關于智能攝像機前端控制器裝置的研究與應用

李元韜 靳可 曹志宇

(1.呼和浩特鐵路局科研所,內蒙古呼和浩特 010050;2.呼和浩特鐵路局信息技術所,內蒙古呼和浩特 010050)

關于智能攝像機前端控制器裝置的研究與應用

李元韜1靳可1曹志宇2

(1.呼和浩特鐵路局科研所,內蒙古呼和浩特 010050;2.呼和浩特鐵路局信息技術所,內蒙古呼和浩特 010050)

本文針對使用于鐵路系統的傳統攝像機由于頻繁修改其FLASH,而降低使用壽命的問題,研究并設計出全新裝置“智能攝像機前端控制器”裝置,把原來由攝像機自身輸出信號控制補光燈等相關設備的模式改變為由“智能攝像機前端控制器”單獨控制。該裝置主要采用單片機控制、RS232總線以及光耦合器等相關技術,實現自動控制補光燈,達到實時補光的目的。通過現場試驗和運用,結果表明,該裝置具有性能可靠穩定、操作方便簡單的特點,與傳統的控制方法相比,使用改進后的裝置能夠極大地提高智能攝像機的使用壽命,減少設備更新的資金投入,同時減輕維護工作的勞動強度,提高工作效率,對智能攝像機正常運行和列車運輸安全具有重要意義。

智能攝像機 前端控制器 實時補光

1 問題的提出

隨著網絡化、數字化、高清化智能攝像機在交通、公安、銀行等眾多行業的廣泛應用,人們對智能攝像機的需求日益增多,智能攝像機成為引領安防市場的一個重要方向。智能攝像機主要應用于入侵檢測、人流統計、車流統計、車牌識別等方面,它能夠將運行狀態實時圖像及智能設備的報警信息傳輸到監控中心,視頻監控人員可通過圖像和相關信息進行綜合分析處理。目前在鐵路系統內,智能攝像機廣泛使用于車號識別、安全監控、機車運行狀態等方面。常用的傳統攝像機具有I/O控制接口,通過接口可以實現補光、抓圖以及控制云臺等相關功能,其中攝像機對I/O的控制是以通過修改FLASH中參數實現,而FLASH的修改次數一般限制約為10萬次,所以頻繁使用這種控制方式將嚴重降低攝像機的使用壽命,根據呼和浩特鐵路局的統計數據可以看到,采用這種控制方式的攝像機其使用年限約為一年左右。因此,針對傳統攝像機使用壽命不高的問題,急需研究一種既可保證前端設備的可靠使用性,又不降低智能攝像機壽命的控制裝置。

2 總體設計

2.1 設計思路

智能攝像機前端控制器裝置是通過接受智能攝像機的通信指令,利用單片機技術實現對補光燈的控制,使對補光燈相關設備的控制由攝像機輸出信號的控制,變為控制器單獨控制,從而有效避免了由于頻繁修改攝像機的FLASH而造成其使用壽命縮短的問題,增加了攝像機的使用壽命,大大提高了前端設備的可控性能。

2.2 控制方式

智能攝像機前端控制器裝置能夠控制打開或結束智能攝像機的錄像功能,使其與補光燈實現同步。例如,當車輛駛來時,機車的輪對就壓到磁鋼1,磁鋼1傳送信號到車號主機,車號主機將信號發送到監控主機,監控主機和智能攝像機通過傳輸數據、視頻及指令后,由智能攝像機給前端控制器相應的脈沖信號,前端控制器通過單片機的輸出來控制光耦合器,進而打開補光燈,使攝像機的拍攝頻率與補光燈的閃光燈同步,即使在夜間也能拍攝到清晰的圖像。當最后一節車廂壓過后磁鋼2后,磁鋼2發送信號先后到車號主機和監控主機,監控主機通過網線給攝像機發送關閉指令,攝像機同步關閉補光燈。補光燈的頻率來自智能攝像機,因此智能攝像機可以實現不用修改FLASH而能達到與補光燈同步的效果。總體設計的控制方式如圖一所示。

圖二 智能攝像機前端控制器裝置的總體結構圖

3 結構組成和功能介紹

3.1 組成模塊及各部分功能

圖三 智能攝像機前端控制器裝置的軟件流程圖

智能攝像機前端控制器裝置主要組成部分有電源、單片機8051F320、開關等部件。電源轉換模塊主要功能是給單片機以及各個控制芯片提供供電,本裝置將來自智能攝像機的12V電壓,經過三端穩壓電路轉換成3．3V,然后為其供電。單片機是執行預先編寫好的相關程序,從而實現對補光燈開啟與關閉的功能,本裝置使用C8051F320單片機,主要是能夠實現對控制電路板的通訊、光耦合器的開光等功能。開關部分的主要功能是執行單片機發出的控制信號,實際上是執行機構,它是采用信號芯片實現控制接通和斷開,本裝置的開關部分是光耦合器,它接受輸入的電信號驅動發光二極管,使之發出一定波長的光,被光探測器接收而產生光電流,再經過放大后輸出,起到輸入、輸出、隔離的作用,由于信號的單向傳輸,輸入端與輸出端能夠實現電氣隔離,輸出信號對輸入端無影響,因此具有抗干擾能力強,工作穩定,使用壽命長,傳輸效率高等優點。

