一种基于FPGA的火灾识别装置

一种基于fpga的火灾识别装置
技术领域
1.本发明涉及计算机视觉与传感器技术领域，具体涉及一种基于fpga的火灾识别装置。


背景技术：

2.随着人工智能、计算机网络技术、大数据科学等研究的迅猛发展，计算机视觉与传感器技术正在向着更高层次的方向发展，人们对于智能系统也有了新的要求，智能系统的硬件体积越来越小，实时性也越来越好，特别是最近几年，fpga的加入给计算机视觉与传感器技术领域带来了新的活力，此外，fpga在一些低成本的机器视觉领域也得到了广泛的应用。作为可编程器件的fpga不仅具有硬件可编程的灵活性，能适应不同场景不同需求的需要，还具有天然的并行优势，实现实时处理，但是控制领域就非fpga所擅长了，然而51单片机指令集丰富，性价比高，足够满足控制领域的多数控制要求。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了基于fpga的火灾识别装置。
4.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于fpga的火灾识别装置，包括pll时钟生成模块、上电复位模块、ov7725摄像头模块、图像处理模块、sdram存储模块、电源模块、jtag下载模块、vga显示模块、lora无线通信模块以及灭火模块，其结构特点在于：
5.优选的，所述的pll时钟生成模块为ov7725图像传感器、sdram、图像处理模块以及vga显示模块提供相应的时钟，该模块与ov7725摄像头模块、sdram存储模块、vga显示模块相连；
6.优选的，所述的上电复位模块是在fpga上电后保持一段时间的复位状态，上电后复位各个模块；
7.优选的，所述的ov7725摄像头模块包括iic通信模块、cmos数据采集模块和寄存器配置模块，该模块为了采集图像信息；ov7725是一款体积小、工作电压低的cmos类型数字图像传感器，寄存器配置模块把ov7725寄存器配置所需要的数据通过iic通讯模块传输给ov7725，cmos数据采集模块把ov7725输出的图像数据传给图像处理模块；
8.优选的，所述的sdram存储模块采用的是华邦的w9812g6kh-6芯片，用于在第零和第一bank区存储图像预处理时的图像数据，在第二和第三bank区存储图像处理后的图像数据。所述sdram存储模块与图像处理模块和摄像头采集模块相连；
9.优选的，所述的图像处理模块包括了进行图像的灰度化、帧间差分运算、腐蚀运算、膨胀运算、二值化运算和加框处理六个流程做进一步的图像处理，分别于pll时钟生成模块、ov7725摄像头模块、sdram存储模块、vga显示模块相连、lora无线通信模块；
10.优选的，所述的vga显示模块用于把sdram中存储的经过识别加框处理的图像数据读取出来，并传送到显示器上显示；
11.优选的，所述的lora无线通信模块用于把fpga的识别检测结果传输到灭火模块，
控制灭火模块是否运行；
12.优选的，所述的所述灭火模块主要由51单片机和电机驱动器组成，当51单片机收到fpga的火灾信号后启动电机驱动器驱动水泵灭火；
13.优选的，所述的所述jtag下载模块，用于向fpga芯片中下载程序或向flash中固化程序；
14.优选的，所述的电源模块，外接5v直流电源，通过lm1117芯片将5v电源转换成3.3v电压；使用ncp1529型专用dc-dc降压器，转换成输出为2.5v和1.2v的电源；其中2.5v电源为pll时钟电路和jtag下载模块供电，1.2v为fpga内核供电；
15.优选的，所述的lora无线传输模块，其特征在于fpga通过lora无线通信模块通过无线传输的方式将图像处理模块的识别结果发送到灭火模块，所述lora无线通信模块分别与fpga中的图像处理模块与灭火模块连接；
16.优选的，所述的灭火模块中的51系列单片机通过fpga发送来的信息判断是否需要打开电机驱动器驱动水泵灭火，所述灭火模块与lora无线通信模块连接。
17.一种基于fpga的火灾识别装置，包括如下的运行过程：
18.上电后，fpga控制模块执行上电复位，将所有的模块数据清零复位，此后各个模块开始正常工作，pll时钟生成模块为各个模块提供对应的时钟；
