嵌入式地质灾害视频监控预警系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种嵌入式地质灾害视频监控预警系统及方法。系统由嵌入式前端视频监控装置、无线中继装置、无线入网装置三部分构成，嵌入式前端视频监控装置安装在监控现场采集视频信号；无线中继装置安装在山顶，用于传输中继；无线入网装置安装在可以上网的城镇，将信号传输到互联网。前端控制器采集各传感器数据，分析计算并初步判断灾害状况，根据需要控制打开或关闭监控摄像机和红外闪光灯的电源、判断灾情，输出信号。本发明具有主动、被动红外夜视能力，不受白天黑夜限制，可将灾害损失降低到最小。采用风光互补供电、节能省电工作模式确保系统正常工作。应用中继通信方式可使本发明在通信不发达的地区有效使用。预警预报精度高，简单实用。
【专利说明】嵌入式地质灾害视频监控预警系统及方法
一、【技术领域】
[0001]本发明涉及一种地质灾害的监控和预警，特别是嵌入式地质灾害视频监控预警系统及方法。
二、【背景技术】
[0002]环境灾害与地质灾害每年造成国家与人民的生命与财产的巨大损失。对环境灾害与地质灾害的预测与报警十分重要。近年来对环境灾害和地质灾害的预报预警工作取得了长足的进步。
[0003]中国专利CN201110062816.3《自然灾害监测预警方法与系统》公开了一种自然灾害监测预警方法与系统，信息采集设备实时采集各监测点的自然条件数据与视频监控数据，并通过信息传输设备将自然条件数据与根据视频监控数据得到的视频监控文件发送给信息处理系统。中国专利CN201110224128.2《地质灾害监测预警系统和监测预警方法”》，地质灾害监测预警系统包括分布在被监测区域的若干GNSS监测站，对可能由地表位移引起的崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、沉降和地裂缝等地质灾害进行实时的地表位移监测，并结合远程视频监控，对监测信息进行数据处理，对预警信息进行自动发布，由此对可能引发的地质灾害实现自动、实时预报预警的目的。中国专利CN201010297945.6《基于雨强、斜坡土壤含水量和形变量的地质灾害预测系统》包括用于监测地质灾害点的雨量雨强的自动雨量计、用于监测地质灾害点土壤中水分的土壤水分传感器、用于检测地质灾害点的地表和内部形变的全方位倾斜传感器、用于评估地质灾害发生规模的全方位视觉传感器、用于无线传输视频以及监测数据的嵌入式系统和用于进行地质灾害预测预报的监控中心计算机，监控中心计算机包括通信模块、数据接收模块、基于雨量雨强的地质灾害预测模块、基于斜坡位移-时间曲线进行地质灾害预测模块、基于土壤含水量与雨量雨强的地质灾害预测模块和基于土壤含水量与斜坡变形量的地质灾害预测模块。上述几种发明都用到了视频地质灾害的监控技术，但是还存在不足:1、都是在可见光下的监测，不适用于夜间监测，
2、能耗较高，需要较大的电源，3、通信带宽要求较宽，必须依靠成熟的通信网络。然而地质灾害监测地点往往处于偏远山区，没法供电，也没有成熟的通信系统。灾害发生时间往往在夜间，由于监测设备不能在夜间使用，灾害将造成很大的人员、物质损失。
三、
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种主要用于山区的地质灾害监测系统，该系统采用风光互补供电方式，节能策略，应用中继通信方式，具有主动、被动红外夜视能力的视频灾害监测与灾害分析系统，不受白天黑夜限制，节省能源，可在通信不发达的偏僻山村使用的地质灾害监控预警系统和方法。
[0005]本发明的目的是这样达到的:系统由嵌入式前端视频监控装置、无线中继装置、无线入网装置三部分构成，嵌入式前端视频监控装置安装在监控现场，用于采集视频信号；无线中继装置用于将嵌入式前端视频监控装置采集的视频信号传输到无线入网装置；无线入网装置安装在可以上网的城镇；嵌入式前端视频监控装置采集的视频信号通过无线中继装置的中继传输到无线入网装置，再由无线传输装置传输到互联网；无线中继装置安装在山顶，用于对嵌入式前端视频监控装置和无线入网装置之间的数据传输中继。
[0006]嵌入式前端视频监控装置中含有前端控制器，前端控制器用于采集雨量传感器、水位压力传感器、基座拾音器、顶部拾音器的数据，分析计算这些传感器数据，初步判断灾害状况，根据灾害状况控制嵌入式前端视频监控装置运行状态，并控制前端视频监控装置的数据与无线中继装置之间的数据通信。
[0007]前端控制器由ARM控制电路，供电控制电路和4路模数转换电路组成，4路模数转换电路分别连接基座拾音器、顶部拾音器、雨量传感器和水位压力传感器，并将接基座拾音器、顶部拾音器、雨量传感器和水位压力传感器输出的模拟信号转为数字信号送给ARM控制电路；ARM控制电路通过通用输入接口与4个模数转换电路的数据接口、供电控制电路、红外闪光灯连接；ARM控制电路通过网线与无线网桥连接，无线网桥用于嵌入式前端视频监控装置与无线中继装置之间的数据通信；ARM控制电路通过并行通信接口与监控摄像机连接；供电控制电路与ARM控制电路、红外闪光灯、监控摄像机连接；供电控制电路是带有继电器的控制电路，供电控制电路受ARM控制电路的控制，并在ARM控制电路的控制下打开或关闭监控摄像机和红外闪光灯的电源。
