基于圖像的嵌入式森林火災監控系統研究與設計

田仲富　黎粵華　劉曉義

摘要 針對目前我國森林防火遠程監控中存在的不足，提出了一種基于嵌入式處理平臺的森林火災監控系統，對系統硬件設計和林火圖像識別算法兩個方面做了詳細論述。系統以嵌入式微處理器作為現場控制器的主控單元，現場控制器通過串口與CCD攝像機進行實時通信，獲取監測區域的圖像信息，對獲取的圖像信息進行林火識別，若系統判斷有林火發生，則將火情信息通過無線網絡傳送給監控中心，從而達到第一時間發現森林火災的目的。通過在林區現場進行的試驗表明，該系統能夠克服工作環境的干擾，且具有響應速度快、識別率高以及監控區域廣等特點。

關鍵詞 森林防火；圖像處理；遠程監控

中圖分類號 S126 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）13-04105-03

Abstract Aiming at the existing problems of forest fire prevention in China in remote monitor and control system， a forest fire monitoring system based on embedded platform was proposed， two aspects of the system hardware design and the fire image recognition algorithm were discussed in detail. The system is based on embedded microprocessor as the master controller unit， field controller for realtime communication through the serial port and the CCD camera， image acquisition information monitoring area of forest fire recognition， the image information acquisition system， if the judge a forest fire， the fire information through the wireless network transmission to the monitoring center， so as to find forest fire at the first time. The forest field experiments showed that， the system can overcome the interference of the work environment， and has quick response speed， high recognition rate and a wider range of monitor.

Key words Forest fire； Image processing； Remote monitoring

森林作為陸地生態系統的主體，是人類寶貴的物質財富，也是發展國民經濟不可或缺的珍貴資源。但森林火災時有發生，其突發性強，危害性大，處置困難，加上林區地形復雜，地域廣闊，因而對森林安全造成極大威脅。森林火災是破壞森林資源的主要災害之一[1-2]。無論是國內還是國外，每次森林火災都會使森林資源遭受巨大損失，同時也會對生態環境造成巨大破壞。因此，在第一時間發現火災現場并及時撲救火災，歷來是林區管理工作的重中之重。森林火災不只是燒毀成片的森林，傷害林內的動物，而且還降低森林的更新能力，引起土壤的貧瘠和破壞森林涵養水源的作用，甚而打破生態環境平衡。所以，為降低森林火災的損失，世界各國非常重視林火監測技術的研究[3]。

針對目前全球森林及荒地火災的嚴峻形勢，筆者提出了一種將圖像處理技術與嵌入式技術相結合的森林防火監控系統。該系統可以通過CCD攝像機和感光探測器對頻發火災的森林區域進行監控，將獲得的視頻信號通過專門的圖像采集卡轉換為數字信號，同時提取煙霧的光學特性，將這此信息輸入嵌入式微處理器，其依據火災圖像的特征和光學特征做相應的處理和火情分析，從而實現林火監測的目的[4]。

該系統可以實時監測林區的火災情況，為相關部門采取相應的預警或滅火措施提供重要的決策依據。

1 系統方案設計

該系統的硬件主要包括CCD攝像機、現場控制器以及監控中心，其中現場控制器的主控單元采用三星公司S3C2440，在此微處理器的基礎上還擴展了林火報警模塊、GPS模塊以及GPRS模塊。系統現場控制器組成如圖1所示。

系統在工作過程中，CCD攝像機通過解碼器將采集到的圖像信息送給嵌入式微處理器。微處理器對其緩沖區中的信息進行處理，同時采用林火識別算法判斷火災情況，如果監測到火災情況，則調用串口編程程序來控制GPRS模塊（將附加了林火現場的氣象信息、火情信息、植被信息以及地理環境信息等重要數據的火警信息），通過無線網絡發送給監控中心。監控中心提取圖像數據后，進行解壓操作，并進一步分析火災信息，以便制定合理的部署和撲救工作。系統工作流程如圖2所示[5-6]。

