李元韜 靳可 曹志宇

(1.呼和浩特鐵路局科研所,內(nèi)蒙古呼和浩特 010050;2.呼和浩特鐵路局信息技術(shù)所,內(nèi)蒙古呼和浩特 010050)

關(guān)于智能攝像機(jī)前端控制器裝置的研究與應(yīng)用

李元韜1靳可1曹志宇2

(1.呼和浩特鐵路局科研所,內(nèi)蒙古呼和浩特 010050;2.呼和浩特鐵路局信息技術(shù)所,內(nèi)蒙古呼和浩特 010050)

本文針對使用于鐵路系統(tǒng)的傳統(tǒng)攝像機(jī)由于頻繁修改其FLASH,而降低使用壽命的問題,研究并設(shè)計出全新裝置“智能攝像機(jī)前端控制器”裝置,把原來由攝像機(jī)自身輸出信號控制補(bǔ)光燈等相關(guān)設(shè)備的模式改變?yōu)橛伞爸悄軘z像機(jī)前端控制器”單獨(dú)控制。該裝置主要采用單片機(jī)控制、RS232總線以及光耦合器等相關(guān)技術(shù),實(shí)現(xiàn)自動控制補(bǔ)光燈,達(dá)到實(shí)時補(bǔ)光的目的。通過現(xiàn)場試驗(yàn)和運(yùn)用,結(jié)果表明,該裝置具有性能可靠穩(wěn)定、操作方便簡單的特點(diǎn),與傳統(tǒng)的控制方法相比,使用改進(jìn)后的裝置能夠極大地提高智能攝像機(jī)的使用壽命,減少設(shè)備更新的資金投入,同時減輕維護(hù)工作的勞動強(qiáng)度,提高工作效率,對智能攝像機(jī)正常運(yùn)行和列車運(yùn)輸安全具有重要意義。

智能攝像機(jī) 前端控制器 實(shí)時補(bǔ)光

1 問題的提出

隨著網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、高清化智能攝像機(jī)在交通、公安、銀行等眾多行業(yè)的廣泛應(yīng)用,人們對智能攝像機(jī)的需求日益增多,智能攝像機(jī)成為引領(lǐng)安防市場的一個重要方向。智能攝像機(jī)主要應(yīng)用于入侵檢測、人流統(tǒng)計、車流統(tǒng)計、車牌識別等方面,它能夠?qū)⑦\(yùn)行狀態(tài)實(shí)時圖像及智能設(shè)備的報警信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心,視頻監(jiān)控人員可通過圖像和相關(guān)信息進(jìn)行綜合分析處理。目前在鐵路系統(tǒng)內(nèi),智能攝像機(jī)廣泛使用于車號識別、安全監(jiān)控、機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)等方面。常用的傳統(tǒng)攝像機(jī)具有I/O控制接口,通過接口可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)光、抓圖以及控制云臺等相關(guān)功能,其中攝像機(jī)對I/O的控制是以通過修改FLASH中參數(shù)實(shí)現(xiàn),而FLASH的修改次數(shù)一般限制約為10萬次,所以頻繁使用這種控制方式將嚴(yán)重降低攝像機(jī)的使用壽命,根據(jù)呼和浩特鐵路局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看到,采用這種控制方式的攝像機(jī)其使用年限約為一年左右。因此,針對傳統(tǒng)攝像機(jī)使用壽命不高的問題,急需研究一種既可保證前端設(shè)備的可靠使用性,又不降低智能攝像機(jī)壽命的控制裝置。

2 總體設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

智能攝像機(jī)前端控制器裝置是通過接受智能攝像機(jī)的通信指令,利用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對補(bǔ)光燈的控制,使對補(bǔ)光燈相關(guān)設(shè)備的控制由攝像機(jī)輸出信號的控制,變?yōu)榭刂破鲉为?dú)控制,從而有效避免了由于頻繁修改攝像機(jī)的FLASH而造成其使用壽命縮短的問題,增加了攝像機(jī)的使用壽命,大大提高了前端設(shè)備的可控性能。

2.2 控制方式

智能攝像機(jī)前端控制器裝置能夠控制打開或結(jié)束智能攝像機(jī)的錄像功能,使其與補(bǔ)光燈實(shí)現(xiàn)同步。例如,當(dāng)車輛駛來時,機(jī)車的輪對就壓到磁鋼1,磁鋼1傳送信號到車號主機(jī),車號主機(jī)將信號發(fā)送到監(jiān)控主機(jī),監(jiān)控主機(jī)和智能攝像機(jī)通過傳輸數(shù)據(jù)、視頻及指令后,由智能攝像機(jī)給前端控制器相應(yīng)的脈沖信號,前端控制器通過單片機(jī)的輸出來控制光耦合器,進(jìn)而打開補(bǔ)光燈,使攝像機(jī)的拍攝頻率與補(bǔ)光燈的閃光燈同步,即使在夜間也能拍攝到清晰的圖像。當(dāng)最后一節(jié)車廂壓過后磁鋼2后,磁鋼2發(fā)送信號先后到車號主機(jī)和監(jiān)控主機(jī),監(jiān)控主機(jī)通過網(wǎng)線給攝像機(jī)發(fā)送關(guān)閉指令,攝像機(jī)同步關(guān)閉補(bǔ)光燈。補(bǔ)光燈的頻率來自智能攝像機(jī),因此智能攝像機(jī)可以實(shí)現(xiàn)不用修改FLASH而能達(dá)到與補(bǔ)光燈同步的效果?？傮w設(shè)計的控制方式如圖一所示。

圖二 智能攝像機(jī)前端控制器裝置的總體結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)構(gòu)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(jī)前端控制器裝置的軟件流程圖

