CN207133937U

CN207133937U - 一种基于fpga与无人机的森林火灾预警***

Info

Publication number: CN207133937U
Application number: CN201720921610.4U
Authority: CN
Inventors: 李鹏; 顾彬彬; 缪诚钰
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2017-07-26
Filing date: 2017-07-26
Publication date: 2018-03-23
Anticipated expiration: 2027-07-26

Abstract

本实用新型公开了一种基于FPGA与无人机的森林火灾预警***，包括作为载体的无人机，所述无人机上搭载有FPGA控制芯片、CMOS图像传感器、GPS模块、SDRAM和通讯模块，所述CMOS图像传感器与所述FPGA控制芯片单向通讯相连，所述FPGA控制芯片分别与所述CMOS图像传感器、GPS模块、SDRAM和通讯模块通讯相连。本实用新型的一种基于FPGA与无人机的森林火灾预警***，把图像处理技术和森林火灾预警结合起来，简化了机器对火灾识别的程序，提高了识别率和处理速度，同时结合无人机的优势，不受地形和地势的限制，可实现低空的任意时刻任意地点的监控，巡护面积得到有效扩大，降低了成本，对于重点关注区域可以实现频繁地多次监控。

Description

一种基于FPGA与无人机的森林火灾预警***

技术领域

本实用新型涉及一种森林火灾预警***，具体涉及一种基于 FPGA与无人机的森林火灾预警***，属于消防安全技术领域。

背景技术

森林资源是地球上最重要的资源之一。它不仅为人类的生产生活提供了宝贵的木材和多种其他原材料，而且能够调节气候，保持水土，净化空气。更重要的是，它也是众多生物的栖息地，是维持生物多样性的基础。我国的森林面积广袤，但是由于长期地不节制开发和自然灾害，森林资源受到严重威胁。其中森林火灾是破坏森林的自然灾害中最主要的灾害。它不仅能够烧毁林木和林下植物资源，降低木材的质量和数量，危害野生动物，间接导致水土流失，破坏大自然的生态环境和生态平衡；而且还将会引起空气污染，威胁人民的生命和财产安全。2007年4月30日，黑龙江省大兴安岭罕诺河管护区内发生草甸森林火，森林火场面积迅速地扩展到10000余公顷。可见，森林火灾一旦形成，扑灭就很困难。因此，在森林火灾还在萌芽状态的时候立即扑灭火灾就显得十分重要。在森林火灾燃烧的初期，首先产生烟雾，然后才产生火焰。本***可以在森林火灾燃烧的初期通过检测烟雾的方式，及时发现火源并发出警报，帮助技术人员赶到现场实施救援活动。

现今国内常用的路面检测技术有以下4种：

1.地面巡护，这种方法最简单易行，但是巡护面积有限，耗时耗力，并且误差大，巡护人员不可能随时都能准备出发，巡护人员的安全也是需要考虑的问题之一；

2.望台监测，这种方法是让检测员爬到望台上用检测工具对四周进行检测，一定程度上解决了巡护面积有限的问题，但是偏远的地区无法建造望台并且易受地形地势限制，对烟雾浓重和较大面积的火场，余火和地下火无法进行检测。依靠瞭望人员的检测经验来检测火灾是否发生，准确率较低；