2 系統模塊設計

2.1 圖像采集

在森林防火的重點區域應結合其地形特點、早期火情發生情況以及本地樹種、植被和氣候等特點布置合理的云臺，安裝在云臺上的攝像機應能覆蓋觀測到設定區域的整個范圍，且采集到的圖像要滿足一定的精度，因此，該系統采用的是索尼公司生產的HDR-PJ820E攝像機。它是一款日夜型的攝像機，具有低照度下自動彩色轉黑自的功能，可實現960線的高清晰度圖像，與日本精工牌長焦鏡頭相配合，能夠提供優質的監控圖像[7]。該系統的S3C2440處理器的視頻采集接口支持ITU標準的圖像數據和模擬視頻信號，從而可很好地解決不同林區攝像裝備差異的問題。嵌入式處理器對不同類型圖像的處理方式是不同的，如果系統接收的是ITU標準的圖像數據，則嵌入式處理器可以根據UPnP協議直接接收該圖像信息；若系統接收的是模擬視頻信號，則嵌入式處理器必須使用視頻解碼器將接收到的信號進行視頻解碼。該系統的視頻解碼器采用美信集成產品公司的4通道視頻解碼器芯片MAX9530，它支持PAL/NTSC視頻標準，可以輸入4路模擬視頻信號，通過內部寄存器的不同配置可以對4路輸入進行轉換，輸入可以為4路CVBS或2路S視頻（Y/C）信號，輸出8位 VPO信號。

2.2 信息處理

嵌入式處理模塊選用三星公司的S3C2440嵌入式微處理器，其工作頻率220 MHz。 S3C2440嵌入式微處理器通過CPLD接收來自MAX9530提供的同步信號，每次通過通用輸入輸出口讀取一個字的內容，然后給CPLD發送一個計數脈沖，使得SRAM地址增加2位，為接收下一個字的內容做好準備。采用這種方式充分利用了CPLD的串口和快速運算功能，從而減少了S3C2440嵌入式微處理器的工作負擔，也為火災識別算法的運行準備了大量的系統資源。

2.3 林火報警與系統通信

當該系統的林火檢測模塊檢測到林火發生時，現場控制器立即通過即插即用接口與GPS模塊進行通信，從而獲取林火發生的具體位置信息，并立即產生火警信息[9]。當產生火警信息后立即觸發GPRS模塊，GPRS模塊將附加了林火現場的氣象信息、火情信息、植被信息以及地理環境信息等重要數據的火警信息發送給提供GPRS服務的移動公司，由其負責將數據傳送至Internet，并最終傳送給監控指揮中心。另外，監控中心也可根據實際需要通過CPRS網絡傳送控制信息給各監測點的嵌入式視頻處理設備，人為請求現場數據的傳送或者調節識別算法所需的各項參數。

3 火災圖像識別算法

火災圖像識別算法通常分為以下兩個階段：第一階段是選定運動像素和區域；第二個階段是選定被監測林區是否產生了火災煙霧[10]。

4 結論

該研究提出的這種結合嵌入式處理技術與圖像處理技術的森林火災遠程監控系統，利用了3S主流技術，同時在現場控制器的圖像處理中引入火災圖像識別算法，使系統可以自動識別火情，并通過無線網絡將林火警報信息發給監控中心。試驗表明，該系統可以極大程度地降低林火監測人員的勞動強度，能夠較好地適應不同的監測環境，且具有穩定性高、識別率高以及成本低廉等特點。

目前，林區大空間火災識別技術還處于發展期，理論基礎和現實技術還不夠完善。在該研究中，雖然取得了一定的成果，但仍存在著一些不足，如在實際應用中，系統存在一定的誤報情況，另外，林火識別算法中涉及的部分閾值是基于理論知識和經驗的。因此，期望今后的研究能夠提供充足的火災數據和方法，并通過改善算法等克服上述林火識別中的不足。

參考文獻

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