智能攝像機(jī)前端控制器裝置主要組成部分有電源、單片機(jī)8051F320、開關(guān)等部件。電源轉(zhuǎn)換模塊主要功能是給單片機(jī)以及各個控制芯片提供供電,本裝置將來自智能攝像機(jī)的12V電壓,經(jīng)過三端穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成3．3V,然后為其供電。單片機(jī)是執(zhí)行預(yù)先編寫好的相關(guān)程序,從而實(shí)現(xiàn)對補(bǔ)光燈開啟與關(guān)閉的功能,本裝置使用C8051F320單片機(jī),主要是能夠?qū)崿F(xiàn)對控制電路板的通訊、光耦合器的開光等功能。開關(guān)部分的主要功能是執(zhí)行單片機(jī)發(fā)出的控制信號,實(shí)際上是執(zhí)行機(jī)構(gòu),它是采用信號芯片實(shí)現(xiàn)控制接通和斷開,本裝置的開關(guān)部分是光耦合器,它接受輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管,使之發(fā)出一定波長的光,被光探測器接收而產(chǎn)生光電流,再經(jīng)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?qū)崿F(xiàn)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(qiáng),工作穩(wěn)定,使用壽命長,傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 工作原理

該裝置由單片機(jī)控制補(bǔ)光燈的開啟和關(guān)閉。單片機(jī)端口實(shí)時監(jiān)聽智能攝像機(jī)發(fā)送的控制信號,如果單片機(jī)端口收到打開智能攝像機(jī)的脈沖信號,則說明有車輛通過,這時單片機(jī)輸出控制信號打開補(bǔ)光燈;此時單片機(jī)端口將繼續(xù)監(jiān)聽來自智能攝像機(jī)的控制信號,如果收到智能攝像機(jī)的關(guān)閉信號,說明車輛已完全通過,這時單片機(jī)輸出控制信號關(guān)閉補(bǔ)光燈。智能攝像機(jī)前端控制器裝置的總體結(jié)構(gòu)圖如圖二所示。

4 硬件設(shè)計與組成

智能攝像機(jī)前端控制器裝置的硬件主要由CPU、收發(fā)器、光耦合器、RS232串口通信和電源轉(zhuǎn)換模塊組成。

4.1 CPU

該裝置的CPU選用8051F320芯片,外圍需要設(shè)計通訊芯片對來自智能攝像機(jī)的信號進(jìn)行接收,然后進(jìn)行相應(yīng)的處理,輸出控制信號給補(bǔ)光燈,達(dá)到控制的目的。

4.2 收發(fā)器

該裝置的收發(fā)器是ADM3232E,±15kV ESD保護(hù)、3．3V、RS-232線路驅(qū)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(shù),可確保功耗達(dá)到絕對最低,從而使便攜式應(yīng)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(fā)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(shù)據(jù)字符轉(zhuǎn)換為連續(xù)的串行數(shù)據(jù)流發(fā)送出去,同時可將接受的串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為并行的數(shù)據(jù)字符供給CPU的器件。

4.5 電源轉(zhuǎn)換模塊

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

5 軟件設(shè)計

智能攝像機(jī)前端控制器裝置是在硬件的基礎(chǔ)上編寫程序,實(shí)現(xiàn)處理通信的目的,通過控制中心軟件能夠顯示控制結(jié)果,并能進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的調(diào)整,從而輸出特定的波形來控制補(bǔ)光燈,主要是處理打開和關(guān)閉這兩個信號。程序的具體流程是：當(dāng)磁鋼檢測到有列車通過時,智能攝像機(jī)打開,同時與控制器RS232進(jìn)行串口通信,單片機(jī)根據(jù)指令判斷是否打開光耦合器,如果有車通過則打開補(bǔ)光燈,反之則繼續(xù)等待指令信號,當(dāng)檢測到列車完全通過后,輸出關(guān)閉補(bǔ)光燈的指令,結(jié)束本次流程。軟件流程如圖三所示。

6 經(jīng)濟(jì)、社會效益

為了保證鐵路的安全運(yùn)營,視頻監(jiān)控攝像機(jī)得到了很多運(yùn)用。在特殊的場合,為安全有效監(jiān)控車輛的運(yùn)輸情況,需要配備一定數(shù)量的補(bǔ)光燈來增加視頻的清晰效果。采用傳統(tǒng)的控制方式會需要大量資金來更換設(shè)備。而改進(jìn)后的裝置采用單獨(dú)的控制器進(jìn)行控制,有效避免了由于頻繁修改智能攝像機(jī)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(jī)的使用壽命,減少了設(shè)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(jī)的防護(hù)罩中,延長了自身使用壽命。另外,該裝置可通過上位機(jī)控制,操作方便、使用簡單、性能穩(wěn)定、工作可靠,可以很大程度上減輕維修人員的勞動強(qiáng)度,提高工作效率。

7 結(jié)語

智能攝像機(jī)前端控制器裝置于2013年3月進(jìn)行了試驗(yàn)并研制成功,通過發(fā)送串口指令模擬現(xiàn)場環(huán)境試驗(yàn),取得了預(yù)計效果,達(dá)到了實(shí)時補(bǔ)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(shí)際工作現(xiàn)場的智能攝像機(jī)進(jìn)行了安裝,實(shí)現(xiàn)了智能攝像機(jī)前端控制器裝置現(xiàn)場自動控制補(bǔ)光燈。通過試驗(yàn)和現(xiàn)場運(yùn)行情況,說明智能攝像機(jī)前端控制器裝置能夠以單獨(dú)的控制方式實(shí)現(xiàn)直接控制現(xiàn)場補(bǔ)光燈,解決了FLASH重復(fù)刷新而降低智能攝像機(jī)使用壽命的問題,效果良好,達(dá)到了研究的目的。

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