塔吊“吊点”监控系统

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　　摘    要：塔吊在使用过程中，常常遇到驾驶员视线被遮挡，形成吊装盲区的现象。此时操作不当会酿成重大安全事故，当前工地上主要靠信号工打手势、旗语或对讲机对驾驶员沟通，不仅耗时费力，还难以保证安全。通过在吊钩上安装摄像头，将吊点位置图像传到驾驶室，让驾驶员清淅的看到吊点位置情况，有助于准确安全地完成吊装任务
　　关键词：塔吊;吊点;监控系统;视频传输;无线网络
　　1  引言
　　随着近年来建筑行业塔吊的大量使用，由于在没有看清吊物及周边环境情况下，盲目起吊，或在驾驶员视线盲区降落位置不当引发的安全事故频繁发生，造成了重大的生命财产损失。安全事故的经验教训表明，对塔吊吊点及周围环境及时进行有效的监测，将吊点位置图像传到驾驶室，让驾驶员清淅的看到吊点位置情况，可有效地预防和减少此类事故发生。
　　2  系统整体设计
　　用单目视觉检测塔吊吊钩高度的视频传输体系，及时显示出检测得到的吊钩离地面高度以及相关视频图像信息。这种系统主要有视频采集端、接收端组成，其中采集端主要安装在塔吊吊钩上，摄像头垂直向下，以有效监控吊钩下方工地情况，而接收端主要安装在驾驶室内以方便驾驶员查看。这两个终端由WiFi进行通信连接[1]。该系统工作流程：先有视频采集端借助USB摄像头采集视频数据信息，进行图像处理后计算出吊钩离地面高度的各种信息，由无线网络将数据信息输送至视频接收端口，最后在LCD屏幕上显示出视频、高度信息。
　　3  硬件设计
　　整个系统的硬件由视频采集终端、视频接收终端组成，其中前者主要包括电源模块、WiFi无线传输模块、数据处理模块以及视频采集模块等组成;而后者和视频采集终端相比无视频采集模块，但增加了存储模块、LCD显示屏等。其中采集模块的构造如图1所示。
　　系统工作原理：该系统采集端的USB摄像头可将采集到的模拟视频信号经视频解码器转换成数字视频信号，并将其输入微处理器的视频通道口处理，再经WiFi无线模块将处理以后的各种数据信息发送至接收端口，在LCD显示屏上面及时显现出吊钩高度信息。
　　（1）微处理模块，主要根据三星公司设计的16/32 位RISC 微处理器，其最高主频能达到667Mhz，属于独立的流水线设计，设计较特殊可以明显改善视频处理功能，集成多格式编解码器，可以支持译码、VCI解码等，是一个性能高、功耗低，成本低的处理器，适合用在视频媒体上[2]。
　　（2）视频采集模块，用Omni Vision 公司生产的型号为OV9650的芯片当作CMOS数字图像传感器，这种芯片内部集成了数/模转换器、图像传感器，可以为微处理模块提供SCCB接口与Camera Interface接口。当光学图像投射在图像传感器上，光学图像信号会转化成电信号，然后电信号经内部数/模转换器转化变成数字信号，数字信号在处理DSP芯片后经USB接口传输至开发板上面。而微处理器对内部寄存器进行读写控制芯片。
　　（3）WiFi无线传输模块，这种模块的设计能够确保视频数据实时传输，对H.264进行压缩处理，其数据量非常大，故运用WiFi无线宽带技术，通信宽带分别为54Mb/s、11 Mb/s以及2 Mb/s，有良好的抗干扰性，适应能力强。WiFi无线模块提供有SDIO、SPI接口，通过这两个接口可以将传输过来的数据封装起来，由网络将各种信息输送至远程用户端。系统无线网络模块采用的是双排插针式接口，其中SDIO总线有两个端口，即主机端口与设备端口，主机端口发出命令后，在设备端口进行解析。
　　4  视频采集流程
　　本系统采用Linux-2.6.38内核版本，能够对USB Camera提供支持，当USB Camera符合相关标准，USB设备就能直接应用。其中V4L2属于Linux内核中的通用视频设备驱动，其Video设备在用户控件调用各种ioctl对摄像头实施控制，还能用mmap实施内存映射。在使用时需先打开设备文件，获得设备信息，然后参照设备功能，输入视频，设置好视频的制作方式与帧格式，再向驱动申请帧缓冲，而帧缓冲会映射到用户空间，可直接操作采集帧[3]。将申请到的帧缓冲一律入列，为存放采集到的数据提供方便。然后采集视频，并且列出已经采集到数据的帧缓冲，取得原始采集数据，最后将帧缓冲再次入列至对尾循环采集视频数据，若停止采集则立即关闭视频。
　　5  单目视觉检测吊钩高度
　　在操作吊钩的过程中，用二值化操作对吊钩实施检测分割，用局部自适应阈值法，按照像素临块的数值分布确定像素位置上面的二值化阈值，每个像素位置的二值化阈值并非固定不变，且主要由临近的像素分布情况确定，亮度高的部位二值化阈值高，而亮度低的部位二值化阈值低，对吊鉤则更易精确地检测识别[4]。该设计用的是自适应二值化阈值算法，需要先求出块中加权和，减去param1，在整个设计过程中吊钩颜色是黄色，且黄色像素较稀疏，依照训练的自适应阈值，可检测出吊钩边界，进一步识别出吊钩具体位置。
　　单目视觉检测技术是从二维图像信息中取得的三维空间位置信息，需将三维场景投影至摄像机二维图像平面上，用几何关系判定被测物体在世界坐标体系的位置，以及其在成像点的数学关系，用小孔成像原理模拟出二者的投影关系。本文用的是针孔模型监测距离的方法进行分析的，被监测物体的特征点会在摄像机成像平面上投影形成几何图像。
　　6  结语
　　尽管当前市场上有很多监控设备，但多数是以PC为平台，缺少图像处理功能，智能化程度很低，且其体积大，携带较困难，价格贵。本文设计的单目视觉塔吊监控系统是以ARM11平台为基础的，该系统融合了多种信息，可以监控塔吊吊钩，测量高度，进而解决驾驶员视觉盲区难题，利于驾驶员及时掌控吊钩高度信息，提升作业安全系数与效率。
　　参考文献：
　　[1] 梁艳.基于OpenCV的ARM嵌入式网络视频监控系统[J].微型机与应用，2013（9）：121～122.
　　[2] 郗瑶颖.基于ARM11的单目视觉车距监测系统[J].计算机系统应用，2012（12）：103～104.
　　[3] 韩延祥.用于目标测距的单目视觉测量方法[J].光学精密工程，2011（5）：98～99.
　　[4] 赵春媛.基于ARM9的无线视频监控系统设计与实现[J].计算机工程与设计，2012（2）：33.
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