[0001] 本实用新型涉及无人机智能监测和通信技术领域，具体涉及一种基于FPGA和ARM 的燃气泄漏失火无人机智能监测和处理系统。

[0002] 我国是矿产资源大国，得益于丰富的矿产资源，我国工业发展迅速。自上世纪七八十年代以来，各类化工厂拔地而起，带动周边地区建设发展，也为我国经济的腾飞不断注入动力。然而，化工原材料多为易燃物，近年来，由于燃气泄漏所引发的火灾及爆炸灾难令人黯然神伤。化工燃气泄漏引发的火灾贻害无穷，第一、化工厂火灾会产生大量如二氧化硫、二氧化氮和可吸入颗粒物等有害气体，危害人体健康的同时造成大气污染。第二、引发雾霾，燃气泄漏失火是雾霾产生的主要诱因之一。第三、燃气泄漏失火引起的烟雾会乘风飘散，降低能见度，从而导致交通事故的发生。同时也会由于火势的无法控制，引燃周围的其他易燃物体，导致更大面积火灾的发生。第五、大面积燃气泄漏所引发的失火会将地表的微生物烧死，破坏土壤结构和生态平衡，导致农田质量下降，收成降低。因此燃气泄漏失火所导致的危害已经成为公众密切关注的社会和环境问题。

[0003] 传统的无人机监控系统只是实现了监控的功能并没有进行实时有效的处理。我国主要通过在各化工厂安装烟雾与火警传感器，在发出烟雾报警与火灾报警时发动人工救火救灾。但是传统的报警—抢救方案仍需要经过一定的时间进行救火部署，不仅存在延误救援的可能性，还需要耗费大量的人力物力，对消防人员的安全也没有绝对的保障。实用新型内容

[0004] 实用新型目的：针对目前化工厂密集分布的现状及国内燃气泄漏失火处理技术实时性差、流程繁琐，监测次数有限和消防人员存在安全隐患的问题，本实用新型提出一种基于FPGA和ARM的燃气泄漏失火无人机智能监测与处理系统。本系统具有更加便捷，灵活度更高的优点，降低了燃气泄漏失火监控的复杂度，提高了图像处理的速率，提高测量效率的同时降低救援成本，降低消防人员的安全隐患。

[0005] 技术方案：为实现本实用新型的目的，本实用新型所采用的技术方案是：

[0006] 一种基于FPGA和ARM的燃气泄漏失火无人机智能监测和处理系统，采用无人机作为搭载系统平台，搭载硬件包括ARM开发板、图像处理单元、通信单元、红外传感单元、定位单元和自控阀门；

[0007] 所述ARM开发板，用于接收红外传感单元采集到的烟雾数据以及图像处理单元传递的图像数据，并根据烟雾数据和图像数据控制自控阀门的开闭；

[0008] 所述图像处理单元包含CMOS图像传感器、SDRAM以及FPGA芯片，所述CMOS 图像传感器将采集到的数据传输至FPGA，所述FPGA芯片用于对采集到的图像数据进行处理，FPGA和ARM通过外部总线连接，即将FPGA映射成一段存储器进行访问， FPGA将处理后的数据传输给ARM芯片，并将处理后的数据存入SDRAM；

[0009] 所述通信单元采用4G通信模块，用于通过4G网络与后台服务器连接，并通过USB 接口与ARM芯片进行数据通信；

[0010] 所述红外传感单元包括与ARM相连接的红外传感器，用于采集烟雾数据；

[0011] 所述定位单元包括与ARM相连接的北斗差分定位模块和定位天线；

[0012] 所述自控阀门，用于接收ARM发送的使能信号，通过开闭阀门控制灭火装置；

[0013] 所述无人机，采用电子围栏系统，用于动态实时生成安全边界，接收定位信息并根据定位信息悬停在燃气泄漏失火区域上空。

[0014] 进一步的，为了实现本实用新型的图像信息实时处理以及传输的功能，利用多芯片的优点，采用ARM处理器和可编程逻辑器件FPGA的结合，ARM选用的是SAMSUNG 的S5P6818芯片，FPGA选用cycloneⅣ系列的EP4CE30F23C8N作为图像处理芯片，可以进行高速的数据的采集和存储。

[0015] 进一步的，为了实现本实用新型的无线长距离传输的功能，所述通信单元选用龙尚科技的U8300C作为4G通信模块；该通信模块是全网通，不受制于运营商的限制而且通信信号稳定。该4G传输方式性能稳定，并且传输的数据量大，能够实现实时传输视频图像的功能。