[0008]嵌入式前端视频监控装置上设置有监控摄像机、红外闪光灯、前端控制器、前端无线网桥。嵌入式前端视频监控装置各部件安装在立杆和基座上，立杆紧固连接在基座上，立杆上方设置太阳能光伏板、风力发电机、前端天线、雨量传感器和机箱；风力发电机固定在风力发电支架；蓄电池、风光控制器、监控摄像机、红外闪光灯、前端控制器和无线网桥安装在机箱内，顶部拾音器安装在机箱的下方；在立杆的下方安装有水位压力传感器、在立杆底部竖向开有一漏水槽，基座拾音器安装在基座上。
[0009]前端控制器中的监控摄像机由非致冷红外焦平面探测器以及外围电路、可见光图像传感器以及外围电路、可编程门阵列以及外围电路、内存电路、数字信号处理器芯片以及其外围电路、数字温度传感器构成；非致冷红外焦平面探测器以及外围电路的驱动时序，包括主时钟、复位信号、积分信号由可编程门阵列以及外围电路提供；非致冷红外焦平面探测器以及外围电路的输出信号，包括输出像素信号、行有效信号、第一行信号送给可编程门阵列以及外围电路；可见光图像传感器及外围电路的驱动时序，包括行同步信号、场同步信号、时钟信号、驱动时序信号、曝光控制信号由编程门阵列以及外围电路提供；可见光图像传感器及外围电路的像素亮度信号送给可编程门阵列以及外围电路；内存电路与可编程门阵列以及外围电路连接并进行数据传输；数字信号处理芯片以及其外围电路与可编程门阵列以及外围电路连接并进行数据传输；数字温度传感器的数据输送给可编程门阵列；非致冷红外焦平面探测器和可见光图像传感器焊接在同一张印制板上，且成像靶面的对应边平行摆放。
[0010]可见光图像传感器以及外围电路由可见光图像传感器、时序驱动转换、可见光图像传感器模数转换电路组成；可见光图像传感器可以是CCD图形传感器或CMOS图像传感器、时序驱动转换电路将可编程门阵列以及外围电路提供的行同步信号、场同步信号、时钟信号、驱动时序信号、曝光控制信号转换成符合图像传感器电平要求的相关信号，可见光图像传感器的图像模拟信号送给可见光图像传感器模数转换电路，可见光图像传感器模数转换电路将可见光图像传感器的图像模拟信号转换为数字信号，即像素亮度信号送给可编程门阵列以及外围电路。
[0011]非致冷红外焦平面探测器以及外围电路由非致冷红外焦平面探测器、电源与偏置电路、放大与滤波电路，模数转换电路构成；电源与偏置电路为非致冷红外焦平面探测器提供电源与偏置信号，非致冷红外焦平面探测器的图像输出模拟信号由放大与滤波电路放大后，经模数转换电路转换成数字信号输送给可编程门阵列，非致冷红外焦平面探测器的主时钟、复位信号、积分信号、行有效信号、第一行信号与可编程门阵列连接。
[0012]由嵌入式前端视频监控装置、无线中继装置、无线入网装置三部分构成预警系统，嵌入式前端视频监控装置安装在监控现场，用于采集视频信号；无线中继装置用于将嵌入式前端视频监控装置采集的视频信号传输到无线入网装置；无线入网装置安装在可以上网的城镇；嵌入式前端视频监控装置采集的视频信号通过无线中继装置的中继传输到无线入网装置，再由无线传输装置传输到互联网；无线中继装置安装在山顶，用于对嵌入式前端视频监控装置和无线入网装置之间的数据传输中继。
[0013]嵌入式前端视频监控装置中含有前端控制器，前端控制器用于采集雨量传感器、水位压力传感器、基座拾音器、顶部拾音器的数据，分析计算这些传感器数据，初步判断灾害状况，根据灾害状况控制嵌入式前端视频监控装置运行状态，并控制前端视频监控装置的数据与无线中继装置之间的数据通信，根据实际需要控制系统的运行状态，控制打开或关闭监控摄像机和红外闪光灯的电源、判断传感器输出信号是否处于地质灾害预警或报警状态，并将输出信号通过无线网桥传输到无线中继装置，最终传输到无线入网装置，从而传输到互联网。
[0014]前端控制器对系统的控制是按如下方式进行的:前端控制器由ARM控制电路，供电控制电路和4路模数转换电路组成，4路模数转换电路分别连接基座拾音器、顶部拾音器、雨量传感器和水位压力传感器，并将接基座拾音器、顶部拾音器、雨量传感器和水位压力传感器输出的模拟信号转为数字信号送给ARM控制电路；ARM控制电路通过通用输入接口与4个模数转换电路的数据接口、供电控制电路、红外闪光灯连接；ARM控制电路通过网线与无线网桥连接，无线网桥用于嵌入式前端视频监控装置与无线中继装置之间的数据通信；ARM控制电路通过并行通信接口与监控摄像机连接；供电控制电路与ARM控制电路、红外闪光灯、监控摄像机连接；供电控制电路受ARM控制电路的控制，并在ARM控制电路的控制下打开或关闭监控摄像机和红外闪光灯的电源；ARM控制电路采集基座拾音器、顶部拾音器、雨量传感器和水位压力传感器的输出数字信号，根据4个传感器输出信号判断是否处于地质灾害预警或报警状态，并将4个传感器的输出信号通过无线网桥传输到无线中继装置，最终传输到无线入网装置，从而传输到互联网；按照正常和预警预报不同情况，ARM控制电路启动供电控制电路为红外闪光灯和监控摄像机供电并拍摄照片、传输图像采用不同的时间、频次。
[0015]在正常状态下，ARM控制电路每10分钟启动供电控制电路为红外闪光灯和监控摄像机供电一次，并拍摄一张照片，并将照片通过无线网桥传输到互联网；在预警或报警状态下，ARM控制电路启动供电控制电路为红外闪光灯和监控摄像机持续供电，通过无线网桥将监控摄像机图像实时传输到互联网。
[0016]本发明的积极效果是:[0017]1、本发明为具有主动、被动红外夜视能力的视频灾害监测与灾害分析装置，不受白天黑夜限制，夜间使用为灾害预警预报赢得宝贵时间，将灾害损失降低到最小。
