基于图像的嵌入式森林火灾监控系统研究与设计

田仲富　黎粤华　刘晓义

摘要 针对目前我国森林防火远程监控中存在的不足，提出了一种基于嵌入式处理平台的森林火灾监控系统，对系统硬件设计和林火图像识别算法两个方面做了详细论述。系统以嵌入式微处理器作为现场控制器的主控单元，现场控制器通过串口与CCD摄像机进行实时通信，获取监测区域的图像信息，对获取的图像信息进行林火识别，若系统判断有林火发生，则将火情信息通过无线网络传送给监控中心，从而达到第一时间发现森林火灾的目的。通过在林区现场进行的试验表明，该系统能够克服工作环境的干扰，且具有响应速度快、识别率高以及监控区域广等特点。

关键词 森林防火；图像处理；远程监控

中图分类号 S126 文献标识码 A 文章编号 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

森林作为陆地生态系统的主体，是人类宝贵的物质财富，也是发展国民经济不可或缺的珍贵资源。但森林火灾时有发生，其突发性强，危害性大，处置困难，加上林区地形复杂，地域广阔，因而对森林安全造成极大威胁。森林火灾是破坏森林资源的主要灾害之一[1-2]。无论是国内还是国外，每次森林火灾都会使森林资源遭受巨大损失，同时也会对生态环境造成巨大破坏。因此，在第一时间发现火灾现场并及时扑救火灾，历来是林区管理工作的重中之重。森林火灾不只是烧毁成片的森林，伤害林内的动物，而且还降低森林的更新能力，引起土壤的贫瘠和破坏森林涵养水源的作用，甚而打破生态环境平衡。所以，为降低森林火灾的损失，世界各国非常重视林火监测技术的研究[3]。

针对目前全球森林及荒地火灾的严峻形势，笔者提出了一种将图像处理技术与嵌入式技术相结合的森林防火监控系统。该系统可以通过CCD摄像机和感光探测器对频发火灾的森林区域进行监控，将获得的视频信号通过专门的图像采集卡转换为数字信号，同时提取烟雾的光学特性，将这此信息输入嵌入式微处理器，其依据火灾图像的特征和光学特征做相应的处理和火情分析，从而实现林火监测的目的[4]。

该系统可以实时监测林区的火灾情况，为相关部门采取相应的预警或灭火措施提供重要的决策依据。

1 系统方案设计

该系统的硬件主要包括CCD摄像机、现场控制器以及监控中心，其中现场控制器的主控单元采用三星公司S3C2440，在此微处理器的基础上还扩展了林火报警模块、GPS模块以及GPRS模块。系统现场控制器组成如图1所示。

系统在工作过程中，CCD摄像机通过解码器将采集到的图像信息送给嵌入式微处理器。微处理器对其缓冲区中的信息进行处理，同时采用林火识别算法判断火灾情况，如果监测到火灾情况，则调用串口编程程序来控制GPRS模块（将附加了林火现场的气象信息、火情信息、植被信息以及地理环境信息等重要数据的火警信息），通过无线网络发送给监控中心。监控中心提取图像数据后，进行解压操作，并进一步分析火灾信息，以便制定合理的部署和扑救工作。系统工作流程如图2所示[5-6]。

2 系统模块设计

2.1 图像采集

在森林防火的重点区域应结合其地形特点、早期火情发生情况以及本地树种、植被和气候等特点布置合理的云台，安装在云台上的摄像机应能覆盖观测到设定区域的整个范围，且采集到的图像要满足一定的精度，因此，该系统采用的是索尼公司生产的HDR-PJ820E摄像机。它是一款日夜型的摄像机，具有低照度下自动彩色转黑自的功能，可实现960线的高清晰度图像，与日本精工牌长焦镜头相配合，能够提供优质的监控图像[7]。该系统的S3C2440处理器的视频采集接口支持ITU标准的图像数据和模拟视频信号，从而可很好地解决不同林区摄像装备差异的问题。嵌入式处理器对不同类型图像的处理方式是不同的，如果系统接收的是ITU标准的图像数据，则嵌入式处理器可以根据UPnP协议直接接收该图像信息；若系统接收的是模拟视频信号，则嵌入式处理器必须使用视频解码器将接收到的信号进行视频解码。该系统的视频解码器采用美信集成产品公司的4通道视频解码器芯片MAX9530，它支持PAL/NTSC视频标准，可以输入4路模拟视频信号，通过内部寄存器的不同配置可以对4路输入进行转换，输入可以为4路CVBS或2路S视频（Y/C）信号，输出8位 VPO信号。

2.2 信息处理

嵌入式处理模块选用三星公司的S3C2440嵌入式微处理器，其工作频率220 MHz。 S3C2440嵌入式微处理器通过CPLD接收来自MAX9530提供的同步信号，每次通过通用输入输出口读取一个字的内容，然后给CPLD发送一个计数脉冲，使得SRAM地址增加2位，为接收下一个字的内容做好准备。采用这种方式充分利用了CPLD的串口和快速运算功能，从而减少了S3C2440嵌入式微处理器的工作负担，也为火灾识别算法的运行准备了大量的系统资源。

2.3 林火报警与系统通信

当该系统的林火检测模块检测到林火发生时，现场控制器立即通过即插即用接口与GPS模块进行通信，从而获取林火发生的具体位置信息，并立即产生火警信息[9]。当产生火警信息后立即触发GPRS模块，GPRS模块将附加了林火现场的气象信息、火情信息、植被信息以及地理环境信息等重要数据的火警信息发送给提供GPRS服务的移动公司，由其负责将数据传送至Internet，并最终传送给监控指挥中心。另外，监控中心也可根据实际需要通过CPRS网络传送控制信息给各监测点的嵌入式视频处理设备，人为请求现场数据的传送或者调节识别算法所需的各项参数。

3 火灾图像识别算法

火灾图像识别算法通常分为以下两个阶段：第一阶段是选定运动像素和区域；第二个阶段是选定被监测林区是否产生了火灾烟雾[10]。

4 结论

该研究提出的这种结合嵌入式处理技术与图像处理技术的森林火灾远程监控系统，利用了3S主流技术，同时在现场控制器的图像处理中引入火灾图像识别算法，使系统可以自动识别火情，并通过无线网络将林火警报信息发给监控中心。试验表明，该系统可以极大程度地降低林火监测人员的劳动强度，能够较好地适应不同的监测环境，且具有稳定性高、识别率高以及成本低廉等特点。

目前，林区大空间火灾识别技术还处于发展期，理论基础和现实技术还不够完善。在该研究中，虽然取得了一定的成果，但仍存在着一些不足，如在实际应用中，系统存在一定的误报情况，另外，林火识别算法中涉及的部分阈值是基于理论知识和经验的。因此，期望今后的研究能够提供充足的火灾数据和方法，并通过改善算法等克服上述林火识别中的不足。

参考文献

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[10] 吴爱已，李明，陈登.大空间图像型火灾探测算法的研究[J].计算机测量与控制，2006，14（7）：869-871.