塔吊“吊點”監控系統

于洪友

摘? ? 要：塔吊在使用過程中，常常遇到駕駛員視線被遮擋，形成吊裝盲區的現象。此時操作不當會釀成重大安全事故，當前工地上主要靠信號工打手勢、旗語或對講機對駕駛員溝通，不僅耗時費力，還難以保證安全。通過在吊鉤上安裝攝像頭，將吊點位置圖像傳到駕駛室，讓駕駛員清淅的看到吊點位置情況，有助于準確安全地完成吊裝任務

關鍵詞：塔吊;吊點;監控系統;視頻傳輸;無線網絡

1? 引言

隨著近年來建筑行業塔吊的大量使用，由于在沒有看清吊物及周邊環境情況下，盲目起吊，或在駕駛員視線盲區降落位置不當引發的安全事故頻繁發生，造成了重大的生命財產損失。安全事故的經驗教訓表明，對塔吊吊點及周圍環境及時進行有效的監測，將吊點位置圖像傳到駕駛室，讓駕駛員清淅的看到吊點位置情況，可有效地預防和減少此類事故發生。

2? 系統整體設計

用單目視覺檢測塔吊吊鉤高度的視頻傳輸體系，及時顯示出檢測得到的吊鉤離地面高度以及相關視頻圖像信息。這種系統主要有視頻采集端、接收端組成，其中采集端主要安裝在塔吊吊鉤上，攝像頭垂直向下，以有效監控吊鉤下方工地情況，而接收端主要安裝在駕駛室內以方便駕駛員查看。這兩個終端由WiFi進行通信連接[1]。該系統工作流程：先有視頻采集端借助USB攝像頭采集視頻數據信息，進行圖像處理后計算出吊鉤離地面高度的各種信息，由無線網絡將數據信息輸送至視頻接收端口，最后在LCD屏幕上顯示出視頻、高度信息。

3? 硬件設計

整個系統的硬件由視頻采集終端、視頻接收終端組成，其中前者主要包括電源模塊、WiFi無線傳輸模塊、數據處理模塊以及視頻采集模塊等組成;而后者和視頻采集終端相比無視頻采集模塊，但增加了存儲模塊、LCD顯示屏等。其中采集模塊的構造如圖1所示。

系統工作原理：該系統采集端的USB攝像頭可將采集到的模擬視頻信號經視頻解碼器轉換成數字視頻信號，并將其輸入微處理器的視頻通道口處理，再經WiFi無線模塊將處理以后的各種數據信息發送至接收端口，在LCD顯示屏上面及時顯現出吊鉤高度信息。

（1）微處理模塊，主要根據三星公司設計的16/32 位RISC 微處理器，其最高主頻能達到667Mhz，屬于獨立的流水線設計，設計較特殊可以明顯改善視頻處理功能，集成多格式編解碼器，可以支持譯碼、VCI解碼等，是一個性能高、功耗低，成本低的處理器，適合用在視頻媒體上[2]。

（2）視頻采集模塊，用Omni Vision 公司生產的型號為OV9650的芯片當作CMOS數字圖像傳感器，這種芯片內部集成了數/模轉換器、圖像傳感器，可以為微處理模塊提供SCCB接口與Camera Interface接口。當光學圖像投射在圖像傳感器上，光學圖像信號會轉化成電信號，然后電信號經內部數/模轉換器轉化變成數字信號，數字信號在處理DSP芯片后經USB接口傳輸至開發板上面。而微處理器對內部寄存器進行讀寫控制芯片。

（3）WiFi無線傳輸模塊，這種模塊的設計能夠確保視頻數據實時傳輸，對H.264進行壓縮處理，其數據量非常大，故運用WiFi無線寬帶技術，通信寬帶分別為54Mb/s、11 Mb/s以及2 Mb/s，有良好的抗干擾性，適應能力強。WiFi無線模塊提供有SDIO、SPI接口，通過這兩個接口可以將傳輸過來的數據封裝起來，由網絡將各種信息輸送至遠程用戶端。系統無線網絡模塊采用的是雙排插針式接口，其中SDIO總線有兩個端口，即主機端口與設備端口，主機端口發出命令后，在設備端口進行解析。

4? 視頻采集流程

本系統采用Linux-2.6.38內核版本，能夠對USB Camera提供支持，當USB Camera符合相關標準，USB設備就能直接應用。其中V4L2屬于Linux內核中的通用視頻設備驅動，其Video設備在用戶控件調用各種ioctl對攝像頭實施控制，還能用mmap實施內存映射。在使用時需先打開設備文件，獲得設備信息，然后參照設備功能，輸入視頻，設置好視頻的制作方式與幀格式，再向驅動申請幀緩沖，而幀緩沖會映射到用戶空間，可直接操作采集幀[3]。將申請到的幀緩沖一律入列，為存放采集到的數據提供方便。然后采集視頻，并且列出已經采集到數據的幀緩沖，取得原始采集數據，最后將幀緩沖再次入列至對尾循環采集視頻數據，若停止采集則立即關閉視頻。

5? 單目視覺檢測吊鉤高度

在操作吊鉤的過程中，用二值化操作對吊鉤實施檢測分割，用局部自適應閾值法，按照像素臨塊的數值分布確定像素位置上面的二值化閾值，每個像素位置的二值化閾值并非固定不變，且主要由臨近的像素分布情況確定，亮度高的部位二值化閾值高，而亮度低的部位二值化閾值低，對吊鉤則更易精確地檢測識別[4]。該設計用的是自適應二值化閾值算法，需要先求出塊中加權和，減去param1，在整個設計過程中吊鉤顏色是黃色，且黃色像素較稀疏，依照訓練的自適應閾值，可檢測出吊鉤邊界，進一步識別出吊鉤具體位置。

單目視覺檢測技術是從二維圖像信息中取得的三維空間位置信息，需將三維場景投影至攝像機二維圖像平面上，用幾何關系判定被測物體在世界坐標體系的位置，以及其在成像點的數學關系，用小孔成像原理模擬出二者的投影關系。本文用的是針孔模型監測距離的方法進行分析的，被監測物體的特征點會在攝像機成像平面上投影形成幾何圖像。

6? 結語

盡管當前市場上有很多監控設備，但多數是以PC為平臺，缺少圖像處理功能，智能化程度很低，且其體積大，攜帶較困難，價格貴。本文設計的單目視覺塔吊監控系統是以ARM11平臺為基礎的，該系統融合了多種信息，可以監控塔吊吊鉤，測量高度，進而解決駕駛員視覺盲區難題，利于駕駛員及時掌控吊鉤高度信息，提升作業安全系數與效率。

參考文獻：

[1] 梁艷.基于OpenCV的ARM嵌入式網絡視頻監控系統[J].微型機與應用，2013（9）：121～122.

[2] 郗瑤穎.基于ARM11的單目視覺車距監測系統[J].計算機系統應用，2012（12）：103～104.

[3] 韓延祥.用于目標測距的單目視覺測量方法[J].光學精密工程，2011（5）：98～99.

[4] 趙春媛.基于ARM9的無線視頻監控系統設計與實現[J].計算機工程與設計，2012（2）：33.