双目成像测控系统开发及其在实验室中的应用

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　　摘 要：基于视频和红外测温技术设计了一套适合实验室的在线设备安全监控系统，该系统包括视频和测温双目融合系统、可联动智能插座系统和手机APP等部分24小时监测设备的运行状态、测量设备的功率，以非接触方式监测对象的多点温度，并能对设定的过温和过载等危险状态进行断电操作。用户可以通过手机APP实时查看被监测对象的视频和关键点的温度，借助该设备，用户可以设置关键点位置的温度阈值和设备的功率阈值，如果超过阈值，用户手机APP就能收到报警信息，并在一定过温时间后，切断对象的供电电源。系统对设备的监控无需破坏原设备的结构，适合新设备研发阶段的监控并防止实验室火灾的发生，具有较好的通用性和市场化潜力。
　　关键词：视频;红外测温;安全监控;双目融合;智能插座;报警
　　中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）02-00-03
　　0 引 言
　　实验室一直以来都是高校安全检查的重点场所。尽管如此，实验室安全事故仍层出不穷，并以火灾居多。如2015年
　　11月18日上午10点10分左右，清华大学何添楼231室发生火灾，现场发现一名博士后实验人员死亡;2016年4月14日凌晨2点多，湖北大学一实验室发生火灾，无人员伤亡，该楼5楼的一排窗户玻璃被烧坏，墙壁和6楼窗户被熏黑。2018年10月8日凌晨，郑州市中原路与桐柏路交叉口附近的郑州市中原工学院北区的学校图书馆发生火灾，着火点附近区域一片狼藉，着火部分的楼体已经被熏黑，部分玻璃破碎，着火区域前面悬挂着不少电线，一旦发生事故后果不堪设想。除查阅文献外，为了调研火灾的成因，走访了诸多以消防工程为主的大型企业，了解到火灾的成因一半以上由用电设备引起，特别是在实验室，有很多开发过程中的样机，在稳定性测试过程中需要24 h不间断运行，特别是晚上无人值守时，存在极大的安全隐患。因此，设计一套适用于实验室设备安全防护的在线监控系统显得尤为迫切[1-2]。
　　1 系统总体设计
　　首先，系统应具备在线功能（网络接入和视频采集功能），无论何时何地，用户都能够看到设备运行的视频资料，并能通过手机APP访问。其次，由于火灾发生的直接原因是温度升高，导致易燃物起火，因此，系统应具备非接触式平面温度监测功能，并能通过APP设定被监测点的温度阈值。再次，系统应能测量被监控目标的功率。在判断为过功率、过温等危险的情况下，系统应能进行相关动作，包括切断电源、声光报警、远程报警等。
　　综上，在线监控系统应具备如下特征：
　　（1）在線监测;
　　（2）可见光视频采集;
　　（3）非接触式温度采集;
　　（4）温度阈值设置;
　　（5）可联动，可控输出、可测量功率的智能插座。
　　2 视频和测温系统设计
　　视频和测温模块是本系统开发的重点。主要设计指标
　　如下：
　　（1）支持POE方式供电，方便布线，网络部分对外接口为RJ 45;
　　（2）集成嵌入式Web服务器，能被远程访问;
　　（3）可见光图像分辨率为1 600×1 200 pixel;
　　（4）平面测温点数为16×4;
　　（5）具有与智能插座系统实时通信的接口。
　　2.1 硬件设计
　　基于以上设计指标，设计了如图2所示的视频和测温系统框图。
　　处理器选用意法半导体ARM芯片，型号为STM32F407VET6，该芯片是高性能的32位Cortex-M4 RISC芯片，主频达168 MHz，具有高达512 KB的FLASH空间和DSP，FPU等运算单元，可以高效支持较为密集的运算。另外，该芯片还具有UART，I2C，SPI，CSI，MII等接口，可以完成图像和温度数据的高效采集和实时传输[3-4]。