19.ov7725摄像头采集目标区域的视频信息并传输到图像处理模块，图像处理模块判断目标区域是否有火焰产生，并将结果存入sdram中，如果目标区域有火焰，则fpga通过lora无线通信模块向灭火模块发送灭火指令，并在视频中将火焰区域用红色方框框选出来；vga显示模块提取sdram中的图像处理的结果并实时显示在vga显示器上；
20.灭火模块收到fpga发送过来的指令后，由51单片机判断是否为灭火指令，如为灭火指令则控制电机驱动器驱动水泵灭火；
21.本发明具有积极的效果：(1)该基于fpga的火灾识别装置通过lora无线通信模块以无线的方式连接fpga和灭火模块，减少本装置的连接线路。(2)lora无线通信模块支持一主多从的通信模式，可以实现一个识别模块控制多个灭火模块，并且lora具有较远的通信距离，使得灭火模块可以实现区域覆盖。(3)本发明的一种基于fpga的火灾识别装置，可根据用户个人或环境特点确定灭火模块的数量，并且可以在此基础上进行衍生设计，不受限制。
附图说明
22.图1为本发明的结构示意图。
23.图2为本发明fpga控制电路原理图。
24.图3为本发明的sdram原理图。
25.图4为本发明的ov7725摄像头接口原理图。
26.图5为本发明的vga接口电路原理图。
27.图6为本发明的lora无线通信模块原理图。
28.图7为本发明的灭火模块中单片机原理图。
29.图8为本发明的灭火模块中电机驱动器原理图。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
31.见图1，一种基于fpga的火灾识别装置，包括ov7725摄像头模块、图像处理模块、fpga控制模块、sdram存储模块、电源模块、jtag下载模块、vga显示模块、lora无线通信模块、灭火模块；
32.见图2，fpga主控芯片，作为核心处理器，该基于fpga的火灾识别装置的主控芯片采用altera公司的ep4ce10f17c8芯片，用于搭载火灾识别装置中的算法；
33.见图3，为sdram存储器的原理图，采用的是w9812g6kh-6型的sdram存储芯片，该芯片用来存储图像处理时的数据和图像处理后的最终待显示的数据，其中a0～a12为芯片的地址总线，ba0和ba1用来选择存储单元，该模块与pll时钟生成模块、图像处理模块、ov7725摄像头模块、vga显示模块相连；
34.见图4，为摄像头接口原理图，摄像头采用的是ov7725型的摄像头，由pll时钟生成模块提供其所需的25mhz时钟，采集到的视频图像数据传入图像处理模块进行识别处理；
35.见图5，为vga接口的电路原理图，通过vga显示协议，采用逐行扫描的方式，从屏幕左上方逐行向右下方扫描实现视频图像的显示，用于图像处理后图像数据的显示；
36.见图6，为lora无线通信模块，通过串口分别和fpga和51单片机连接，用来将fpga图像处理模块的处理结果传递给灭火模块，通过lora无线模块可以实现fpga部分和灭火部分的无线通信；
37.见图7，为灭火模块的51单片机核心原理图，该单片机用来判断lora无线通信模块发送来的数据是否为灭火指令，如为灭火指令则开启电机驱动器；
38.见图8，为灭火模块的电机驱动器原理图，在收到单片机的指令后开启，驱动水泵进行灭火；
39.结合图1所示，本发明的一种基于fpga的火灾识别装置的工作原理如下：
40.通过jtag接口，将本发明的verilog程序固化到fpga开发板的flash存储器中，防止程序掉电丢失；
41.装置上电后，执行上电复位，完成装置的初始化，以便本装置进行后续运作；
42.通过ov7725摄像头完成图像数据的实时采集，将采集到的图像数据传入到图像处理模块进行处理，如果有火焰则通过lora无线通信模块向灭火模块发送灭火指令，并且对原视频中的火焰区域进行加框处理，处理结果存入到sdram中；
43.vga显示模块提取sdram中的处理后的视频信息并通过行场扫描的方式在vga显示屏上进行显示；
44.灭火模块中的51单片机接到fpga通过lora无线通信模块发送的信息后，判断是否为灭火指令，如为灭火指令则打开电机驱动器驱动水泵灭火。
45.以上是对本发明的具体实施方式说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，是可以做出各种变换和变化而得到相应的同等的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利范围。

