入式地質災害視頻監控預警方法，其特徵在於:非致冷紅外焦平面探測器的圖像校正方法包括實驗測試圖像校正參數和圖像校正兩部分: 實驗測試圖像校正參數:將攝像機放在0、1、2、3……60攝氏度環境下，分別測量拍攝目標為O攝氏度和60攝氏度的目標，將環境溫度X攝氏度，拍攝目標溫度O攝氏度下的第i行，第j列的像素測量值標記為XOij (X)，將環境溫度X攝氏度，拍攝目標溫度60攝氏度下的第i行，第j列的像素測量值標記為Xhij (x);在環境溫度X攝氏度下計算:Gij 00=255/(Xhij (x)-XOij (X))，Qij (X)=-Gij (x).XOij (x);得至Ij Gij (x)，Qij (x)為環境溫度 x 攝氏度下，第i行，第j列的校正參數； 圖像校正方法:第一步，從數字溫度傳感器讀取環境溫度，第二步，根據環境溫度，讀取校正參數，設計算環境溫度X攝氏度下第i行，第j列的校正參數分別為Gij(x)，Qij(X)；第三步，讀取非致冷紅外焦平面探測器圖像信號，設讀取的第i行，第j列的數據為Dij ;第四步，校正數據=Gij (X).Dij+Qij (x)。
【文檔編號】G08B21/10GK103729969SQ201410010337
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月9日 優先權日:2014年1月9日
【發明者】莫思特, 張斌, 石愛軍, 馬娟, 黃喆, 薛躍明, 張德拉, 王燦峰, 李碧雄, 鄧建輝 申請人:四川大學, 中國地質環境監測院