雙目成像測控系統開發及其在實驗室中的應用

季瑞松 張建良

摘 要：基于視頻和紅外測溫技術設計了一套適合實驗室的在線設備安全監控系統，該系統包括視頻和測溫雙目融合系統、可聯動智能插座系統和手機APP等部分24小時監測設備的運行狀態、測量設備的功率，以非接觸方式監測對象的多點溫度，并能對設定的過溫和過載等危險狀態進行斷電操作。用戶可以通過手機APP實時查看被監測對象的視頻和關鍵點的溫度，借助該設備，用戶可以設置關鍵點位置的溫度閾值和設備的功率閾值，如果超過閾值，用戶手機APP就能收到報警信息，并在一定過溫時間后，切斷對象的供電電源。系統對設備的監控無需破壞原設備的結構，適合新設備研發階段的監控并防止實驗室火災的發生，具有較好的通用性和市場化潛力。

關鍵詞：視頻;紅外測溫;安全監控;雙目融合;智能插座;報警

中圖分類號：TP29文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）02-00-03

0 引 言

實驗室一直以來都是高校安全檢查的重點場所。盡管如此，實驗室安全事故仍層出不窮，并以火災居多。如2015年

11月18日上午10點10分左右，清華大學何添樓231室發生火災，現場發現一名博士后實驗人員死亡;2016年4月14日凌晨2點多，湖北大學一實驗室發生火災，無人員傷亡，該樓5樓的一排窗戶玻璃被燒壞，墻壁和6樓窗戶被熏黑。2018年10月8日凌晨，鄭州市中原路與桐柏路交叉口附近的鄭州市中原工學院北區的學校圖書館發生火災，著火點附近區域一片狼藉，著火部分的樓體已經被熏黑，部分玻璃破碎，著火區域前面懸掛著不少電線，一旦發生事故后果不堪設想。除查閱文獻外，為了調研火災的成因，走訪了諸多以消防工程為主的大型企業，了解到火災的成因一半以上由用電設備引起，特別是在實驗室，有很多開發過程中的樣機，在穩定性測試過程中需要24 h不間斷運行，特別是晚上無人值守時，存在極大的安全隱患。因此，設計一套適用于實驗室設備安全防護的在線監控系統顯得尤為迫切[1-2]。

1 系統總體設計

首先，系統應具備在線功能（網絡接入和視頻采集功能），無論何時何地，用戶都能夠看到設備運行的視頻資料，并能通過手機APP訪問。其次，由于火災發生的直接原因是溫度升高，導致易燃物起火，因此，系統應具備非接觸式平面溫度監測功能，并能通過APP設定被監測點的溫度閾值。再次，系統應能測量被監控目標的功率。在判斷為過功率、過溫等危險的情況下，系統應能進行相關動作，包括切斷電源、聲光報警、遠程報警等。

綜上，在線監控系統應具備如下特征：

（1）在線監測;

（2）可見光視頻采集;

（3）非接觸式溫度采集;

（4）溫度閾值設置;

（5）可聯動，可控輸出、可測量功率的智能插座。

2 視頻和測溫系統設計

視頻和測溫模塊是本系統開發的重點。主要設計指標

如下：

（1）支持POE方式供電，方便布線，網絡部分對外接口為RJ 45;

（2）集成嵌入式Web服務器，能被遠程訪問;

（3）可見光圖像分辨率為1 600×1 200 pixel;

（4）平面測溫點數為16×4;

（5）具有與智能插座系統實時通信的接口。

2.1 硬件設計

基于以上設計指標，設計了如圖2所示的視頻和測溫系統框圖。

處理器選用意法半導體ARM芯片，型號為STM32F407VET6，該芯片是高性能的32位Cortex-M4 RISC芯片，主頻達168 MHz，具有高達512 KB的FLASH空間和DSP，FPU等運算單元，可以高效支持較為密集的運算。另外，該芯片還具有UART，I2C，SPI，CSI，MII等接口，可以完成圖像和溫度數據的高效采集和實時傳輸[3-4]。

攝像頭模組選用深圳市鴻嘉光顯科技有限公司設計生產的OV2640高清攝像頭模組，該模組的圖像傳感器采用OV2640，分辨率為1 600×1 200 pixel，接口為CSI。OV2640模組直接輸出JPEG格式的圖像，可以大大節省MCU處理圖像的開銷，適合嵌入式系統使用[5-6]。

測溫模塊選用美國邁來芯公司設計生產的MLX90621，該模塊是一個具有16×4 pixel的點陣式紅外溫度傳感器，供電電壓為3 V，具有60°視角，提供I2C通信接口，易與處理器通信，無需接觸被測目標，測溫精度達±1 ℃，完全滿足系統的測溫需求[7-9]。

POE模塊采用杭州士蘭微電子股份有限公司設計生產的SD4952B模塊，該模塊是一款兼容IEEE 802.3AF標準的PD和DC/DC控制器。該芯片的PD控制器部分為以太網供電系統（Power over Ethernet，POE）中的受電設備提供檢測、分級和浪涌限流等功能，內部集成有耐壓100 V、導通電阻低至0.68 Ω的MOSFET。方案BOM成本低、可靠性高。