　　摄像头模组选用深圳市鸿嘉光显科技有限公司设计生产的OV2640高清摄像头模组，该模组的图像传感器采用OV2640，分辨率为1 600×1 200 pixel，接口为CSI。OV2640模组直接输出JPEG格式的图像，可以大大节省MCU处理图像的开销，适合嵌入式系统使用[5-6]。
　　测温模块选用美国迈来芯公司设计生产的MLX90621，该模块是一个具有16×4 pixel的点阵式红外温度传感器，供电电压为3 V，具有60°视角，提供I2C通信接口，易与处理器通信，无需接触被测目标，测温精度达±1 ℃，完全满足系统的测温需求[7-9]。
　　POE模块采用杭州士兰微电子股份有限公司设计生产的SD4952B模块，该模块是一款兼容IEEE 802.3AF标准的PD和DC/DC控制器。该芯片的PD控制器部分为以太网供电系统（Power over Ethernet，POE）中的受电设备提供检测、分级和浪涌限流等功能，内部集成有耐压100 V、导通电阻低至0.68 Ω的MOSFET。方案BOM成本低、可靠性高。
　　电源调理电路用于将POE模块输出的12 V电源转换为处理器、摄像头模组和测温模组工作所需的直流电源。
　　2.2 软件设计
　　视频和测温系统软件使用C语言在Keil IDE环境下进行开发，未使用嵌入式操作系统。系统上电后，先进行硬件初始化，获取IP地址，之后侦听Query广播包，如果接收到广播包并握手成功后，分时进行可见光图像和红外图像的传输。程序流程如图3所示。
　　3 智能插座模块设计
　　智能插座模块是本系统的执行机构，将被监控对象的电源输入，接到智能插座的输出面板上，当被监测系统过载或温度超过设定阈值时，可切断被监控对象的电源。智能插座模块的框图如图4所示。
　　智能插座模块采用非隔离AC/DC电源，将交流220 V转换为直流5 V输出，供给单片机及控制计量电路。AC/DC电源为MPS公司设计的MP150，该方案的5 V输出电流为60 mA。 　　由于控制逻辑比较简单，因此单片机选用意法半导体设计的STM8S003F3P6系列51单片机即可。该单片机具有
　　8 KB FLASH，主频为16 MHz，具有简单的20管脚封装，完全能满足项目需求。由于智能插座无需高精度的時钟源，因此晶振部分采用内部振荡器，以节省外部晶振的成本[10]。
　　计量电路采用深圳合力为公司设计的HLW8032芯片，该芯片内置频率振荡器、参考电压源和电源监控电路，能实时测量有功功率、有效电流和有效电压，采用UART的方式同单片机通信，在1 000∶1的动态范围内，具有0.5%以上的测量精度，且无需校正，使用方便、可靠[11-12]。
　　外部通信控制接口用于和视频测温系统进行通信控制。需要注意的是，外部控制信号接入系统需要进行光电隔离。
　　4 手机APP设计
　　手机端用来设定温度阈值、接收过温报警信号，并实时呈现设备图像和温度数据。APP在获取图像和温度数据后，可以只显示图像，也可以对图像数据和温度数据进行融合，使温度值叠加在图像上，方便用户直观看到被测设备各点的温度，为判断设备是否处于安全运行状态提供依据。图5所示为某实验室用本系统监控大功率商用电磁炉样机电路的APP截图。其中，图5（a）为只显示图像的截图;图5（b）为图像、温度融合后的截图。从图片可以看出，该样机电路中变压器为最强的热源，温度超50 ℃。
　　5 结 语
　　从实验室安全角度出发，设计了一套适用于实验室设备安全监测的软硬件系统，借助该系统可以实现设备的24 h监控，及时发现设备存在的安全隐患，并做相应的处理，降低实验室发生火灾等危险的概率。用户能通过手机APP实时查看设备的运行情况和关键部位的温度情况。特别对于新研发的设备而言，配备一套类似的监测设备十分必要。经过测试，系统运行稳定，用户界面友好，得到了实验室同行的广泛认可。同时，系统选用的方案具有很高的性价比，推广价值和市场潜力较大。
　　参 考 文 献
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