[0016] 本实用新型无人机作业时采用了电子围栏软件系统，动态实时生成安全边界，系统设计为多用户平台，在监视某一架无人机作业监控时，在电子地图上显示该作业边界和该无人机的飞行轨迹。当监测到燃气泄漏失火时，FPGA计算出燃气泄漏失火的面积在设定的可控燃火面积范围之内时，根据北斗定位模块的高精度定位信息，将无人机悬停在燃气泄漏失火区域的上空，打开自控阀门进行灭火处理，其中采用的灭火剂可以视实际情况而定。

[0017] 本实用新型工作原理如下：首先对大面积化工区进行巡航，通过ARM控制的红外传感器进行烟雾监测的同时，CMOS图像传感器采集到数据后进行存储。当烟雾传感器检测到烟雾时，FPGA根据帧率在当前时间点从SDRAM里取出图片数据进行处理。处理的步骤是：首先对无人机获取到的图像进行从RGB空间转换至YCbCr颜色空间的白平衡处理，同时将图像进行分块处理，采用动态阈值法来监测白点，通过Von Kries模型来调整图像的每个像素值。然后对图像使用基于代价函数的粗透射率图法来增强对比度，接着对图像进行融合，继而将图像进行颜色空间转换，即将HSV颜色空间模型中的V分量进行自动色阶处理，得到去雾图像。对原图像设置阈值，将失火地区与未起火地区进行区分。最后通过对图像的二值化处理将失火的面积计算出来并设置面积阈值来判断燃气泄漏失火的火势是否在可以控制的范围内。

[0018] FPGA将处理完的数据传输给ARM芯片。ARM处理接收到的烟雾数据以及接受 FPGA芯片传递的图像数据并根据数据控制自控阀门的开闭，若火势在可控范围之内， ARM发出使能信号至自控阀门，通过灭火装置进行灭火处理。4G通信模块U8300C通过USB接口和ARM芯片进行通信，通过4G模块将数据传输到后台服务器。通过北斗定位确定燃气泄漏失火地点的位置信息。

[0019] 有益效果：与现有技术相比，本实用新型的技术方案具有以下有益的技术效果：

[0020] 本实用新型具有低成本、高性能、低功耗和体积小的优点以及较强的人机交互能力与可移植性；满足高速采集状态下高帧数图像的采集；定位精确；实用性强，操作简便，灵活性高，更加智能和符合实际的操作要求。

[0021] 本实用新型可以在燃气泄漏失火初期对燃气泄漏失火面积进行有效的计算，并通过差分定位对失火地点进行高精度定位，最后通过智能灭火系统对燃气泄漏失火进行有效的灭火处理。结合现代电子技术、传感器技术、北斗定位技术、4G通信技术与无人机救援技术设计，相比于传统监测救援能有效地简化测量流程，大大提高测量效率的同时降低救援成本，免除消防人员的安全隐患。

[0028] 下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步的说明。

[0029] 本实用新型所述的一种基于FPGA和ARM的燃气泄漏失火无人机智能监测与处理系统，图1是系统结构原理示意图，采用无人机作为搭载系统平台，包括ARM、图像处理单元、通信单元、红外传感单元、定位单元和自控阀门。所述ARM开发板，用于接收红外传感单元采集到的烟雾数据以及图像处理单元传递的图像数据，并根据烟雾数据和图像数据控制自控阀门的开闭。所述图像处理单元包含CMOS图像传感器、SDRAM 以及FPGA芯片，所述CMOS图像传感器将采集到的数据传输至FPGA，所述FPGA芯片用于对采集到的图像数据进行处理，FPGA和ARM通过外部总线连接，即将FPGA 映射成一段存储器进行访问，FPGA将处理后的数据传输给ARM芯片，并将处理后的数据存入SDRAM。所述通信单元采用4G通信模块，用于通过4G网络与后台服务器连接，并通过USB接口与ARM芯片进行数据通信；所述红外传感单元包括与ARM相连接的红外传感器，用于采集烟雾数据。所述定位单元包括与ARM相连接的北斗差分定位模块和定位天线。所述自控阀门，用于接收ARM发送的使能信号，通过开闭阀门控制灭火装置。所述无人机，采用电子围栏系统，用于动态实时生成安全边界，接收定位信息并根据定位信息悬停在燃气泄漏失火区域上空。

[0030] 本实施例中，为了实现本实用新型的图像信息实时处理以及传输的功能，利用多芯片的优点，采用ARM处理器和可编程逻辑器件FPGA的结合，ARM选用的是SAMSUNG 的S5P6818芯片，FPGA选用cycloneⅣ系列的EP4CE30F23C8N作为图像处理芯片，可以进行高速的数据的采集和存储。为了实现本实用新型的无线长距离传输的功能，所述通信单元选用龙尚科技的U8300C作为4G通信模块；该通信模块是全网通，不受制于运营商的限制而且通信信号稳定；该4G传输方式性能稳定，并且传输的数据量大，能够实现实时传输视频图像的功能。