3.航空巡护,该方法成本昂贵，并且巡护次数有限，巡护的时间不能任意安排且准备工作较为繁琐；

4.卫星遥感，这种方法的检测范围是最广的，搜集数据的速度快，但是准确率偏低，需要花费大量的人力物力财力去核实。

国外的森林火灾检测方法例如美国的护林飞机以及红外遥感火灾预警飞机，德国的FIRE-WATCH型森林火灾自动预警***，虽然可靠，但需要借助卫星和飞机且基础设施投资太大。我国森林面积广袤且分布不均，上述方法难以满足我国森林资源火灾检测的需要。目前国内外已有的火灾预警技术存在巡护面积有限，误差大，实时性差且成本高等问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，提供一种把图像处理技术和森林火灾预警结合起来，简化了机器对火灾识别的程序，提高了识别率和处理速度，同时结合无人机的优势，不受地形和地势的限制，可实现低空的任意时刻任意地点的监控，巡护面积得到有效扩大，降低了成本，对于重点关注区域可以实现频繁地多次监控的基于FPGA与无人机的森林火灾预警***。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种基于FPGA与无人机的森林火灾预警***，包括作为载体的无人机，所述无人机上搭载有FPGA控制芯片、CMOS图像传感器、 GPS模块、SDRAM和通讯模块，所述CMOS图像传感器与所述FPGA控制芯片单向通讯相连，所述FPGA控制芯片分别与所述CMOS图像传感器、GPS模块、SDRAM和通讯模块通讯相连。

所述通讯模块为4G无线通讯模块。

所述CMOS图像传感器的型号为OV7725。

所述FPGA控制芯片的型号为cycloneⅣ系列的EP4CE10E22C8。

所述无人机内置电子围栏。

所述FPGA控制芯片通过MAX232芯片与所述4G无线通讯模块实现数据交换。

本实用新型的有益效果：本实用新型提供的一种基于FPGA与无人机的森林火灾预警***，包括作为载体的无人机，无人机上搭载有 FPGA控制芯片、CMOS图像传感器、GPS模块、SDRAM和通讯模块，充分结合了无人机的优势，可以在低空任意时间任意地点起飞，实现大范围的森林信息数据采集和实时处理，对重点目标区域可以不限次数的多次巡护监控，另外通过CMOS图像传感器采集图像信息、 SDRAM储存信息和FPGA控制芯片处理判断图像信息，判断是否发生火灾，GPS模块的设置可以通过FPGA控制芯片和通讯模块将火灾发生位置发送到后台服务器上，整个***简化了机器对火灾识别的程序，提高了识别率和处理速度；所述通讯模块为4G无线通讯模块，传输容量大，传输速度快，网络覆盖广的优势，且在高速移动的情况下不容易掉线。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图；

图2为本实用新型的集森林图像算法处理的流程图；

图3为本实用新型的FPGA控制芯片与UART接口的引脚连接图；

图4为本实用新型的FPGA控制芯片与SDRAM的引脚连接图；

图5为本实用新型的FPGA控制芯片与CMOS图像传感器的引脚连接图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，一种基于FPGA与无人机的森林火灾预警***，包括作为载体的无人机，无人机内置电子围栏，可以通过自动或手动的方式在一定范围内进行巡航拍摄。无人机上搭载有FPGA控制芯片、 CMOS图像传感器、GPS模块、SDRAM和通讯模块，通讯模块选为无线4G无线通讯模块，CMOS图像传感器与FPGA控制芯片单向通讯相连，FPGA控制芯片分别与所述CMOS图像传感器、GPS模块、 SDRAM和通讯模块通讯相连。本***主要包括图像处理部分，定位部分，通信部分。其中，CMOS图像传感器、SDRAM和FPGA控制芯片作为本***中的图像处理部分；GPS模块构成定位部分；FPGA控制芯片通过串口连接定位模块和4G无线通讯模块，构成通信部分。

本实用新型的具体工作过程为：首先CMOS图像传感器在低空无人机上获取森林图像信息之后存储到SDRAM里面。FPGA控制芯片再从SDRAM里面读取数据进行图像算法处理。当检测到有图像中含有烟雾数据后，FPGA控制芯片会把图像数据和无人机的位置信息通过4G无线传输模块发送到后台服务器上。在后台服务器上不仅可以看到现场的图像数据和无人机的位置信息，同时也可以看到CMOS 获取的视频信息。当判定是火灾时，无人机可以悬停在现场上方，实现实时监控，为救援工作提供有力支持。

FPGA控制芯片的图像算法处理如图2所示。FPGA控制芯片先从SDRAM中读取存储的图像,然后对图像进行颜色空间的转换，把 RGB格式转换为YCbCr的格式。接着对图像信息进行增强和中值滤波，使图像信息更加突出和平滑。转化为YCbCr的格式之后对CbCr 分量提取颜色信息。森林背景和烟雾的颜色信息有较大差别，设定相应的阈值，可以把烟雾信息和背景区分开来。当确定所采集到的图像数据中有烟雾信息时，输出该图像数据到4G无线传输模块中，做进一步处理。

