基于树莓派的森林火灾检测系统设计

冒子昂，陆 栎

(南京林业大学信息科学技术学院,江苏 南京 210037)

0 绪论

森林是一个生态系统的总体,是陆地上最重要的碳库、蓄水库、能源库、基因库和营养库。但是,如此强大的生态系统在面对森林火灾时却显得脆弱不堪。森林火灾是一种突发性强、破坏性大、处置救助较为困难的自然灾害[1],导致了一系列的生态环境问题,而且对人类的生命财产安以及生态环境健康造成了极大的威胁。森林火灾是一种世界范围内常见的自然灾害,无论发达国家还是发展中国家,凡有森林覆盖的区域,都深受其危害和影响[2]。1998-2017年我国平均每年发生2 800余次森林火灾,年均受害森林面积13 000公顷[3];随着气候变化,尤其是变暖趋势增强,人为干扰活动增加,全球森林火灾更具爆发性和危害性。人类也将面对更多大面积、高强度且影响大的森林火灾[4]。因此,各国都在探寻及时有效的预防森林火灾的方法。

目前图像传输系统主要有无线视频连续传输系统、正交频分复用的认知无线电传输系统等[5-7],这些现有的检测平台几乎只是传输图像,没有针对火灾检测显示的平台。因此,本文使用图像检测技术,利用深度学习训练火灾模型,实现森林防火的智能化,提高整个防火系统的可靠性。

1 硬件平台设计

本系统以树莓派为核心设计,由采集终端和通信终端两部分组成。

1.1 采集终端设计

本系统的采集终端主要使用了PCA9685芯片与树莓派通信并产生PWM波驱动舵机转动。PCA9685驱动芯片依靠I2C协议进行通讯,最多能够支持16路PWM输出,精度能够达到12位。电路设计如图1。引脚27和26分别位I2C接口的数据线和时钟信号线,负责与树莓派通信。引脚6和7为两路PWM输出口,负责驱动舵机及旋转。引脚1到引脚5这五个引脚用于控制该芯片的I2C通信地址,PCA9685的I2C地址由8位寄存器控制。

图1 PCA9685电路图

该芯片需要3.3 V电压供电,树莓派4B引出的引脚中含有5 V电源引脚,因此,使用稳压芯片RT9193将5 V电压稳压至3.3 V为PCA9685供电,电路原理图如图2所示。

图2 稳压模块电路图

1.2 通信终端设计

本次设计使用的是由移远公司生产的EC20模块。该模块的下行速率最高达到150 Mbps,上行速率最高则是50 Mbps。EC20的特点是能够多路输入输出,且同一个接收端能够连接多个信号天线,同时进行数据接收,从而降低误码率,提高整个系统的通信质量。

此次选用的EC20使用的是Mini PCIe封装,使用这种封装的好处是省去了核心电路的设计,移植性更强。使用Mini PCIe封装的模块,首先要做的便是通过Mini PCIe插槽引出所用引脚,如图3所示。

图3 Mini PCIe封装引脚图

2 软件设计与调试

软件方面的设计主要分为硬件模块的驱动与信号传输以及基于YOLOv5的森林火灾图像自动检测系统的调试两个部分。

2.1 系统软件设计

本次设计中,EC20模块将作为USB网卡为采集终端提供4G网络服务,需要USB驱动程序的支持。移远官方提供了EC20的Linux驱动移植手册,本次设计选择使用GobiNet驱动。树莓派发送流程图如图4所示。

图4 I2C总线主机发送流程图

MIPI-CSI接口摄像头需要在树莓派关机后连接至CSI接口,否则可能会造成摄像头短路损坏。之后开机,打开终端,输入命令raspi-config打开系统功能配置界面,选择选项3后选择P5,然后选择YES便可以开启CAMERA功能。

本次设计采用视频推流的方式,将图像以视频流的形式推送至服务器,然后上位机从服务器处拉取视频流并解码,本次设计中选用RTMP流媒体协议进行视频推流。

对视频流进行编码推送后,还需使用流媒体服务器对终端推流和客户端拉流进行管理,流媒体服务器在整个传输过程中类似中转站的定位。本次设计使用Nginx作为图像传输中的流媒体服务器,Nginx的编译对计算性能要求较低。可直接在树莓派上进行。整个图像传输的系统框图如图5所示。

图5 图像传输流程图

2.2 图像检测系统调试

YOLOv5除了在确保一定精度的前提上,极大程度的提升了检测速度,在工程应用方面也进行了优化。本研究引入一种更为复杂的双向融合加权双向特征金字塔网络[8](BiFPN, Weighted Bi-directional Feature Pyramid Network)替代YOLOv5中的PANet。网络结构图如图6所示。实验结果表明该算法对森林火灾预警具有较好的研究效果。

图6 改进后YOLOv5结构图

3 上位机界面设计

本次设计中使用的是PyQT5这一款开源框架来设计简单的原型测试界面。PyQT5是著名的GUI框架QT的python版,继承了QT的各种各样丰富的控件和跨平台的功能。3个按钮控件负责3个不同功能的实现,在主程序中,各项环境初始化后,点击相应的控件便可进入对应的子程序。3个功能分别为打开图片检测、打开摄像头检测以及打开视频检测,满足了设计需求。

4 结语

本次设计的主要研究内容是基于树莓派的森林火灾图像传输与检测系统,是从图像采集、信号传输到图像识别的一体化设计。分别对图像采集电路与通信电路以及电源模块电路进行了设计,并开发了图像采集与通信程序,实现了远程图像传输功能。上位机开发了接收图像界面,并对火灾图像采用改进的YOLOv5网络进行了训练,将检测的结果显示于上位机界面,实验结果显示了该检测传输系统能实时检测到火焰图片。该检测系统能很好地解决森林火灾的预防与检测问题、一体化的设计也能够很好的节省人力物力,为森林火灾的防治提供了良好的方案。