[0018]2、采用风光互补供电、节省能源方式，按照需要供电拍摄照片，确保能源自给，确保预警系统正常工作，减少设备的维修、保养，节约人力物力，特别是在环境恶劣的地区，更能突显优势。
[0019]3、应用中继通信方式，由无线中继装置、无线入网装置保障通信，在通信不发达的偏僻山村能够有效使用本地质灾害监控预警系统，达到灾害预警预报的目的。
[0020]4、具有灾害分析能力，在前端控制器中采用ARM控制电路对现场进行初步分析，减少误报，大幅提高预警预报准确性。
四、【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是系统整体结构示意图。
[0022]图2是嵌入式前端视频监控装置示意图。
[0023]图3是前端控制器结构示意图。
[0024]图4是前端控制器中模数转换电路图。
[0025]图5?图11是微处理器ARM控制电路图。
[0026]图12是供电控制电路图。
[0027]图13是监控摄像机结构示意图。
[0028]图14是可见光图像传感器以及外围电路。
[0029]图15可见光图像传感器模数转换电路图。
[0030]图16是可见光图像传感器电路图。
[0031]图17是时序驱动转换电路图。
[0032]图18是非致冷红外焦平面探测器以及外围电路图。
[0033]图19是电源与偏置电路与非致冷红外焦平面探测器电路图。
[0034]图20是放大滤波电路图。
[0035]图21模数转换电路图。
[0036]图22?25是可编程门阵列以及外围电路图。
[0037]图26?27是内存电路图。
[0038]图28?34是数字信号处理芯片以及外围电路。
[0039]图35是ARM控制流程图。
[0040]图36是可见光控制流程图。
[0041]图37是数字信号处理芯片程序框图。
[0042]图38是水域计算框图。
[0043]图中，I嵌入式前端视频监控装置，2无线中继装置，3无线入网装置，4水位压力传感器，5漏水槽，6基座，7固定孔，8立杆，9-1、9-2太阳能光伏板，10风力发电机，11风力发电机支架，12雨量传感器,13机箱,14蓄电池，15风光控制器,16监控摄像机,17红外闪光灯，18前端，19安装基础，20顶部拾音器，21基座拾音器，22前端控制器，23前端无线网桥。
五、【具体实施方式】[0044]参见附图1?3。
[0045]嵌入式前端视频监控装置I安装在监控现场，用于采集视频信号；无线中继装置2用于将嵌入式前端视频监控装置采集的视频信号传输到无线入网装置；无线入网装置3安装在可以上网的城镇。嵌入式前端视频监控装置采集的视频信号通过无线中继装置的中继传输到无线入网装置，再由无线传输装置传输到互联网。无线中继装置安装在山顶，用于对嵌入式前端视频监控装置和无线入网装置之间的数据传输中继。
[0046]嵌入式前端视频监控装置上设置有监控摄像机16、红外闪光灯17、前端控制器22、前端无线网桥23。嵌入式前端视频监控装置各部件安装在立杆8和基座6上，立杆8紧固连接在基座6上，立杆上方设置太阳能光伏板9-1、9-2、风力发电机10、前端天线18、雨量传感器12和机箱13 ;风力发电机10固定在风力发电支架11 ;蓄电池14、风光控制器15、监控摄像机16、红外闪光灯17、前端控制器22和无线网桥23安装在机箱13内，顶部拾音器20安装在机箱的下方；在立杆的下方安装有水位压力传感器4、在立杆底部竖向开有一漏水槽5，基座拾音器21安装在基座上。
[0047]立杆固定并支撑所有传感器以及其他相关装置。立杆高度比可以预见的最高水位高1.5米以上。立杆一般为空心钢管，其强度可以安装所有其他传感器以及相关装置，并能抵抗可以预见最大泥石流的破坏力。基座与立杆紧固连接在一起，安装在基座底面，与安装基础接触，用于在施工基础上固定立杆。本实施例中，基座上的固定孔不少于4个，固定孔用于将立杆固定在安装基础上。
[0048]基座拾音器是防水拾音器，用于米集通过大地传输的声音，安装在基座底座的下方，基础的上方。基座拾音器的输出连接到前端控制器的模数转换的模拟输入接口。顶部拾音器安装在立杆顶部的机箱下，在可以预测的最高水位下不会被水淹没，采集空间声音。顶部拾音器的输出连接到前端控制器的模数转换的模拟输入接口。基座拾音器、顶部拾音器选用杭州艾力特音频技术有限公司的防水拾音器K0-210。
[0049]水位压力传感器用于测量水位的高度。安装在立杆内部的最下短，水位压力传感器的输出连接到前端控制器的模数转换的模拟输入接口，选用北京双科恒信机电仪表有限公司BPY800型。在立杆2底部竖向开有一漏水槽5，使得水可以从漏水槽漏到立杆内，接触水位压力传感器。
[0050]太阳能光伏板、风力发电机、风力发电机支架、蓄电池、风光控制器为系统的风光发电设备，为整个系统提供能源。风光发电设备由成都振中电气有限公司提供成套设备。太阳能光伏板、风力发电机安装在立杆顶部，保证在可以预测最大水位不被淹没。蓄电池、风光控制器安装在机箱里。
