季瑞松 張建良

摘 要：基于視頻和紅外測溫技術(shù)設(shè)計(jì)了一套適合實(shí)驗(yàn)室的在線設(shè)備安全監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括視頻和測溫雙目融合系統(tǒng)、可聯(lián)動智能插座系統(tǒng)和手機(jī)APP等部分24小時(shí)監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、測量設(shè)備的功率，以非接觸方式監(jiān)測對象的多點(diǎn)溫度，并能對設(shè)定的過溫和過載等危險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行斷電操作。用戶可以通過手機(jī)APP實(shí)時(shí)查看被監(jiān)測對象的視頻和關(guān)鍵點(diǎn)的溫度，借助該設(shè)備，用戶可以設(shè)置關(guān)鍵點(diǎn)位置的溫度閾值和設(shè)備的功率閾值，如果超過閾值，用戶手機(jī)APP就能收到報(bào)警信息，并在一定過溫時(shí)間后，切斷對象的供電電源。系統(tǒng)對設(shè)備的監(jiān)控?zé)o需破壞原設(shè)備的結(jié)構(gòu)，適合新設(shè)備研發(fā)階段的監(jiān)控并防止實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)的發(fā)生，具有較好的通用性和市場化潛力。

關(guān)鍵詞：視頻;紅外測溫;安全監(jiān)控;雙目融合;智能插座;報(bào)警

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

0 引 言

實(shí)驗(yàn)室一直以來都是高校安全檢查的重點(diǎn)場所。盡管如此，實(shí)驗(yàn)室安全事故仍層出不窮，并以火災(zāi)居多。如2015年

11月18日上午10點(diǎn)10分左右，清華大學(xué)何添樓231室發(fā)生火災(zāi)，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)一名博士后實(shí)驗(yàn)人員死亡;2016年4月14日凌晨2點(diǎn)多，湖北大學(xué)一實(shí)驗(yàn)室發(fā)生火災(zāi)，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(xué)院北區(qū)的學(xué)校圖書館發(fā)生火災(zāi)，著火點(diǎn)附近區(qū)域一片狼藉，著火部分的樓體已經(jīng)被熏黑，部分玻璃破碎，著火區(qū)域前面懸掛著不少電線，一旦發(fā)生事故后果不堪設(shè)想。除查閱文獻(xiàn)外，為了調(diào)研火災(zāi)的成因，走訪了諸多以消防工程為主的大型企業(yè)，了解到火災(zāi)的成因一半以上由用電設(shè)備引起，特別是在實(shí)驗(yàn)室，有很多開發(fā)過程中的樣機(jī)，在穩(wěn)定性測試過程中需要24 h不間斷運(yùn)行，特別是晚上無人值守時(shí)，存在極大的安全隱患。因此，設(shè)計(jì)一套適用于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備安全防護(hù)的在線監(jiān)控系統(tǒng)顯得尤為迫切[1-2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

首先，系統(tǒng)應(yīng)具備在線功能（網(wǎng)絡(luò)接入和視頻采集功能），無論何時(shí)何地，用戶都能夠看到設(shè)備運(yùn)行的視頻資料，并能通過手機(jī)APP訪問。其次，由于火災(zāi)發(fā)生的直接原因是溫度升高，導(dǎo)致易燃物起火，因此，系統(tǒng)應(yīng)具備非接觸式平面溫度監(jiān)測功能，并能通過APP設(shè)定被監(jiān)測點(diǎn)的溫度閾值。再次，系統(tǒng)應(yīng)能測量被監(jiān)控目標(biāo)的功率。在判斷為過功率、過溫等危險(xiǎn)的情況下，系統(tǒng)應(yīng)能進(jìn)行相關(guān)動作，包括切斷電源、聲光報(bào)警、遠(yuǎn)程報(bào)警等。

綜上，在線監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備如下特征：

（1）在線監(jiān)測;

（2）可見光視頻采集;

（3）非接觸式溫度采集;

（4）溫度閾值設(shè)置;

（5）可聯(lián)動，可控輸出、可測量功率的智能插座。

2 視頻和測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

視頻和測溫模塊是本系統(tǒng)開發(fā)的重點(diǎn)。主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

如下：

（1）支持POE方式供電，方便布線，網(wǎng)絡(luò)部分對外接口為RJ 45;

（2）集成嵌入式Web服務(wù)器，能被遠(yuǎn)程訪問;

（3）可見光圖像分辨率為1 600×1 200 pixel;

（4）平面測溫點(diǎn)數(shù)為16×4;

