关于智能摄像机前端控制器装置的研究与应用

李元韬 靳可 曹志宇

(1.呼和浩特铁路局科研所,内蒙古呼和浩特 010050;2.呼和浩特铁路局信息技术所,内蒙古呼和浩特 010050)

关于智能摄像机前端控制器装置的研究与应用

李元韬1靳可1曹志宇2

(1.呼和浩特铁路局科研所,内蒙古呼和浩特 010050;2.呼和浩特铁路局信息技术所,内蒙古呼和浩特 010050)

本文针对使用于铁路系统的传统摄像机由于频繁修改其FLASH,而降低使用寿命的问题,研究并设计出全新装置“智能摄像机前端控制器”装置,把原来由摄像机自身输出信号控制补光灯等相关设备的模式改变为由“智能摄像机前端控制器”单独控制。该装置主要采用单片机控制、RS232总线以及光耦合器等相关技术,实现自动控制补光灯,达到实时补光的目的。通过现场试验和运用,结果表明,该装置具有性能可靠稳定、操作方便简单的特点,与传统的控制方法相比,使用改进后的装置能够极大地提高智能摄像机的使用寿命,减少设备更新的资金投入,同时减轻维护工作的劳动强度,提高工作效率,对智能摄像机正常运行和列车运输安全具有重要意义。

智能摄像机 前端控制器 实时补光

1 问题的提出

随着网络化、数字化、高清化智能摄像机在交通、公安、银行等众多行业的广泛应用,人们对智能摄像机的需求日益增多,智能摄像机成为引领安防市场的一个重要方向。智能摄像机主要应用于入侵检测、人流统计、车流统计、车牌识别等方面,它能够将运行状态实时图像及智能设备的报警信息传输到监控中心,视频监控人员可通过图像和相关信息进行综合分析处理。目前在铁路系统内,智能摄像机广泛使用于车号识别、安全监控、机车运行状态等方面。常用的传统摄像机具有I/O控制接口,通过接口可以实现补光、抓图以及控制云台等相关功能,其中摄像机对I/O的控制是以通过修改FLASH中参数实现,而FLASH的修改次数一般限制约为10万次,所以频繁使用这种控制方式将严重降低摄像机的使用寿命,根据呼和浩特铁路局的统计数据可以看到,采用这种控制方式的摄像机其使用年限约为一年左右。因此,针对传统摄像机使用寿命不高的问题,急需研究一种既可保证前端设备的可靠使用性,又不降低智能摄像机寿命的控制装置。

2 总体设计

2.1 设计思路

智能摄像机前端控制器装置是通过接受智能摄像机的通信指令,利用单片机技术实现对补光灯的控制,使对补光灯相关设备的控制由摄像机输出信号的控制,变为控制器单独控制,从而有效避免了由于频繁修改摄像机的FLASH而造成其使用寿命缩短的问题,增加了摄像机的使用寿命,大大提高了前端设备的可控性能。

2.2 控制方式

智能摄像机前端控制器装置能够控制打开或结束智能摄像机的录像功能,使其与补光灯实现同步。例如,当车辆驶来时,机车的轮对就压到磁钢1,磁钢1传送信号到车号主机,车号主机将信号发送到监控主机,监控主机和智能摄像机通过传输数据、视频及指令后,由智能摄像机给前端控制器相应的脉冲信号,前端控制器通过单片机的输出来控制光耦合器,进而打开补光灯,使摄像机的拍摄频率与补光灯的闪光灯同步,即使在夜间也能拍摄到清晰的图像。当最后一节车厢压过后磁钢2后,磁钢2发送信号先后到车号主机和监控主机,监控主机通过网线给摄像机发送关闭指令,摄像机同步关闭补光灯。补光灯的频率来自智能摄像机,因此智能摄像机可以实现不用修改FLASH而能达到与补光灯同步的效果。总体设计的控制方式如图一所示。

图二 智能摄像机前端控制器装置的总体结构图

3 结构组成和功能介绍

3.1 组成模块及各部分功能

图三 智能摄像机前端控制器装置的软件流程图

智能摄像机前端控制器装置主要组成部分有电源、单片机8051F320、开关等部件。电源转换模块主要功能是给单片机以及各个控制芯片提供供电,本装置将来自智能摄像机的12V电压,经过三端稳压电路转换成3．3V,然后为其供电。单片机是执行预先编写好的相关程序,从而实现对补光灯开启与关闭的功能,本装置使用C8051F320单片机,主要是能够实现对控制电路板的通讯、光耦合器的开光等功能。开关部分的主要功能是执行单片机发出的控制信号,实际上是执行机构,它是采用信号芯片实现控制接通和断开,本装置的开关部分是光耦合器,它接受输入的电信号驱动发光二极管,使之发出一定波长的光,被光探测器接收而产生光电流,再经过放大后输出,起到输入、输出、隔离的作用,由于信号的单向传输,输入端与输出端能够实现电气隔离,输出信号对输入端无影响,因此具有抗干扰能力强,工作稳定,使用寿命长,传输效率高等优点。