[0051]雨量传感器感应安装地的降雨量，选择徐州市星球高科技研究所XYL-1型翻斗式雨量传感器。雨量传感器输出连接到前端控制器的模数转换的模拟输入接口。机箱用于安装蓄电池、风光控制器、监控摄像机、红外闪光灯、前端控制器，并做防水设计，保证蓄电池、风光控制器、监控摄像机、红外闪光灯、前端控制器不接触到水。机箱安装高度在可以预测的最高水位以上。监控摄像机用于监控地质灾害的可见光视频信号，被动红外视频信号，主动红外视频信号，并对光视频信号，被动红外视频信号，主动红外视频信号进行视频数据融合，灾害分析。红外闪光灯为主动红外视频信号提供红外光源。前端天线则与无线中继装置进行数据传输。[0052]安装基础为立杆的安装基础，可以选择安装地合适的岩石基础或安装地人工基础。安装基础要求能保证立杆以及立杆所有设备的稳定，并能使立杆抵抗可以预见的最大泥石流的冲击。本实施例，红外闪光灯17采用上海菱尚光电科技有限公司，型号:LS-MCL-1R8D ;无线中继装置2采用美国UBNT公司，型号:Nano Station M5，风光控制器15，太阳能光伏板9-1、9-2，风力发电机10共同构成风光互补发电设备,米用成都振中电气有限公司提供的成套设备。
[0053]参见附图3。前端控制器是系统中最重要部件，采集雨量传感器、水位压力传感器、基座拾音器、顶部拾音器的数据，分析计算这些传感器数据，初步判断灾害状况，根据灾害状况控制嵌入式前端视频监控装置运行状态，并控制前端视频监控装置的数据与无线中继装置之间的数据通信。前端无线网桥用于前端视频监控装置与无线中继装置之间的数据通信，本实施例采用美国UBNT公司，型号:Nano Station M5。
[0054]图4是前端控制电路中的模数中电路，4个模数转换电路采用相同的结构，IN连接传感器模拟输出，UP5为模数转换集成电路，第5、6脚为串行数据输出接口，与ARM集成电路的两个不同的通用输入输出接口连接。UP4为美国TEXAS INSTRUMENTS公司生产的运算放大器0PA335 ；UP5为美国TEXAS INSTRUMENTS公司生产的模数在转换芯片ADS1252。
[0055]图5?11给出了微处理器ARM控制电路图。ARM控制电路对整个系统进行控制。图中，UlO为美国ATMEL公司生产AT91RM9200，Ull为美国Micron Technology公司生产48LC4M32，U16为中国台湾瑞昱半导体公司生产RTL8201，J4是RJ45接插件，用于连接无线网桥。
[0056]参见附图12。供电控制电路是带有继电器的控制电路，图中，+24V接蓄电池输出，POWER输出监控摄像机和红外闪光灯，由各连接电路变换到自己需要的电压模式。Pl.0，Pl.1连接ARM集成电路的两个不同的通用输入输出接口连接。U4:德国HAMLIN公司生产的继电器HE721C。
[0057]参见图13?17。监控摄像机由非致冷红外焦平面探测器以及外围电路、可见光图像传感器以及外围电路、可编程门阵列以及外围电路、内存电路、数字信号处理芯片以及其外围电路、数字温度传感器构成。非致冷红外焦平面探测器以及外围电路的驱动时序，包括主时钟、复位信号、积分信号由可编程门阵列以及外围电路提供。非致冷红外焦平面探测器以及外围电路的输出信号，包括输出像素信号、行有效信号、第一行信号送给可编程门阵列以及外围电路。可见光图像传感器及外围电路的驱动时序，包括行同步信号、场同步信号、时钟信号、驱动时序信号、曝光控制信号由编程门阵列以及外围电路提供。可见光图像传感器及外围电路的像素亮度信号送给可编程门阵列以及外围电路。内存电路与可编程门阵列以及外围电路连接并进行数据传输。数字信号处理芯片以及其外围电路与可编程门阵列以及外围电路连接并进行数据传输。数字温度传感器的数据输送给可编程门阵列。非致冷红外焦平面探测器和可见光图像传感器焊接在同一张印制板上，且成像靶面的对应边平行摆放。数字温度传感器采用深圳市钼电科技有限公司生产，型号:DS18B20。
[0058]可见光图像传感器以及外围电路由可见光图像传感器、时序驱动转换、可见光图像传感器模数转换电路组成。可见光图像传感器可以是CCD图形传感器或CMOS图像传感器、时序驱动转换电路将可编程门阵列以及外围电路提供的行同步信号、场同步信号、时钟信号、驱动时序信号、曝光控制信号转换成符合图像传感器电平要求的相关信号，可见光图像传感器的图像模拟信号送给可见光图像传感器模数转换电路，可见光图像传感器模数转换电路将可见光图像传感器的图像模拟信号转换为数字信号，即像素亮度信号送给可编程门阵列以及外围电路。
[0059]附图15中可见光图像传感器模数转换电路芯片选型为美国Analog Devic公司:AD9949。图16中图像传感器芯片选择日本SONY公司:ICX285 ;图17中时序驱动转换电路中芯片选型为日本SONY公司:CXD3400。
[0060]图18是非致冷红外焦平面探测器以及外围电路图。非致冷红外焦平面探测器以及外围电路主要由非致冷红外焦平面探测器、电源与偏置电路、放大与滤波电路，模数转换电路构成。电源与偏置电路为非致冷红外焦平面探测器提供电源与偏置信号，非致冷红外焦平面探测器的图像输出模拟信号由放大与滤波电路放大后，经模数转换电路转换成数字信号输送给可编程门阵列，非致冷红外焦平面探测器的主时钟、复位信号、积分信号、行有效信号、第一行信号与可编程门阵列连接。
[0061]图19是电源与偏置电路与非致冷红外焦平面探测器电路图。图中，U3非致冷红外焦平面探测器为法国ULIS公司的UL01021E，Ul、U2、U4、U5、U6、U7、U8构成电源与偏置电路。U1、U2为美国TEXAS INSTRUMENTS公司生产的TPS79533 ;U4、U5为美国MAXM公司生产的MAX6004 ;U6为美国TEXAS INSTRUMENTS公司生产的LM317 ;U7、U8为美国TEXASINSTRUMENTS公司生产的TLV5638。MC:主时钟；INT:积分信号；RESET:复位信号；LIGNE1:第一行信号；DATAVAL:行有效信号；A0UT:输出给放大与滤波电路。