[0031] 本实用新型的无人机在对燃气泄漏失火进行巡航时，FPGA会对CMOS图像传感器采集到农田数据存储到SDRAM中，同时实时通过ARM控制的红外传感器对地面燃气泄漏失火状况进行处理，当监测到有烟雾或者着火点时，会发送一个使能信号给FPGA 芯片，FPGA对相应时间点存储到SDRAM中的图像进行处理，并将处理好的图像数据发送至ARM，通过ARM控制的4G模块将图像数据和北斗定位信息发送到后台服务器，通过后台服务器的上位机实时显示燃气泄漏失火去烟雾图像和北斗定位失火点信息。

[0032] 图2是当监测到有烟雾或有失火点时FPGA进行图像处理的流程图。虽然不需要对每一秒图像进行处理，但是该过程仍需要处理大量的数据，在保证实时性的情况下，这对硬件提出较高的要求。本系统采用的cycloneⅣ系列的EP4CE30F23C8N型号的FPGA 芯片具有强大的并行处理功能，并且资源丰富引脚充足，非常适合进行复杂的图像处理工作。FPGA模块分别对CMOS采集到的图像进行白平衡处理、图像融合、HSV空间转换以及V分量自动色阶处理，从而得到复原图像即去烟雾后的图像。

[0033] 图3是ARM处理器和FPGA的互联设计图。ARM处理器集成了丰富分外设接口，本实用新型所述系统采用ARM CPU外部总线接口，即通过外部总线方式连接ARM和 FPGA，将FPGA映射成系统的一段存储器进行访问。本系统所使用的SAMSUNG公司的S5P6818核心处理器外部总线的数据线DATA[0:31]，地址线ADDR[1:4]，读写信号 nOE,nWE，片选信号nGCS3连接到FPGA的I/O管脚。

[0034] 如图4所示为FPGA芯片与SDRAM的引脚连接部分。SD_CLK连接FPGA的 PIN_U1。SD_CKE是25MHz频率的时钟信号，作为SDRAM的时钟使能信号，连接FPGA 的PIN_V2。SD_CS,SD_WE,SD_CAS,SD_RAS都是低电平有效，分别连接PIN_P5， PIN_N5,PIN_P7,PIN_P6。P_A0～P_A11分别是SDRAM的地址输入，分别连接FPGA的PIN_R5,PIN_T5,PIN_T4,PIN_T3,PIN_V3,PIN_V4,PIN_AA1,PIN_Y1,PIN_Y2,PIN_W1,PI N_R7,PIN_W2。BA0和BA1是SDRAM的信号使能，分别连接FPGA的PIN_P4和PIN_P3。 DQ0～DQ15的引脚是并口的双向数据总线，由于本系统所使用的图像数据是RGB565，即P-D0～P-D15分别连接FPGA的P-L7,P-L6,P-M7,P-M6,P-M5,P-M4,P-M3,P-N7,P-R1, P-R2,P-P1,P-P2,P-N1,P-N2,P-M1和P-M2。

[0035] 图5是4G模块芯片U8300C引脚连接图，U8300C通过USB接口与S5P6818主控芯片连接。其中U8300C通过USIM接口与SIM卡连接。USIM_DATA、USIM_VCC、 USIM_CLK、USIM_RESET分别与S5P6818上的SIM_DATA、SIM_VCC、SIM_CLK、 SIM_RST连接，分别实现数据交互、对SIM卡的供电、工作时钟的提供和复位的功能。 MCU_GPIO1与S5P6818 ARM开发板上的MCU_CAM1_D3引脚连接。为了保证U8300C 的正常工作还需采用单电源供电方式。

[0036] 如图6所示为CMOS摄像头与FPGA芯片EP4CE30F23C8N的引脚连接部分。需要被提供3.3V稳定电压。CMOS SCL输入的是24MHz的时钟信号，连接的是FPGA芯片的PIN_B2。PCLK是时钟使能信号，规定了图像处理的最小时间间隔，连接FPGA芯片的PIN_D2。HREF和VSYNC分别是行信号和场信号，图像采集到一行数据则产生行信号，采集到一帧图像数据则产生场信号，行信号和场信号HREF和VSYNC分别连接 PIN_C1和PIN_C2。CMOS D0～CMOS D7是数据位，分别连接PIN_H7,PIN_H8,PIN_G3, PIN_G4,PIN_G5,PIN_F1,PIN_F2,PIN_E1。CMOS SDA是数据使能信号，连接FPGA芯片的PIN_B1。