（5）具有與智能插座系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信的接口。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

基于以上設(shè)計(jì)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了如圖2所示的視頻和測溫系統(tǒng)框圖。

處理器選用意法半導(dǎo)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(dá)168 MHz，具有高達(dá)512 KB的FLASH空間和DSP，F(xiàn)PU等運(yùn)算單元，可以高效支持較為密集的運(yùn)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(shù)據(jù)的高效采集和實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)生產(chǎn)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(jié)省MCU處理圖像的開銷，適合嵌入式系統(tǒng)使用[5-6]。

測溫模塊選用美國邁來芯公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的MLX90621，該模塊是一個(gè)具有16×4 pixel的點(diǎn)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(biāo)，測溫精度達(dá)±1 ℃，完全滿足系統(tǒng)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(shè)計(jì)生產(chǎn)的SD4952B模塊，該模塊是一款兼容IEEE 802.3AF標(biāo)準(zhǔn)的PD和DC/DC控制器。該芯片的PD控制器部分為以太網(wǎng)供電系統(tǒng)（Power over Ethernet，POE）中的受電設(shè)備提供檢測、分級和浪涌限流等功能，內(nèi)部集成有耐壓100 V、導(dǎo)通電阻低至0.68 Ω的MOSFET。方案BOM成本低、可靠性高。

電源調(diào)理電路用于將POE模塊輸出的12 V電源轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)

視頻和測溫系統(tǒng)軟件使用C語言在Keil IDE環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)，未使用嵌入式操作系統(tǒng)。系統(tǒng)上電后，先進(jìn)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(shí)進(jìn)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(shè)計(jì)

智能插座模塊是本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將被監(jiān)控對象的電源輸入，接到智能插座的輸出面板上，當(dāng)被監(jiān)測系統(tǒng)過載或溫度超過設(shè)定閾值時(shí)，可切斷被監(jiān)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(zhuǎn)換為直流5 V輸出，供給單片機(jī)及控制計(jì)量電路。AC/DC電源為MPS公司設(shè)計(jì)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(jī)選用意法半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的STM8S003F3P6系列51單片機(jī)即可。該單片機(jī)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(xiàng)目需求。由于智能插座無需高精度的時(shí)鐘源，因此晶振部分采用內(nèi)部振蕩器，以節(jié)省外部晶振的成本[10]。

計(jì)量電路采用深圳合力為公司設(shè)計(jì)的HLW8032芯片，該芯片內(nèi)置頻率振蕩器、參考電壓源和電源監(jiān)控電路，能實(shí)時(shí)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(jī)通信，在1 000∶1的動態(tài)范圍內(nèi)，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(tǒng)進(jìn)行通信控制。需要注意的是，外部控制信號接入系統(tǒng)需要進(jìn)行光電隔離。

4 手機(jī)APP設(shè)計(jì)

手機(jī)端用來設(shè)定溫度閾值、接收過溫報(bào)警信號，并實(shí)時(shí)呈現(xiàn)設(shè)備圖像和溫度數(shù)據(jù)。APP在獲取圖像和溫度數(shù)據(jù)后，可以只顯示圖像，也可以對圖像數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，使溫度值疊加在圖像上，方便用戶直觀看到被測設(shè)備各點(diǎn)的溫度，為判斷設(shè)備是否處于安全運(yùn)行狀態(tài)提供依據(jù)。圖5所示為某實(shí)驗(yàn)室用本系統(tǒng)監(jiān)控大功率商用電磁爐樣機(jī)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(jī)電路中變壓器為最強(qiáng)的熱源，溫度超50 ℃。

5 結(jié) 語

從實(shí)驗(yàn)室安全角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一套適用于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備安全監(jiān)測的軟硬件系統(tǒng)，借助該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的24 h監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的安全隱患，并做相應(yīng)的處理，降低實(shí)驗(yàn)室發(fā)生火災(zāi)等危險(xiǎn)的概率。用戶能通過手機(jī)APP實(shí)時(shí)查看設(shè)備的運(yùn)行情況和關(guān)鍵部位的溫度情況。特別對于新研發(fā)的設(shè)備而言，配備一套類似的監(jiān)測設(shè)備十分必要。經(jīng)過測試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，用戶界面友好，得到了實(shí)驗(yàn)室同行的廣泛認(rèn)可。同時(shí)，系統(tǒng)選用的方案具有很高的性價(jià)比，推廣價(jià)值和市場潛力較大。

參 考 文 獻(xiàn)

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