[0062]图20是放大滤波电路图。图中，Ul:为美国TEXAS INSTRUMENTS公司:0PA2890 ；AOUT接口连接到非致冷红外焦平面探测器的输出；ADCIN连接到模数转换电路的输入。图21模数转换电路图中，Ul:美国TEXAS INSTRUMENTS公司生产0PA2890，AOUT:连接到非致冷红外焦平面探测器的输出；ADCIN连接到模数转换电路的输入。
[0063]参见附图22?25。
[0064]可编程门阵列以及外围电路电路图。可编程门阵列芯片选择美国XILINX公司:XC3S1200。图26?27是内存电路图。内存电路模块有2块，连接在编程门阵列即外围电路上，相同的两个内存U3，U4采用美国Micron Technology公司:MT48LC4M32。
[0065]图28?34是数字信号处理芯片以及外围电路。图中，U4:美国TEXAS INSTRUMENTS公司生产芯片DM642 ；IC1,IC2是美国Micron Technology公司生产MT48LC8M32 ；IC3是美国AMD公司生产的AM29LV320。
[0066]图35是ARM控制流程图。系统的控制是由ARM控制电路进行的，ARM控制流程:开始，第一步，TO=当前系统时间，进入第二步，采集基座拾音器和顶部拾音器数据；对基座拾音器和顶部拾音器数据做快速傅里叶变换；取出基座拾音器和顶部拾音器感兴趣频率的幅度值；将数据发到互联网，第三步，采集水位压力传感器数据；采集雨量传感器数据；将数据发到互联网；第四步，判断是否有感兴趣的频率幅度值大于预警值，是，进入第七步，否，进入第五步，判断水位压力是否大于预警值？是，进入第七步，否，进入第六步，判断是否降雨量大于预警值，是，进入第七步，否，Tl=当前系统时间，判断T1-T0 > 10分钟，否，返回第二步，是，供电控制电路接通电源，采集一帧图像，并将图像发送到互联网，供电电路断开电源，TO=Tl,返回第二步；第七步:供电控制电路接通电源，TO=当前系统时间，连续采集图像，并将图像发送到互联网并返回第二步。[0067]前端控制器中的监控摄像机中非致冷红外焦平面探测器以及外围电路的输出信号，包括输出像素信号、行有效信号、第一行信号送给可编程门阵列以及外围电路，可编程门阵列的驱动时序信号送给非致冷红外焦平面探测器，其可编程门阵列的程序流程是:第一步，输出驱动时序；第二步，读入非致冷红外焦平面探测器图像信号；第三步，图像校正；第四步，校正后的数据输送给数字信号处理器；第五步，返回第二步，循环往复；非致冷红外焦平面探测器的图像校正方法包括实验测试图像校正参数和图像校正两部分: [0068]实验测试图像校正参数:将摄像机放在0、1、2、3......60摄氏度环境下，分别测量
拍摄目标为O摄氏度和60摄氏度的目标，将环境温度X摄氏度，拍摄目标温度O摄氏度下的第i行，第j列的像素测量值标记为XOi j (x)，将环境温度X摄氏度，拍摄目标温度60摄氏度下的第i行，第j列的像素测量值标记为Xhij(x);计算环境温度X摄氏度下:Gij 00=255/(Xhij (x)-XOij (X))，Qij (X)=-Gij (x).XOij (x);得至Ij Gij (x)，Qij (x)为环境温度 x 摄氏度下，第i行，第j列的校正参数；
[0069]图像校正方法:第一步，从数字温度传感器读取温度，第二步，根据温度，读取校正参数，设计算环境温度X摄氏度下第i行，第j列的校正参数分别为Gij(x)，Qij(X);第三步，读取非致冷红外焦平面探测器图像信号，设读取的第i行，第j列的数据为Dij ;第四步，校正数据=Gij (X).Dij+Qij (x)。
[0070]图36是可见光控制流程图。前端控制器中监控摄像机可编程门阵列的可见光图像传感器工作流程:开始，第一步，向可见光图像传感器发送时序；设置图像传感器最快快门值、最慢快门值、最大帧率、最小帧率、最大增益、最小增益，第二步，从图像传感器读入图像数据；对图像数据进行Bayer运算、白平衡运算后得到彩色信号，将彩色信号送数字信号处理芯片；对彩色信号进行计算得到8位灰度图像信号，第三步，N=灰度图像信号中大于200的像素总数，X=N/图像像素总数.100，第四步，判断X > 5 ?是，进入第八步:否，第五步，判断增益=最大增益？否，进入第九步，是，第六步，判断快门=最慢快门？否，进入第十步，是，第七步，帧率=最小帧率？是，启动闪光灯，回到第二步，否，进入第十一步；
[0071]第八步:判断X是否大于30，否:直接返回第二步，是，判断帧率=最大帧率？否，；运行8-1步，是:判断快门=最大快门？否:运行8-2步，是，判断增益=最小增益，是，回到第二步，否，运行8-3步
[0072]8-1步:帧率=原来的帧率.1.2，判断帧率>最大帧率？否，回到第二步，是，帧率=最大帧率，回到第二步；
[0073]8-2步:快门=原来的快门/1.2，否，判断快门〈最快快门？否，返回到第二步，是，快门=最快快门，返回第二步，
[0074]8-3步:增益=原来增益/1.2，判断增益〈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=原来的增益.1.2，判断增益>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:快门=原来的快门.1.2，快门〉最慢快门？否，返回第二步，是，快门=最快快门，返回第二步；
