智能传感技术大作业.docx

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智能传感技术大作业

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ATM机全天候视频监控系统

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综述

随着ATM机在市面上的大量使用，在带给人们生活便利的同时，导致了许多不良分子利用ATM的种种漏洞进行盗取ATM内现金的行为。

为了减少这一犯罪行为的发生，我认为可以利用各种光电成像器件建立一个全天候视频监控系统对ATM机进行监控，这样可以有效采集犯罪信息，打击犯罪分子，减小犯罪次数。

要建立全天候视频监控系统，要求系统不仅仅能在强光下进行视频录像，还要求在弱光的情况下也能有效采集数据。

因此，在采用针对普通可见光的传感器之外，还需要一个能接受微弱可见光或者非可见光的传感器，综合考虑到对环境天气的适应性以及视频针对对象后，我认为在监控对象主要是人的情况下使用红外CCD，在考虑到成本可行性等问题后，我认为主动式的红外CCD摄像机是最合理的选择。

为了数据调用的方便可靠性，摄像系统之外我认为还应建立一套数据储存系统。

因此摄像机可以使用一对4TB机械硬盘组成RAID1列阵作为临时的数据存储器和NAS系统的一部分，管理部门可以随时从中提取数据或删除垃圾数据。

同时这个临时存储器还应能在容量快满时自动反馈，让数据管理部门及时处理。

系统框图

传感器组成

本系统使用到的智能传感器主要有以下几种：

1.CMOS可见光光电传感器：

使用CMOS而非CCD的主要原因是在民用的使用环境下CMOS的性能已经超过CCD而且拥有巨大的成本优势并且更不容易出现大面积坏点。

建议使用SONY公司的Exmor 系列传感器，这一系列传感器不仅性能优异，而且被广泛使用，相关配套的图像算法和图像处理器也有很多，方便调试和维护。

购买渠道也比较丰富，适合大面积采购使用。

2.红外CCD光电传感器：

同样建议使用SONY公司的产品，该公司在光电传感器方面技术领先，而且产品被大规模使用，无论是从成本角度还是使用效果角度都值得推荐。

建议1080线级别的产品即可满足要求。

3.光敏电阻：

通过光敏电阻连接单片机引脚，光敏电阻和单片机组成的系统可以作为一个简单的CCD/CMOS控制开关。

智能传感器原理

CMOS光电传感器原理：

CMOS（ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor）图像传感器出现于1969年，它是一种用传统的芯片工艺方法将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路等集成在一块硅片上的图像传感器件，这种器件目前已经在普通消费市场取代CCD成为最主流和最有发展前景的产品。

图1图2

CMOS单个像素的示意图如图1所示。

首先进入“复位状态”，此时打开门管M。

电容被充电至V，二极管处于反向状态；然后进人“取样状态”。

这时关闭门管M,在光照下二极管产生光电流，使电容上存贮的电荷放电，经过一个固定时间间隔后，电容C上存留的电荷量就与光照成正比例，这时就将一幅图像摄入到了敏感元件阵列之中了；最后进入“读出状态”。

这时再打开门管M,逐个读取各像素中电容C上存贮的电荷电压。

CMOS图像传感器功能框图如图1所示，外界光照射像素阵列（像敏单元阵列实际上是光敏二极管阵列），发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷。

行选择逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元。

行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及A/D转换器，转换成数字图像信号输出。

其中的行选择逻辑单元可以对像素阵列逐行扫描也可隔行扫描。

行选择逻辑单元与列选择逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。

模拟信号处理单元的主要功能是对信号进行放大处理，并且提高信噪比。

另外，为了获得质量合格的实用摄像头，芯片中必须包含各种控制电路，如曝光时间控制、自动增益控制等。

为了使芯片中各部分电路按规定的节拍动作，必须使用多个时序控制信号。

CMOS图像传感器组成框图如图2所示，主要组成部分是像敏单元阵列和MOS场效应晶体管集成电路，而且这两部分集成在同一硅片上。

为了便于摄像头的应用，还要求该芯片能输出一些时序信号，如同步信号、行起始信号、场起始信号等。

将像敏单元阵列按X和Y方向排列成方阵，方阵中的每一个像敏单元都有它在X、Y方向上的地址，并可分别由两个方向的地址译码器进行选择；每一列像敏单元都对应于一个列放大器，列放大器的输出信号分别接到由X方向地址译码控制器进行选择的模拟多路开关输出至输出放大器，输出放大器的输出信号送A/D转换器进行模数转换变成数字信号，经预处理电路处理后通过接口电路输出。

