基于樹莓派的森林火災檢測系統設計

冒子昂，陸 櫟

(南京林業大學信息科學技術學院,江蘇 南京 210037)

0 緒論

森林是一個生態系統的總體,是陸地上最重要的碳庫、蓄水庫、能源庫、基因庫和營養庫。但是,如此強大的生態系統在面對森林火災時卻顯得脆弱不堪。森林火災是一種突發性強、破壞性大、處置救助較為困難的自然災害[1],導致了一系列的生態環境問題,而且對人類的生命財產安以及生態環境健康造成了極大的威脅。森林火災是一種世界范圍內常見的自然災害,無論發達國家還是發展中國家,凡有森林覆蓋的區域,都深受其危害和影響[2]。1998-2017年我國平均每年發生2 800余次森林火災,年均受害森林面積13 000公頃[3];隨著氣候變化,尤其是變暖趨勢增強,人為干擾活動增加,全球森林火災更具爆發性和危害性。人類也將面對更多大面積、高強度且影響大的森林火災[4]。因此,各國都在探尋及時有效的預防森林火災的方法。

目前圖像傳輸系統主要有無線視頻連續傳輸系統、正交頻分復用的認知無線電傳輸系統等[5-7],這些現有的檢測平臺幾乎只是傳輸圖像,沒有針對火災檢測顯示的平臺。因此,本文使用圖像檢測技術,利用深度學習訓練火災模型,實現森林防火的智能化,提高整個防火系統的可靠性。

1 硬件平臺設計

本系統以樹莓派為核心設計,由采集終端和通信終端兩部分組成。

1.1 采集終端設計

本系統的采集終端主要使用了PCA9685芯片與樹莓派通信并產生PWM波驅動舵機轉動。PCA9685驅動芯片依靠I2C協議進行通訊,最多能夠支持16路PWM輸出,精度能夠達到12位。電路設計如圖1。引腳27和26分別位I2C接口的數據線和時鐘信號線,負責與樹莓派通信。引腳6和7為兩路PWM輸出口,負責驅動舵機及旋轉。引腳1到引腳5這五個引腳用于控制該芯片的I2C通信地址,PCA9685的I2C地址由8位寄存器控制。

圖1 PCA9685電路圖

該芯片需要3.3 V電壓供電,樹莓派4B引出的引腳中含有5 V電源引腳,因此,使用穩壓芯片RT9193將5 V電壓穩壓至3.3 V為PCA9685供電,電路原理圖如圖2所示。

圖2 穩壓模塊電路圖

1.2 通信終端設計

本次設計使用的是由移遠公司生產的EC20模塊。該模塊的下行速率最高達到150 Mbps,上行速率最高則是50 Mbps。EC20的特點是能夠多路輸入輸出,且同一個接收端能夠連接多個信號天線,同時進行數據接收,從而降低誤碼率,提高整個系統的通信質量。

此次選用的EC20使用的是Mini PCIe封裝,使用這種封裝的好處是省去了核心電路的設計,移植性更強。使用Mini PCIe封裝的模塊,首先要做的便是通過Mini PCIe插槽引出所用引腳,如圖3所示。

圖3 Mini PCIe封裝引腳圖

2 軟件設計與調試

軟件方面的設計主要分為硬件模塊的驅動與信號傳輸以及基于YOLOv5的森林火災圖像自動檢測系統的調試兩個部分。

2.1 系統軟件設計

本次設計中,EC20模塊將作為USB網卡為采集終端提供4G網絡服務,需要USB驅動程序的支持。移遠官方提供了EC20的Linux驅動移植手冊,本次設計選擇使用GobiNet驅動。樹莓派發送流程圖如圖4所示。

圖4 I2C總線主機發送流程圖

MIPI-CSI接口攝像頭需要在樹莓派關機后連接至CSI接口,否則可能會造成攝像頭短路損壞。之后開機,打開終端,輸入命令raspi-config打開系統功能配置界面,選擇選項3后選擇P5,然后選擇YES便可以開啟CAMERA功能。

本次設計采用視頻推流的方式,將圖像以視頻流的形式推送至服務器,然后上位機從服務器處拉取視頻流并解碼,本次設計中選用RTMP流媒體協議進行視頻推流。

對視頻流進行編碼推送后,還需使用流媒體服務器對終端推流和客戶端拉流進行管理,流媒體服務器在整個傳輸過程中類似中轉站的定位。本次設計使用Nginx作為圖像傳輸中的流媒體服務器,Nginx的編譯對計算性能要求較低?？芍苯釉跇漭缮线M行。整個圖像傳輸的系統框圖如圖5所示。

圖5 圖像傳輸流程圖

2.2 圖像檢測系統調試

YOLOv5除了在確保一定精度的前提上,極大程度的提升了檢測速度,在工程應用方面也進行了優化。本研究引入一種更為復雜的雙向融合加權雙向特征金字塔網絡[8](BiFPN, Weighted Bi-directional Feature Pyramid Network)替代YOLOv5中的PANet。網絡結構圖如圖6所示。實驗結果表明該算法對森林火災預警具有較好的研究效果。

圖6 改進后YOLOv5結構圖

3 上位機界面設計

本次設計中使用的是PyQT5這一款開源框架來設計簡單的原型測試界面。PyQT5是著名的GUI框架QT的python版,繼承了QT的各種各樣豐富的控件和跨平臺的功能。3個按鈕控件負責3個不同功能的實現,在主程序中,各項環境初始化后,點擊相應的控件便可進入對應的子程序。3個功能分別為打開圖片檢測、打開攝像頭檢測以及打開視頻檢測,滿足了設計需求。

4 結語

本次設計的主要研究內容是基于樹莓派的森林火災圖像傳輸與檢測系統,是從圖像采集、信號傳輸到圖像識別的一體化設計。分別對圖像采集電路與通信電路以及電源模塊電路進行了設計,并開發了圖像采集與通信程序,實現了遠程圖像傳輸功能。上位機開發了接收圖像界面,并對火災圖像采用改進的YOLOv5網絡進行了訓練,將檢測的結果顯示于上位機界面,實驗結果顯示了該檢測傳輸系統能實時檢測到火焰圖片。該檢測系統能很好地解決森林火災的預防與檢測問題、一體化的設計也能夠很好的節省人力物力,為森林火災的防治提供了良好的方案。