[0077]第H^一步:关闭闪光灯；帧率=原来的帧率/1.2，判断帧率<最小帧率？否，回到第二步，是，帧率=最小帧率，回到第二步；[0078]图37是数字信号处理芯片程序框图。数字信号处理芯片的流程是:开始，第一步，设置最大水域位矩阵S，当第i行j列的像素位于最大水域时，Si j=l，否则Sij=O ;设置红外焦平面探测器与可见光传感器之间像素对应关系；设置融合像素a ;第二步，读取一帧红外焦平面探测器数据；根据红外焦平面探测器与可见光传感器之间的像素对应关系将焦平面探测器数据变换成与可见光传感器数据相同的矩阵，令其矩阵为IR ;读取一帧可见光传感器灰度数据，令其为矩阵P ;读取闪光灯开启变量F ;第三步，i=l，j=l，第四步，判断F=O ?是,Oij=Pij,进入第六步,否,判断Sij=I ?否,进入第五步,是,Oij=IRij *a+( l_a)*Pi j,进入第六步，第五步，Oij=REij,RE为闪光灯开启前的最后一张图片灰度数据,第六步，i=i+l,第七步，判断i > M ?否,返回第四步,是,第八步，i=l, j=j=l，第九步，判断j > N ?否,返回第四步，是，进入第十步，j=l，第十一步，水域计算，返回第二步，循环往复。
[0079]计算时，最大水位区域矩阵根据历史最大水位确定，融合系数a根据实验确定；可见光传感器像素分辨率为M行N列；RE为开启闪光灯前最后一帧的可见光传感器灰度数据。矩阵O为计算得到可见光传感器和红外焦平面探测器融合处理后的数据。
[0080]图38是水域计算框图。水域计算的流程:开始，第一步，设置二值化门限k ;设置膨胀结构元素P ;设置膨胀次数N ;第二步，相邻帧对应像素灰度相减，取差绝对值，令其为矩阵C ;若Cij > k，对应像素Di j=l，否则Dij=O ;用膨胀结构元素P对D做N次膨胀运算，运算后结果为E ;第三步，将矩阵O、E传输到互联网，结束。
[0081]其中，矩阵 D为二值化矩阵；矩阵E为水域计算。
【权利要求】
1.一种嵌入式地质灾害视频监控预警系统，其特征在于:系统由嵌入式前端视频监控装置、无线中继装置、无线入网装置三部分构成，嵌入式前端视频监控装置安装在监控现场，用于采集视频信号；无线中继装置用于将嵌入式前端视频监控装置采集的视频信号传输到无线入网装置；无线入网装置安装在可以上网的城镇；嵌入式前端视频监控装置采集的视频信号通过无线中继装置中继传输到无线入网装置，再由无线入网装置传输到互联网；无线中继装置安装在山顶，用于对嵌入式前端视频监控装置和无线入网装置之间的数据传输中继； 嵌入式前端视频监控装置中含有前端控制器，前端控制器用于采集雨量传感器、水位压力传感器、基座拾音器、顶部拾音器的数据，分析计算这些传感器数据，初步判断灾害状况，根据灾害状况控制嵌入式前端视频监控装置运行状态，并控制前端视频监控装置的数据与无线中继装置之间的数据通信。
2.如权利要求1所述的嵌入式地质灾害视频监控预警系统，其特征在于:所述前端控制器由ARM控制电路，供电控制电路和4路模数转换电路组成，4路模数转换电路分别连接基座拾音器、 顶部拾音器、雨量传感器和水位压力传感器，并将基座拾音器、顶部拾音器、雨量传感器和水位压力传感器输出的模拟信号转为数字信号送给ARM控制电路；ARM控制电路通过通用输入输出接口与4个模数转换电路的数据接口、供电控制电路、红外闪光灯连接；ARM控制电路通过网线与无线网桥连接，无线网桥用于嵌入式前端视频监控装置与无线中继装置之间的数据通信;ARM控制电路通过并行通信接口与监控摄像机连接；供电控制电路与ARM控制电路、红外闪光灯、监控摄像机连接；供电控制电路是带有继电器的控制电路，供电控制电路受ARM控制电路的控制，并在ARM控制电路的控制下打开或关闭监控摄像机和红外闪光灯的电源。
3.如权利要求1所述的嵌入式地质灾害视频监控预警系统，其特征在于:嵌入式前端视频监控装置上设置有监控摄像机(16)、红外闪光灯(17)、前端控制器(22)、前端无线网桥(23 );嵌入式前端视频监控装置各部件安装在立杆(8 )和基座(6 )上，立杆(8 )紧固连接在基座(6 )上，立杆上方设置太阳能光伏板(9-1、9-2 )、风力发电机(10 )、前端天线(18 )、雨量传感器(12)和机箱(13);风力发电机(10)固定在风力发电支架(11)上；蓄电池(14)、风光控制器(15)、监控摄像机(16)、红外闪光灯(17)、前端控制器(22)和无线网桥(23)安装在机箱(13)内，顶部拾音器(20)安装在机箱的下方；在立杆的下方安装有水位压力传感器(4 )、在立杆底部竖向开有一漏水槽(5 )，基座拾音器(21)安装在基座上。
4.如权利要求2所述的嵌入式地质灾害视频监控预警系统，其特征在于:所述前端控制器中的监控摄像机由非致冷红外焦平面探测器以及外围电路、可见光图像传感器以及外围电路、可编程门阵列以及外围电路、内存电路、数字信号处理器芯片以及其外围电路、数字温度传感器构成；非致冷红外焦平面探测器以及外围电路的驱动时序，包括主时钟、复位信号、积分信号由可编程门阵列以及外围电路提供；非致冷红外焦平面探测器以及外围电路的输出信号，包括输出像素信号、行有效信号、第一行信号送给可编程门阵列以及外围电路；可见光图像传感器及外围电路的驱动时序，包括行同步信号、场同步信号、时钟信号、驱动时序信号、曝光控制信号由编程门阵列以及外围电路提供；可见光图像传感器及外围电路的像素亮度信号送给可编程门阵列以及外围电路；内存电路与可编程门阵列以及外围电路连接并进行数据传输；数字信号处理芯片以及其外围电路与可编程门阵列以及外围电路连接并进行数据传输；数字温度传感器的数据输送给可编程门阵列；非致冷红外焦平面探测器和可见光图像传感器焊接在同一张印制板上，且成像靶面的对应边平行摆放。