電源調理電路用于將POE模塊輸出的12 V電源轉換為處理器、攝像頭模組和測溫模組工作所需的直流電源。

2.2 軟件設計

視頻和測溫系統軟件使用C語言在Keil IDE環境下進行開發，未使用嵌入式操作系統。系統上電后，先進行硬件初始化，獲取IP地址，之后偵聽Query廣播包，如果接收到廣播包并握手成功后，分時進行可見光圖像和紅外圖像的傳輸。程序流程如圖3所示。

3 智能插座模塊設計

智能插座模塊是本系統的執行機構，將被監控對象的電源輸入，接到智能插座的輸出面板上，當被監測系統過載或溫度超過設定閾值時，可切斷被監控對象的電源。智能插座模塊的框圖如圖4所示。

智能插座模塊采用非隔離AC/DC電源，將交流220 V轉換為直流5 V輸出，供給單片機及控制計量電路。AC/DC電源為MPS公司設計的MP150，該方案的5 V輸出電流為60 mA。

由于控制邏輯比較簡單，因此單片機選用意法半導體設計的STM8S003F3P6系列51單片機即可。該單片機具有

8 KB FLASH，主頻為16 MHz，具有簡單的20管腳封裝，完全能滿足項目需求。由于智能插座無需高精度的時鐘源，因此晶振部分采用內部振蕩器，以節省外部晶振的成本[10]。

計量電路采用深圳合力為公司設計的HLW8032芯片，該芯片內置頻率振蕩器、參考電壓源和電源監控電路，能實時測量有功功率、有效電流和有效電壓，采用UART的方式同單片機通信，在1 000∶1的動態范圍內，具有0.5%以上的測量精度，且無需校正，使用方便、可靠[11-12]。

外部通信控制接口用于和視頻測溫系統進行通信控制。需要注意的是，外部控制信號接入系統需要進行光電隔離。

4 手機APP設計

手機端用來設定溫度閾值、接收過溫報警信號，并實時呈現設備圖像和溫度數據。APP在獲取圖像和溫度數據后，可以只顯示圖像，也可以對圖像數據和溫度數據進行融合，使溫度值疊加在圖像上，方便用戶直觀看到被測設備各點的溫度，為判斷設備是否處于安全運行狀態提供依據。圖5所示為某實驗室用本系統監控大功率商用電磁爐樣機電路的APP截圖。其中，圖5（a）為只顯示圖像的截圖;圖5（b）為圖像、溫度融合后的截圖。從圖片可以看出，該樣機電路中變壓器為最強的熱源，溫度超50 ℃。

5 結 語

從實驗室安全角度出發，設計了一套適用于實驗室設備安全監測的軟硬件系統，借助該系統可以實現設備的24 h監控，及時發現設備存在的安全隱患，并做相應的處理，降低實驗室發生火災等危險的概率。用戶能通過手機APP實時查看設備的運行情況和關鍵部位的溫度情況。特別對于新研發的設備而言，配備一套類似的監測設備十分必要。經過測試，系統運行穩定，用戶界面友好，得到了實驗室同行的廣泛認可。同時，系統選用的方案具有很高的性價比，推廣價值和市場潛力較大。

參 考 文 獻

[1]劉健.高校實驗室火災成因及預防[J].消防技術與產品信息，2008（11）：47-49.

[2]劉音，王瑞雪，劉洋，等.基于模糊綜合評價法的實驗室火災風險評價[J].實驗室研究與探索，2018（8）：321-325.

[3]崔琳，朱磊，劉小龍，等.基于STM32F407的以太網通信模塊設計[J].計算機測量與控制，2018（1）：260-263.

[4]謝志文，許睿，黃小雪，等.基于LwIP的嵌入式Web服務器的設計與實現[J].桂林電子科技大學學報，2014（4）：305-309.

[5]熊雪艷，梁光勝，賴程鵬，等.基于OV2640模塊的網絡視頻監控系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2015（12）：23-26.

[6]黃健，羅國平，杜麗君.基于STM32F407平臺OV2640驅動程序設計[J].通訊世界， 2015（10）：246-247.

[7]孫宇貞，胡超，方永輝.基于MLX90621紅外傳感器的開關柜溫度無線監測系統設計[J].紅外，2016（12）：13-18.

[8]王維佳，喻青，段航，等.基于MLX90621的電梯電機及控制回路溫度采集系統設計[J].工業安全與環保，2019，45（3）：17-20.

[9]劉鵬，熊衛華.基于POE供電的雙目成像檢測系統設計[J].工業控制計算機， 2019（1）：23-24.

[10]項粵生，高瑞霞，鄔楊波，等.基于單片機的智能插座的設計與實現[J].工業控制計算機，2012（9）：129-131.

[11]周曉，田瑞清，李永清.用電設備運行狀態監控系統設計與實現[J].計算機測量與控制，2019（2）：52-55.

[12]徐鈺琨.基于STC和HLW8012的電視節能插座設計[J].電子世界，2016（20）：90-92.