图像处理的实时性的情况下需要处理大量的数据，这对硬件提出很高的要求。为了能够使本***能够顺利运行，FPGA控制芯片的型号采用cycloneⅣ系列的EP4CE10E22C8，具有很强大的并行处理功能，并且资源丰富引脚充足，非常适合进行复杂的图像处理工作。CMOS图像传感器的型号选为OV7725。

如图3所示为FPGA芯片与UART接口的引脚连接部分，4G无线通信模块也支持UART接口协议。MAX232芯片是美信公司专为 RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5V单电源供电。 FPGA通过MAX232在TXD端发送数据，通过RXD端接受来自 UART串口的数据，通过这种方式实现与4G无线模块数据的交换。 MAX232需要被提供3.3V稳定电压。

图4为FPGA控制芯片与SDRAM的引脚连接图。SDRAM需要提供稳定的3.3V电压和频率为100MHz的时钟信号。SD_CLK连接 FPGA的PIN_51。SD_CKE是25MHz频率的时钟信号，作为SDRAM 的时钟使能信号，连接FPGA的PIN_50。SD_nCS、SD_new、SD_nRAS 和SD_nCAS都是低电平有效，分别连接PIN_64，PIN_67，PIN_65， PIN_66。SD_A0～SD_A11是SDRAM的地址输入，分别连接FPGA的PIN_55，PIN_54，PIN_53，PIN_52，PIN_38，PIN_39，PIN_42， PIN_43，PIN_44.PIN_46，PIN_58，PIN_49。SD_BA0和SD_BA1是 SDRAM的信号使能，分别连接FPGA的PIN_59和PIN_60。 SD_D0～SD_D15的引脚是并口的双向数据总线，可划分为三组，低 16位分别连接FPGA的PIN_75～PIN_68和PIN_76，PIN_77，PIN_80， PIN_83，PIN_84，PIN_85，PIN_86，PIN_87。由于本***中所使用的图像数据是RGB565，只用到16位，高八位用不到可以全部置为0，其余引脚全部接地。

图5为FPGA芯片与CMOS摄像头的引脚连接图。它需要被提供3.3V稳定电压。CMOSSCLK输入的是24MHz的时钟信号，连接的是PIN_115。CMOS PCLK是时钟使能信号，规定了图像处理的最小时间间隔，连接PIN_88。CMOS HREF和CMOS VSYNC分别是行信号和场信号。图像采集到一行数据则产生行信号，采集到一帧图像数据则产生场信号，分别连接PIN_119和PIN_120。CMOS D0～CMOS D7是数据位，分别连接PIN_124～PIN_129，PIN_132， PIN_133。CMOS SDAT是数据使能信号，连接PIN_114。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种基于FPGA与无人机的森林火灾预警***，其特征在于：包括作为载体的无人机，所述无人机上搭载有FPGA控制芯片、CMOS图像传感器、GPS模块、SDRAM和通讯模块，所述CMOS图像传感器与所述FPGA控制芯片单向通讯相连，所述FPGA控制芯片分别与所述CMOS图像传感器、GPS模块、SDRAM和通讯模块通讯相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA与无人机的森林火灾预警***，其特征在于：所述通讯模块为4G无线通讯模块。

3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA与无人机的森林火灾预警***，其特征在于：所述CMOS图像传感器的型号为OV7725。

4.根据权利要求1 所述的一种基于FPGA与无人机的森林火灾预警***，其特征在于：所述FPGA控制芯片的型号为cycloneⅣ系列的EP4CE10E22C8。

5. 根据权利要求1 所述的一种基于FPGA与无人机的森林火灾预警***，其特征在于：所述无人机内置电子围栏。

6. 根据权利要求2 所述的一种基于FPGA与无人机的森林火灾预警***，其特征在于：所述FPGA控制芯片通过MAX232芯片与所述4G无线通讯模块实现数据交换。