5.如权利要求4所述的嵌入式地质灾害视频监控预警系统，其特征在于:所述可见光图像传感器以及外围电路由可见光图像传感器、时序驱动转换、可见光图像传感器模数转换电路组成；可见光图像传感器可以是CCD图形传感器或CMOS图像传感器、时序驱动转换电路将可编程门阵列以及外围电路提供的行同步信号、场同步信号、时钟信号、驱动时序信号、曝光控制信号转换成符合图像传感器电平要求的相关信号，可见光图像传感器的图像模拟信号送给可见光图像传感器模数转换电路，可见光图像传感器模数转换电路将可见光图像传感器的图像模拟信号转换为数字信号，即像素亮度信号送给可编程门阵列以及外围电路； 所述非致冷红外焦平面探测器以及外围电路由非致冷红外焦平面探测器、电源与偏置电路、放大与滤波电路，模数转换电路构成；电源与偏置电路为非致冷红外焦平面探测器提供电源与偏置信号 ，非致冷红外焦平面探测器的图像输出模拟信号由放大与滤波电路放大后，经模数转换电路转换成数字信号输送给可编程门阵列，非致冷红外焦平面探测器的主时钟、复位信号、积分信号、行有效信号、第一行信号与可编程门阵列连接。
6.一种嵌入式地质灾害视频监控预警方法，其特征在于:由嵌入式前端视频监控装置、无线中继装置、无线入网装置三部分构成预警系统，嵌入式前端视频监控装置安装在监控现场，用于采集视频信号；无线中继装置用于将嵌入式前端视频监控装置采集的视频信号传输到无线入网装置；无线入网装置安装在可以上网的城镇；嵌入式前端视频监控装置采集的视频信号通过无线中继装置的中继传输到无线入网装置，再由无线传输装置传输到互联网；无线中继装置安装在山顶，用于对嵌入式前端视频监控装置和无线入网装置之间的数据传输中继； 嵌入式前端视频监控装置中含有前端控制器，前端控制器用于采集雨量传感器、水位压力传感器、基座拾音器、顶部拾音器的数据，分析计算这些传感器数据，初步判断灾害状况，根据灾害状况控制嵌入式前端视频监控装置运行状态，并控制前端视频监控装置的数据与无线中继装置之间的数据通信，根据实际需要控制系统的运行状态，控制打开或关闭监控摄像机和红外闪光灯的电源、判断传感器输出信号是否处于地质灾害预警或报警状态，并将输出信号通过无线网桥传输到无线中继装置，最终传输到无线入网装置，从而传输到互联网。
7.如权利要求6所述的嵌入式地质灾害视频监控预警方法，其特征在于:前端控制器对系统的控制是按如下方式进行的:前端控制器由ARM控制电路，供电控制电路和4路模数转换电路组成，4路模数转换电路分别连接基座拾音器、顶部拾音器、雨量传感器和水位压力传感器，并将接基座拾音器、顶部拾音器、雨量传感器和水位压力传感器输出的模拟信号转为数字信号送给ARM控制电路；ARM控制电路通过通用输入接口与4个模数转换电路的数据接口、供电控制电路、红外闪光灯连接；ARM控制电路通过网线与无线网桥连接，无线网桥用于嵌入式前端视频监控装置与无线中继装置之间的数据通信；ARM控制电路通过并行通信接口与监控摄像机连接；供电控制电路与ARM控制电路、红外闪光灯、监控摄像机连接；供电控制电路受ARM控制电路的控制，并在ARM控制电路的控制下打开或关闭监控摄像机和红外闪光灯的电源；ARM控制电路采集基座拾音器、顶部拾音器、雨量传感器和水位压力传感器的输出数字信号，根据4个传感器输出信号判断是否处于地质灾害预警或报警状态，并将4个传感器的输出信号通过无线网桥传输到无线中继装置，最终传输到无线入网装置，从而传输到互联网；按照正常和预警预报不同情况，ARM控制电路启动供电控制电路为红外闪光灯和监控摄像机供电并拍摄照片、传输图像采用不同的时间、频次。
8.如权利要求6所述的嵌入式地质灾害视频监控预警方法，其特征在于:在正常状态下，ARM控制电路每10分钟启动供电控制电路为红外闪光灯和监控摄像机供电一次，并拍摄一张照片，并将照片通过无线网桥传输到互联网；在预警或报警状态下，ARM控制电路启动供电控制电路为红外闪光灯和监控摄像机持续供电，通过无线网桥将监控摄像机图像实时传输到互联网。
9.如权利要求6所述的嵌入式地质灾害视频监控预警方法，其特征在于:前端控制器对系统的控制是由ARM控制电路进行的，ARM控制流程:开始，第一步，TO=当前系统时间，进入第二步，采集基座拾音器和顶部拾音器数据；对基座拾音器和顶部拾音器数据做快速傅里叶变换；取出基座拾音器和顶部拾音器感兴趣频率的幅度值；将数据发到互联网，第三步，采集水位压力传感器数据；采集雨量传感器数据；将数据发到互联网；第四步，判断是否有感兴趣的频率幅度值大于预警值，是，进入第七步，否，进入第五步；第五部:判断水位压力是否大于预警值？