技术特征：
1.一种基于fpga的火灾识别装置，其特点在于，包括pll时钟生成模块、ov7725摄像头模块、图像处理模块、上电复位模块、sdram存储模块、电源模块、jtag下载模块、vga显示模块、lora无线通信模块、灭火模块；所述pll时钟生成模块为ov7725图像传感器、sdram、图像处理模块以及vga显示模块提供相应的时钟，该模块与ov7725摄像头模块、sdram存储模块、vga显示模块相连；所述上电复位模块是在fpga上电后保持一段时间的复位状态，上电后复位各个模块；所述ov7725摄像头模块包括iic通信模块、cmos数据采集模块和寄存器配置模块，本装置通过该模块采集图像信息；ov7725是一款体积小、工作电压低的cmos类型数字图像传感器，寄存器配置模块把ov7725寄存器配置所需要的数据通过iic通讯模块传输给ov7725摄像头，cmos数据采集模块把ov7725摄像头采集到的图像数据传给图像处理模块；所述sdram存储模块采用的是华邦的w9812g6kh-6芯片，用于在第零和第一bank区存储图像预处理时的图像数据，在第二和第三bank区存储图像处理后的图像数据。所述sdram存储模块与图像处理模块、vga显示模块相连；所述图像处理模块包括了进行图像的灰度化、帧间差分运算、腐蚀运算、膨胀运算、rgb转hsi算法、二值化运算和加框处理七个流程；对图像进行灰度化处理后存储到sdram的bank0和bank1中，等到下一帧图像到来后取出做帧差运算，判断目标区域是否有运动目标；如果存在运动目标，则对帧差运算结果进行腐蚀、膨胀运算，之后在hsi颜色域和rgb颜色域下进行颜色判断，判断运动目标在两个颜色域下是否满足火焰的颜色特征，如果运动的物体在两个颜色域下满足火焰的颜色特征，则被认定为是火焰，并对其进行加框处理；分别与pll时钟生成模块、ov7725摄像头模块、sdram存储模块以及lora无线通信模块相连；所述vga显示模块用于把sdram中存储的处理后的图像数据读取出来，并传送到vga显示器上显示，vga显示模块与sdram存储模块相连；所述lora无线通信模块用于把fpga的识别检测结果传输到灭火模块，控制灭火模块是否运行；所述灭火模块主要由51单片机、电机驱动器和水泵组成，当收到fpga的火灾信号后驱动水泵灭火；所述jtag下载模块，用于向fpga芯片中下载程序或向flash中固化程序；电源模块，外接5v直流电源，通过lm1117芯片将5v电源转换成3.3v电压；使用ncp1529型专用dc-dc降压器，转换成输出为2.5v和1.2v的电源；其中2.5v电源为pll时钟电路和jtag下载模块供电，1.2v为fpga内核供电。2.根据权利要求1所述的一种基于fpga的火灾识别装置，其特征在于加入了lora无线通信模块和灭火模块；所述lora无线通信模块可以实现一主多从通信，即一个fpga可以通过无线的方式控制多个灭火模块，该模块与图像处理模块和灭火模块相连；所述灭火模块由51系列单片机、电机驱动器以及水泵组成，图像处理模块识别到火焰后通过lora无线通信模块向灭火模块发送命令，该模块收到命令后启动水泵灭火，该模块与lora无线通信模块相连。

技术总结
本发明提供一种基于FPGA的火灾识别装置，本发明属于计算机视觉与传感器技术领域，所述装置包括PLL时钟生成模块、上电复位模块、OV7725摄像头模块、图像处理模块、SDRAM存储模块、电源模块、JTAG下载模块、VGA显示模块、LORA无线通信模块、灭火模块。其中，OV7725摄像头模块包括IIC通信模块、CMOS数据采集模块和寄存器配置模块。基于FPGA的火灾识别装置通过OV7725摄像头采集图像数据，通过帧间差分算法、颜色识别算法对图像数据进行识别处理，实时监测目标区域是否有火焰的产生，若目标区域有火焰产生，FPGA将通过LORA无线通信模块控制灭火模块进行灭火，并通过VGA显示器显示识别结果。结果。结果。


技术研发人员：于天河 陈旭 段永健
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：2023.03.07
技术公布日：2023/6/28