全天候智能道路监控系统.docx

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全天候智能道路监控系统

一、研究背景

众所周知，现如今各种监控网络越来越广，几乎覆盖了我们生活的所有区域，但系统本身有很多的缺陷，以至于不能发挥最大的作用。

监控系统收集了大量的信息，我们注意到这些信息都只能被动的发挥很小的作用，当我们需要的时候才会去调取，要在海量的数据中找出需要的信息要耗费大量的人力物力，这种低效率的系统让这些数据失去了其本身的价值。

为了弥补现有系统的不足，现在我们来设计一种新的全天候智能监控系统，主要将其用来监控道路，全时监控记录分析并反馈交通情况，主动回馈信息以至于保护数据的时效性。

二、系统简介

系统主要分为以下三个部分：

1.全天候智能信息采集系统：

彩色CCD监控摄像头，用来采集精确的视频信息。

主动红外CCD摄像系统，用于夜间监控。

微波雷达测速系统，获取车辆速度信息。

光强传感器，确定当前光照强度以改变系统工作方式。

2.信息传递系统：

采用无线网络传输，快速准确的传递有效信息，无线网络使系统分部更为灵活。

3.智能信息处理系统：

分布式信息处理基站，做信息前期处理，并将其发送至处理中心；

高性能计算中心及智能算法，快速有效的分析采集到的数据，深度挖掘数据价值，及时获取各种交通状况并做出预警，分析全局情况给出最佳解决方法。

系统框图如下：

三、系统详解

1.全天候智能信息采集系统

由于夜间光线较暗，为实现全天候监控交通状况，视频采集系统由彩色CCD与主动红外CCD两个系统及集成微处理器组成，白天由彩色CCD监控系统工作，红外CCD摄像系统辅助，晚上启动红外CCD成像系统，彩色CCD成像辅助工作，微波雷达测速系统测定车辆速度，每辆通过车辆的监控数据捆绑发送至处理基站。

当光强传感器检测当前光强高于规定值时，系统启用日间工作方式。

彩色CCD与红外CCD同时工作，彩色CCD实时记录视频信息传输回信息中心存储，当红外CCD监测到有车辆经过时，发送信号至微处理器，系统请求彩色CCD与微波雷达响应，对该车辆进行拍照及测速，系统将获取的数据进行标示，附加该监控点的地理位置信息，时间信息，然后经无线传输系统发送至该区域的信息处理基站进行前期处理。

光强传感器检测光强低于规定值时，系统启用夜间工作方式。

彩色CCD进入休眠状态，红外CCD实时获取视频信息传送回数据中心，当有车辆进入监控范围，发送信号至微处理器请求彩色CCD及微波雷达响应，闪光灯协助彩色CCD拍照，系统将获取的数据进行标示，附加该监控点的地理位置信息，时间信息，然后经无线传输系统发送至该区域的信息处理基站进行前期处理。

下介绍CCD成像原理：

1、CCD即电荷耦合器件（ChargeCoupledDevices，CCD），，是一种特殊的半导体。

现在都习惯用CCD当作图像传感器的代名词。

现在的CCD图像传感器由三层组成：

第一层：

微透镜头；第二层：

分色镜片；第三层：

感光、储存、转移电荷（CCD）层。

如下图：

2、CCD工作的基本原理：

CCD的感光面是若干个独立光刻单元的集合，它能存储由光或电激励产生的信号电荷，当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在CCD内作定向传输,并输出电信号。

下图为行间转移CCD（IT:

InterlineTransfer）的工作原理图：

3、CCD的物理结构，CCD有表面（沟道）CCD（SCCD）和埋沟CCD（BCCD）两种基本类型。

首先将一块半导体基板通过光刻划分成行×列的矩阵状,示意如下图示（4×8=32个像素单元）:

