基于FPGA的智能火灾报警系统的设计和研究.pdf

基于FPGA的智能火灾报警系统的设计与研究 Design and Research of Intelligent Fire Alarm System Based on FPGA 董雪 费建军 白娇杨 （天津市电视技术研究，邮编：300191，电话：022 摘要：火灾给人类的生命和财产安全造成了巨大的威胁。火灾的发生不仅给社会生活造成极大的破坏，而且造成的损失和危 害程度也相当大。为了避免火灾漏报误报，基于视频的智能火灾报警系统引起了人们的重视。本文设计了一种 FPGA 的硬件 系统结构，利用火灾图像独有的特征，采用边缘面积值绝对差检测算法、RGB火灾判断规则算法及其火灾怀疑区域的平均灰 度值绝对差算法对火灾进行判别。并且在Nios II IDE环境下采用C语言对FFT快速傅里叶变换等火灾检测算法进行了编程 并调试，使设计更加灵活。该系统稳定可靠，通用性强，提高了火灾探测的实时性、准确性。 关键字：火灾检测 视频 FPGA SOPC Nios II 1 引言 火灾对人类危害巨大，若能在火灾发生初期就进行识别报警，则可以减少各种损失。目前，火灾检测 算法的研究多数基于计算机平台[1],而实际的火灾监控环境都相当恶劣，相应要求低功耗、高适应性、低成 本、高集成度等嵌入平台的火灾检测系统.因此有很多的火灾检测系统是基于ARM 和 DSP 。它们的外部接 口丰富，便于采集控制，再配上操作系统大大缩短了产品开发周期。但是设计缺乏灵活性、升级困难的缺 点使它们受到了很大限制；而基于 FPGA[2] 的火灾检测系统以它独特的优势迅速发展起来，它的速度快、 集成度高、开发周期短、可重载性强。这种检测系统是以一片大容量的 FPGA 为主要平台,它可以采用软硬 件协同设计的方式，利用硬件来采集图像数据，实现火灾检测算法以满足其时实性和可靠性要求，还能进 行现场设计、现场编程、现场配置、现场修改、现场验证。 2 系统总体设计 本文设计了基于 FPGA 的智能火灾报警系统。具体作用是监控当前监控环境中是否有火灾发生。在监 控环境有火灾的情况下，系统将通过音响设备和 8 个绿色led 灯来产生报警信号和火灾等级信号通知监控 人员进行处理。它的工作过程是采用图像传感器对环境信息进行实时采集，将采集的图像在显示器上进行 显示，运用火灾检测算法对图像传感器采集来的图像数据进行判断。结果表明，该系统能有效地监测火灾 发生，具有较好的实时性，并且降低了成本，减少了误报率且具有监控范围广、响应快等优点。 根据系统所要完成的功能，本系统的功能图如图 1 所示。 图1 功能图 通过对系统需求分析，基于 FPGA 的智能火灾报警系统主要可以分为以下四个部分：图像采集、缓存、 图像显示和火灾检测。 由此可见，基于 FPGA 的智能火灾报警系统大体分为四个模块： (1) 图像采集模块 (2) SDRAM 模块 (3) 图像显示模块 (4) 智能火灾报警算法模块 图像采集模块主要用来驱动图像传感器，并从摄像头采集数据，同时将采集到的数据转换成的相应要 求的图像处理格式（如 RGB 格式、YUV 格式等），并将数据送到 SDRAM 模块。SDRAM 模块主要作为图像传感 器和显示器的缓存，通过四端口 SDRAM 控制器将图像传感器采集来的数据存储在 SDRAM 中，然后作为图像 显示模块的缓存，提供图像显示模块的图像数据。图像显示模块负责读取 SDRAM的图像数据并按一定的显 示模式进行图像显示。火灾检测算法模块是根据显示模块的时钟和图像采集的频率来进行同步，然后对采 集到的图像数据进行相应火灾检测算法的处理。在这部分里涉及到 FPGA 的使用都是使用 Verilog HDL 硬 件语言进行编写或调用 Quartus 内部IP 核完成设计。 2.1 图像采集模块 图像采集模块，主要是驱动 CMOS 图像传感器，将图像传感器采集到的监控环境图像数据由 Bayer 格 式转换为 RGB 格式，接着将其存储到 SDRAM 中。图像采集模块