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基于FPGA的火灾烟雾检测系统的设计与实现

2020-12-11阅读(1044)

基于FPGA的火灾烟雾检测系统的设计与实现

论文摘要

火灾严重的威胁着人类的生命财产安全,如果能够在火灾发生早期就发出报警,则能够最大程度地降低火灾的危害。目前图像型火灾识别技术大致可以分为两类,基于火灾烟雾的方法和基于火灾火焰的方法,它们是以分析火焰和烟雾的颜色和运动信息为基础的。烟雾是火灾的前兆和伴随产物,而且相对于火灾发生源及火焰,烟雾图像可以更加容易地进入摄像机的视场范围。因此可以在火灾发生的最初阶段做出迅速反应,有利于实现火灾的早期预报和控制。基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)的系统,充分利用硬件上的特性可以满足高速图像处理的需要。加上使用SOPC(System On a Programmable Chip)技术可使设计灵活、软硬件可在线编程及更新。本文设计了一个基于FPGA的火灾烟雾检测系统,以Altera公司的DE2开发板为硬件平台,配合以CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补氧化金属半导体)图像传感器对环境进行实时监控,VGA(Video Graphic Array,显示绘图阵列)显示器对监控环境进行显示,当监控环境内有火灾烟雾发生时,本系统将通过耳机发出声音报警同时也在DE2的板子上以绿色LED灯联合报警。烟雾检测系统的实现采用模块化的方法,在系统总体需求分析基础上,设计和实现了各个模块,包括图像采集模块,SDRAM数据缓存(Synchronous Dynamic RAM,同步动态随机存取存储器)模块,图像显示模块和烟雾检测模块,其中烟雾检测模块是系统的核心,关系到系统的性能。烟雾检测的实现是采用软硬件协同设计方式的,首先运用帧间差分、腐蚀和膨胀算法,用Verilog语言编程实现疑似烟雾区域的提取,硬件算法实现疑似烟雾区域的提取保证了对视频数据处理的实时性；然后对提取出的疑似烟雾区域进行烟雾扩散特征和烟雾区域整体稳定移动特征的检测;最后利用SOPC Builder搭建smokedetect模块,将CMOS摄像头采集到的数据读取到SRAM中,以搭建的smokedetect模块为硬件模块,在Nios Ⅱ IDE环境下采用C语言对基于二维离散小波变换的烟雾背景模糊特征进行编程并调试。经过一段时间的调试和运行,系统满足了实时的烟雾检测。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 目录
  • 第1章 绪论
  • 1.1 课题的研究背景
  • 1.2 课题国内外研究现状
  • 1.2.1 基于传感器的烟雾检测系统
  • 1.2.2 基于视频的烟雾检测系统
  • 1.3 课题研究意义
  • 1.4 论文的组织结构
  • 第2章 相关知识介绍
  • 2.1 烟雾疑似区域提取
  • 2.1.1 图像灰度化
  • 2.1.2 帧间差分
  • 2.1.3 数学形态学
  • 2.2 烟雾特征提取
  • 2.2.1 烟雾静态特征
  • 2.2.2 烟雾动态特征
  • 2.3 系统硬件开发平台
  • 35开发板'>2.3.1 DE235开发板
  • 2.3.2 CMOS图像传感器
  • 2.4 系统软件开发平台
  • 2.4.1 QuartusⅡ软件平台
  • 2.4.2 Nios Ⅱ IDE软件平台
  • 2.5 本章小结
  • 第3章 烟雾检测系统总体设计
  • 3.1 系统功能概述
  • 3.2 系统模块构建
  • 3.3 系统硬件设计
  • 3.4 系统软件设计
  • 3.5 系统总体架构
  • 3.6 本章小结
  • 第4章 烟雾检测系统的设计与实现
  • 4.1 图像采集模块
  • 4.1.1 I2C传感器配置模块
  • 4.1.2 CMOS传感器数据采集模块
  • 4.1.3 Bayer格式转RGB格式模块
  • 4.2 SDRAM数据缓存模块
  • 4.3 图像显示模块
  • 4.4 烟雾检测模块
  • 4.4.1 烟雾疑似区域提取
  • 4.4.2 烟雾扩散特征
  • 4.4.3 烟雾区域稳定移动
  • 4.4.4 烟雾导致背景模糊特征
  • 4.5 本章小结
  • 第5章 系统调试及运行结果
  • 5.1 系统调试
  • 5.1.1 硬件调试
  • 5.1.2 软件调试
  • 5.2 遇到的问题及解决方法
  • 5.3 系统运行结果
  • 5.4 系统性能测试
  • 5.5 系统主要性能参数
  • 5.6 本章小结
  • 第6章 结论
  • 6.1 论文工作总结
  • 6.2 未来工作展望
  • 参考文献
  • 致谢

    • 相关论文文献

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