图中的时序信号发生器为整个CMOS图像传感器提供各种工作脉冲，这些脉冲均受控于接口电路发来的同步信号。

CMOS工作流程图

我建议使用SONYCX画幅的EXMORRCMOS，这种背照式CMOS有着更高的开口率更大的进光量，使用1英寸的小型CMOS就能取得良好的成像效果。

使系统在性能和效用间取得完美的平衡。

图为背照式CMOS

CCD红外传感器原理

红外摄像机的传感元件为红外CCD。

目前，红外CCD主要集中于InSb、Hg1-xCdxTe为代表的本征窄带半导体材料，以PtSi为代表的硅化物和以Si:

Ga，Si:

Bi，Si:

As为代表的非本征硅材料，尤其以InSb、Hg1-xCdxTe和Pt:

Si器件的发展最引人注目。

美国休斯、GEC、洛克威尔、得克萨斯仪器公司和空军空间技术中心都已做出了InSb、HgCdTe的短波、中波和长波红外图像传感器件。

格式为128×128像敏单元的混合式焦平面阵列的响应波长为1~3μm，工作温度为120~195K，平均比探测率为1.3×1012cmHz0.5W-1。

波长为3~5μm、工作温度为77K的器件，平均比探测率大于1011cmHz0.5W-1。

红外摄像系统常分为主动红外摄像系统与被动红外摄像系统两种。

本系统使用的是主动式红外系统。

主动红外摄像系统由红外照明光源、红外摄像器件、摄像机及光源控制器、监视器等几部分组成（如图1）

图1

当红外光源照射目标时，目标反射的红外光为摄像机所摄取，并将不可见近红外光转换为可见光，在屏幕上显示出来，实现红外摄像的目的。

在红外光源和红外CCD外这个系统还需要红外变相管，红外变像管是一种把不可见红外图像转换成可见光图像的光电成像器件，主要由光电阴极、电子光学系统和荧光屏三部分组成，并安装在高真空密封玻璃壳内（结构如图2）

1-光电阴极；2-引管；3-屏蔽环；

4-聚焦加速电极；5-荧光屏

图2

当物体的红外辐射通过物镜照射到光电阴极上时，光电阴极表面的红外敏感材料（Cs-O-Ag）接受辐射后，便发射光电子。

光电阴极表面发射的光电子密度分布与表面的红外光照度成正比。

光电阴极发射的光电子在电场的作用下，飞向荧光屏，荧光屏上的荧光物质受到高速电子轰击后，便发出可见光。

可见光的辉度与轰击电子的密度大小成比例，即与红外辐射强度分布成比例。

这样将物体的红外图像转换成为可见光图像，人们通过观察荧光屏的辉度明暗就可知道物体各部位温度分布的高低。

系统工作原理

在通电后系统进行工作。

光敏电阻上加一电平，电阻另一端连单片机引脚。

在光线充足的情况下单片机收到高电平，控制CMOS摄像头开启，红外光源和CCD关闭；在光线不足情况下收到低电平，控制CMOS摄像头关闭，开启红外光源和红外CCD；这样可以实现全天无间断的视频采集。

获取的信号通过图像专用处理器处理后可以利用GPU或者通用计算处理器压缩视频，考虑到视频的体积和质量，建议统一用H.265编码方式压缩成720P视频，然后存入HDD中。

两块HDD组成RAID1磁盘阵列，可以大大减小由于磁盘损坏造成的数据损失。

由于存储设备是一个NAS（NetworkAccessServer）终端，数据可以很容易地通过网络访问和移动，管理人员可以定期将这一临时存储器中的数据分类移动到统一大型数据库中，方便日后调用和处理。

同时这一数据库可以向政府有关部门开放，有效联合相关部门，提高系统效率。

参考资料

西电《智能科学与技术讲义》