每个单元为一个像素单元,在每个像素单元里,制作出一个光感区（光感二极管）、电荷储存区、电荷转移区和益漏沟槽、电极等。

如右上图简示：

从上面的示意图（正面图）可以看出，每一个单元

对应一个像素，内含一个光感二极管和与其一起工作的开关场效应管，转移储存器，像素之间还有益流沟和转移珊等，因此感光面约占每个像素面积的1/2左右的面积，增大感光面积很重要，因为感光面积越大，光感二极管采集的光就越多，成像质量就越高，但是，感光区不能把面向光线射入处都做成有效感光部份，真正能感光部分的面积只是感光区面向光线射入处部份面的60%-90%，这就是所谓的开口率。

但每个像素点的面积有限，目前解决的的办法是在每个感光区前

面加一个光学透镜（索尼最先想出的解决办法），以增加受光面积，这就是CCD上的第一层微镜头，这样感光面积就由微镜片来决定了,效果非常好。

4、三种典型图像CCD的电荷转移方式示意图。

帧转移型（FT:

FrameTransfer）行间转移CCD（IT:

InterlineTransfer）

行帧转移型（FIT:

FrameInterlineTransfer）

5、下面以行间转移型（IT:

InterlineTransfer）CCD的工作流程,说明CCD的工作原理。

CCD结构如图下所示，包含感光二极管（Photodiode）、垂直寄存器、行信号输出寄存器、控制栅、电荷检测、数摸转换器放大器等单元，其工作流程敘述

如下：

下面是一个面CCD图像传感器,现在说明其从时间顺序上的工作过程：

1、在场信号的正扫描期间,感光区的感光二极管将其所受光的强度转换成电子并储存在感光区进行积累；

2、在场扫描的逆扫描期（场消隐期）,转移控制栅从低电位转成高电位，开通感光区与垂直储存区（CCD），使感光区储存的电荷转移到垂直储存区,转移

完成后,转移控制栅电位变成低电位，结束电荷转移，这个过程在逆扫描期（场消隐期）内完成；

3、在场的正扫描期间,储存在垂直存储单元中的电荷，在Vф1、Vф2、Vф3、Vф4脉冲时序电压作用下，依次将其储存的电荷向下转移到水平存储单元

中，每个转移过程仅在每个行扫描的逆扫描期间内完成，且每个垂直储存单元在行逆程扫描期只转移一个像素的电荷，这样就保证每次转移后，水平输出CCD

内仅存有一行像素；

4、在行扫描的正扫期间，在Hф1、Hф2时序脉冲电压的作用下，将已转移到水平存储单元的电荷依次向左转移，并检测输出（一行图像的扫描信号），完成一行输出后，水平存储单元内的储存电荷全部转移出去，水平存储单元清空，等待下次从垂直存储单元转移电荷；在场正扫描期内，完成一幅图像的转移输出。

红外CCD成像原理

红外CCD图像传感器是在面阵CCD图像传感器和红外探测器阵列技术基础上发展起来的新一代固体红外摄像阵列（IRCCD）。

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。

所谓被动式系统就是无需发射信号就能探测目标、监视环境的系统；主动式系统就是测量者先发射一个信号到被测量对象，再接收被测量对象的反射信号来探测目标的一种系统，如防空雷达就是基于这种原理工作的设备。