3.2 工作原理

该装置由单片机控制补光灯的开启和关闭。单片机端口实时监听智能摄像机发送的控制信号,如果单片机端口收到打开智能摄像机的脉冲信号,则说明有车辆通过,这时单片机输出控制信号打开补光灯;此时单片机端口将继续监听来自智能摄像机的控制信号,如果收到智能摄像机的关闭信号,说明车辆已完全通过,这时单片机输出控制信号关闭补光灯。智能摄像机前端控制器装置的总体结构图如图二所示。

4 硬件设计与组成

智能摄像机前端控制器装置的硬件主要由CPU、收发器、光耦合器、RS232串口通信和电源转换模块组成。

4.1 CPU

该装置的CPU选用8051F320芯片,外围需要设计通讯芯片对来自智能摄像机的信号进行接收,然后进行相应的处理,输出控制信号给补光灯,达到控制的目的。

4.2 收发器

该装置的收发器是ADM3232E,±15kV ESD保护、3．3V、RS-232线路驱动器,是一款高速、双通道RS-232/V．28接口器件,采用3．3V单电源供电,具有低功耗、低辐射的特性。利用CMOS技术,可确保功耗达到绝对最低,从而使便携式应用的电池使用寿命最长。

4.3 光耦合器

光耦合器TLP117又称光电隔离器,简称光耦,以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收和信号放大。

4.4 RS232串口通信

串行接口是一种可以将接受来自CPU的并行数据字符转换为连续的串行数据流发送出去,同时可将接受的串行数据流转换为并行的数据字符供给CPU的器件。

4.5 电源转换模块

为简单方便,外界电源由智能摄像机12V供电,由于C8O51F320、ADM3232E收发器以及各个芯片所需电压为3．3V,因此需要电源转换模块完成电压的转换。

5 软件设计

智能摄像机前端控制器装置是在硬件的基础上编写程序,实现处理通信的目的,通过控制中心软件能够显示控制结果,并能进行相应参数的调整,从而输出特定的波形来控制补光灯,主要是处理打开和关闭这两个信号。程序的具体流程是：当磁钢检测到有列车通过时,智能摄像机打开,同时与控制器RS232进行串口通信,单片机根据指令判断是否打开光耦合器,如果有车通过则打开补光灯,反之则继续等待指令信号,当检测到列车完全通过后,输出关闭补光灯的指令,结束本次流程。软件流程如图三所示。

6 经济、社会效益

为了保证铁路的安全运营,视频监控摄像机得到了很多运用。在特殊的场合,为安全有效监控车辆的运输情况,需要配备一定数量的补光灯来增加视频的清晰效果。采用传统的控制方式会需要大量资金来更换设备。而改进后的装置采用单独的控制器进行控制,有效避免了由于频繁修改智能摄像机的FLASH而造成的其使用寿命缩短的问题,无形中提高了智能摄像机的使用寿命,减少了设备更新资金的投入。该装置体积较小,造价比较低,而且安装在智能摄像机的防护罩中,延长了自身使用寿命。另外,该装置可通过上位机控制,操作方便、使用简单、性能稳定、工作可靠,可以很大程度上减轻维修人员的劳动强度,提高工作效率。

7 结语

智能摄像机前端控制器装置于2013年3月进行了试验并研制成功,通过发送串口指令模拟现场环境试验,取得了预计效果,达到了实时补光的目的。2013年4月,在呼和浩特铁路局西货检北场投入使用,对实际工作现场的智能摄像机进行了安装,实现了智能摄像机前端控制器装置现场自动控制补光灯。通过试验和现场运行情况,说明智能摄像机前端控制器装置能够以单独的控制方式实现直接控制现场补光灯,解决了FLASH重复刷新而降低智能摄像机使用寿命的问题,效果良好,达到了研究的目的。

李元韬,女,(1983.01—),2010年8月毕业于兰州交通大学计算机软件与理论专业研究生,现任呼和浩特铁路局科研所科技信息科工程师职务,目前主要从事科技信息统计与分析、计算机软件、铁路技术等方面的科技研发与管理工作。