是，进入第七步，否，进入第六步；第六步:判断是否降雨量大于预警值，是，进入第七步，否，Tl=当前系统时间，判断Tl-TO > 10分钟，否，返回第二步，是，供电控制电路接通电源，采集一帧图像，并将图像发送到互联网，供电电路断开电源，TO=Tl,返回第二步；第七步:供电控制电路接通电源，TO=当前系统时间，连续采集图像，并将图像发送到互联网并返回第二步； 前端控制器中的监控摄像机中非致冷红外焦平面探测器以及外围电路的输出信号，包括输出像素信号、行有效信号、第一行信号送给可编程门阵列以及外围电路，可编程门阵列的驱动时序信号送给非致冷红外焦平面探测器，其可编程门阵列的程序流程是:第一步，输出驱动时序；第二步，读入非致冷红外焦平面探测器图像信号；第三步，图像校正；第四步，校正后的数据输送给数字信号处理器；第五步，返回第二步，循环往复； 前端控制器中监控摄像机可编程门阵列的可见光图像传感器工作流程:开始，第一步，向可见光图像传感器发送时序；设置图像传感器最快快门值、最慢快门值、最大帧率、最小帧率、最大增益、最小增益；第二步，从图像传感器读入图像数据；对图像数据进行Bayer运算、白平衡运算后得到彩色信号，将彩色信号送数字信号处理芯片；对彩色信号进行计算得到8位灰度图像信号；第三步，N=灰度图像信号中大于200的像素总数，X=N/图像像素总数.100 ;第四步，判断X>5?是，进入第八步:否，第五步，判断增益=最大增益？否，进入第九步，是，第六步，判断快门=最慢快门？否，进入第十步，是，第七步，帧率=最小帧率？是，启动闪光灯，回到第二步，否，进入第十一步； 第八步:判断X是否大于30，否:直接返回第二步，是，判断帧率=最大帧率？否，;运行8-1步，是:判断快门=最大快门？否:运行8-2步，是，判断增益=最小增益，是，回到第二步，否，运行8-3步； 8-1步:帧率=原来的帧率.1.2，判断帧率>最大帧率？否，回到第二步，是，帧率=最大帧率，回到第二步； 8-2步:快门=原来的快门/1.2，否，判断快门〈最快快门？否，返回到第二步，是，快门=最快快门，返回第二步， 8-3步:增益=原来增益/1.2，判断增益〈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=原来的增益.1.2，判断增益>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:快门=原来的快门.1.2，快门 > 最慢快门？否，返回第二步，是，快门=最快快门，返回第二步； 第H^一步:关闭闪光灯；帧率=原来的帧率/1.2，判断帧率<最小帧率？否，回到第二步，是，帧率=最小帧率，回到第二步； 数字信号处理芯片的流程是:开始，第一步，设置最大水域位矩阵S，当第i行j列的像素位于最大水域时，Sij=L否则Sij=O ;设置红外焦平面探测器与可见光传感器之间像素对应关系；设置融合系数a ;第二步，读取一帧红外焦平面探测器数据；根据红外焦平面探测器与可见光传感器之间的像素对应关系将焦平面探测器数据变换成与可见光传感器数据相同的矩阵，令其矩阵为IR;读取一帧可见光传感器灰度数据，令其为矩阵P ;读取闪光灯开启变量F ;第三步，i=l, j=l ;第四步,判断F=O ?是，Oij=Pij,进入第六步,否,判断Sij=I ?否，进入第五步，是，Oij=IRij.a+ (1-a).Pi j,进入第六步；第五步，Oij=REij,RE为闪光灯开启前的最后一张图片灰度数据；第六步，i=i+l，第七步，判断i >图像横向像素M?否,返回第四步,是,进入第八步；第八步:i=l, j=j=l，第九步:判断j >图像纵向像素N ?否，返回第四步，是，进入第十步；第十步:j=l，第十一步:水域计算，返回第二步，循环往复； 水域计算的流程:开始，第一步，设置二值化门限k ;设置膨胀结构元素P ;设置膨胀次数N ;第二步，相邻帧对应像素`灰度相减，取差绝对值，令其为矩阵C ;若Cij > k，对应像素Di j=l，否则Dij=O ;用膨胀结构元素P对D做N次膨胀运算，运算后结果为E ;第三步，将矩阵O、E传输到互联网，结束。
10.如权利要求9所述的所述嵌入式地质灾害视频监控预警方法，其特征在于:非致冷红外焦平面探测器的图像校正方法包括实验测试图像校正参数和图像校正两部分: 实验测试图像校正参数:将摄像机放在0、1、2、3……60摄氏度环境下，分别测量拍摄目标为O摄氏度和60摄氏度的目标，将环境温度X摄氏度，拍摄目标温度O摄氏度下的第i行，第j列的像素测量值标记为XOij (X)，将环境温度X摄氏度，拍摄目标温度60摄氏度下的第i行，第j列的像素测量值标记为Xhij (x);在环境温度X摄氏度下计算:Gij 00=255/(Xhij (x)-XOij (X))，Qij (X)=-Gij (x).XOij (x);得至Ij Gij (x)，Qij (x)为环境温度 x 摄氏度下，第i行，第j列的校正参数； 图像校正方法:第一步，从数字温度传感器读取环境温度，第二步，根据环境温度，读取校正参数，设计算环境温度X摄氏度下第i行，第j列的校正参数分别为Gij(x)，Qij(X)；第三步，读取非致冷红外焦平面探测器图像信号，设读取的第i行，第j列的数据为Dij ;第四步，校正数据=Gij (X).Dij+Qij (x)。
【文档编号】G08B21/10GK103729969SQ201410010337
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月9日 优先权日:2014年1月9日
【发明者】莫思特, 张斌, 石爱军, 马娟, 黄喆, 薛跃明, 张德拉, 王灿峰, 李碧雄, 邓建辉 申请人:四川大学, 中国地质环境监测院