3.2 工作原理

該裝置由單片機控制補光燈的開啟和關閉。單片機端口實時監聽智能攝像機發送的控制信號,如果單片機端口收到打開智能攝像機的脈沖信號,則說明有車輛通過,這時單片機輸出控制信號打開補光燈;此時單片機端口將繼續監聽來自智能攝像機的控制信號,如果收到智能攝像機的關閉信號,說明車輛已完全通過,這時單片機輸出控制信號關閉補光燈。智能攝像機前端控制器裝置的總體結構圖如圖二所示。

4 硬件設計與組成

智能攝像機前端控制器裝置的硬件主要由CPU、收發器、光耦合器、RS232串口通信和電源轉換模塊組成。

4.1 CPU

該裝置的CPU選用8051F320芯片,外圍需要設計通訊芯片對來自智能攝像機的信號進行接收,然后進行相應的處理,輸出控制信號給補光燈,達到控制的目的。

4.2 收發器

該裝置的收發器是ADM3232E,±15kV ESD保護、3．3V、RS-232線路驅動器,是一款高速、雙通道RS-232/V．28接口器件,采用3．3V單電源供電,具有低功耗、低輻射的特性。利用CMOS技術,可確保功耗達到絕對最低,從而使便攜式應用的電池使用壽命最長。

4.3 光耦合器

光耦合器TLP117又稱光電隔離器,簡稱光耦,以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用。光耦合器一般由三部分組成：光的發射、光的接收和信號放大。

4.4 RS232串口通信

串行接口是一種可以將接受來自CPU的并行數據字符轉換為連續的串行數據流發送出去,同時可將接受的串行數據流轉換為并行的數據字符供給CPU的器件。

4.5 電源轉換模塊

為簡單方便,外界電源由智能攝像機12V供電,由于C8O51F320、ADM3232E收發器以及各個芯片所需電壓為3．3V,因此需要電源轉換模塊完成電壓的轉換。

5 軟件設計

智能攝像機前端控制器裝置是在硬件的基礎上編寫程序,實現處理通信的目的,通過控制中心軟件能夠顯示控制結果,并能進行相應參數的調整,從而輸出特定的波形來控制補光燈,主要是處理打開和關閉這兩個信號。程序的具體流程是：當磁鋼檢測到有列車通過時,智能攝像機打開,同時與控制器RS232進行串口通信,單片機根據指令判斷是否打開光耦合器,如果有車通過則打開補光燈,反之則繼續等待指令信號,當檢測到列車完全通過后,輸出關閉補光燈的指令,結束本次流程。軟件流程如圖三所示。

6 經濟、社會效益

為了保證鐵路的安全運營,視頻監控攝像機得到了很多運用。在特殊的場合,為安全有效監控車輛的運輸情況,需要配備一定數量的補光燈來增加視頻的清晰效果。采用傳統的控制方式會需要大量資金來更換設備。而改進后的裝置采用單獨的控制器進行控制,有效避免了由于頻繁修改智能攝像機的FLASH而造成的其使用壽命縮短的問題,無形中提高了智能攝像機的使用壽命,減少了設備更新資金的投入。該裝置體積較小,造價比較低,而且安裝在智能攝像機的防護罩中,延長了自身使用壽命。另外,該裝置可通過上位機控制,操作方便、使用簡單、性能穩定、工作可靠,可以很大程度上減輕維修人員的勞動強度,提高工作效率。

7 結語

智能攝像機前端控制器裝置于2013年3月進行了試驗并研制成功,通過發送串口指令模擬現場環境試驗,取得了預計效果,達到了實時補光的目的。2013年4月,在呼和浩特鐵路局西貨檢北場投入使用,對實際工作現場的智能攝像機進行了安裝,實現了智能攝像機前端控制器裝置現場自動控制補光燈。通過試驗和現場運行情況,說明智能攝像機前端控制器裝置能夠以單獨的控制方式實現直接控制現場補光燈,解決了FLASH重復刷新而降低智能攝像機使用壽命的問題,效果良好,達到了研究的目的。

李元韜,女,(1983.01—),2010年8月畢業于蘭州交通大學計算機軟件與理論專業研究生,現任呼和浩特鐵路局科研所科技信息科工程師職務,目前主要從事科技信息統計與分析、計算機軟件、鐵路技術等方面的科技研發與管理工作。