本系统使用主动红外摄像系统，故主要介绍主动红外摄像系统

主动红外摄像系统

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，如图所示

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。

主动红外摄像机的两大关键部分是红外光源与红外摄像器件。

①红外光源

红外光源是红外摄像的关键之一。

红外光源输出的波长及能量关系到红外摄像质量的好坏和作用距离的远近。

目前常用的红外光源有二种。

一种是白炽灯用红外滤光的办法产生红外光源，这种光源的缺点是利用效率低，且有红光暴露的问题，尤其是大功率光源或近距离观察时更为明显，因而用得不是很多。

另一种是使用半导体砷化镓光源或半导体激光器，其峰值波长为0.93μm或0.86μm左右，单个发光元最大输出可达500mW左右。

这种光源体积小、重量轻、电源简单、效率高，可以实现中距离（100m内）的红外照明。

对于近距离（20m以内）的照明，也有用小功率GaAs发光二极管阵列制作的。

为了降低功耗而又不影响观察效果，在一些系统中对发光二极管用脉冲进行调制，采用脉冲发射不仅降低了平均功耗，也在一定程度上解决了散热问题。

近几年来国外用半导体激光器制作的红外光源，实现了上百米的夜间摄像，效果也比较理想。

②红外摄像器件

要实现红外摄像，必须选用对红外敏感的摄像器件，如对近红外敏感的有硅靶摄像管、CCD摄像器件、PbO-PbS复合靶近红外摄像管等。

由于PbO-PbS灵敏度低、惯性大、抗灼伤能力差等原因，所以用得较少。

硅靶摄像管与CCD器件均是用硅材料制作的，两者的性能接近，但由于CCD较之硅靶管体积小、重量轻、功耗低、寿命长，以及其他一些优点，所以在绝大多数领域内，硅靶管已被CCD图像传感器所代替。

红外变像管

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，图7-39是红外变像管的结构示意图。

红外变象管结构示意图

1-光电阴极；2-引管；3-屏蔽环；

4-聚焦加速电极；5-荧光屏

光强传感器原理

在此介绍常用TXL256X光强传感器原理：

TSL2560和TSL2561是TAOS公司新近推出的一款光强度数字转换芯片，它可以通过12C（Inter—IntegratedCircuit）总线（TSL2561）或SMBus（SystemManagementBus）总线（TSL2560）直接输出光强度的数字信号。

该芯片应用范围极为广泛，如LED、OLED等各类显示屏、数码相机、笔记本电脑、LCD监视器、平板电视、蜂窝电话等多种场合；另外还可以用于路灯照明控制、安全照明、机器

视觉等许多方面。

TSL256x是第二代周围环境光强度传感器，其内部结构如图所示。

TSL256X包含两个积分式A／D转换器，同时对流过2个光敏二极管的电流进行积分，并转换为数字量。

当一个周期完成后将转换结果存人芯片内部通道0和通道l各自的寄存器中，并用双重缓冲器来确保数据的完整性。

通道0和通道1是2个光敏二极管，其中通道0对可见光和红外线都敏感，而通道1仅对红外线敏感。

当一个积分周期完成之后，积分式A／D转换器将自动开始下一个积分转换过程。

微控制器可通过标准的两线SMBus或12C总线对TSL256X进TSL256x是第二代周围环境光强度传感器，其内部结构如图2所示。

TSL256X包含两个积分式A／D转换器，同时对流过2个光敏二极管的电流进行积分，并转换为数字量。

当一个周期完成后将转换结果存人芯片内部通道0和通道l各自的寄存器中，并用双重缓冲器来确保数据的完整性。

通道0和通道1是2个光敏二极管，其中通道0对可见光和红外线都敏感，而通道1仅对红外线敏感。

当一个积分周期完成之后，积分式A／D转换器将自动开始下一个积分转换过程。

微控制器可通过标准的两线SMBus或12C总线对TSL256X进行访问。

对TSI。

256x的控制是通过对其内部的16个寄存器的读／写来实现的，内部寄存器的名称、地址及功能见表3。

TSL256x支持中断功能，当TSL256x检测到外界光强值超过设定值后就会向微处理器发出中断。

行访问。

对TSI。

256x的控制是通过对其内部的16个寄存器的读／写来实现的，内部寄存器的名称、地址及功能见表3。

TSL256x支持中断功能，当TSL256x检测到外界光强值超过设定值后就会向微处理器发出中断。

2.无线网络传输系统

该系统信息使用无线传输方式，2.4/5.8G无线传输，速率快稳定性高，使得设备布置灵活性提高，便于维护管理。

3.智能信息处理系统

分布式信息处理基站系统

前面讲到信息采集系统将一组数据打包发送到信息处理基站系统，该系统将信息进行初步处理，首先分析图像数据，识别车辆车牌号及车辆基本信息，收集整理同一车辆的数据分析其行驶路径，然后与原有数据一起打包发送至信息处理中心进行更进一步的分析。

智能信息处理系统

该系统收集整理所有基站发回的数据，并用智能算法对其进行数据分析，可以得到每条道路的实时车流量及平均速度，可以查询指定车辆的事实位置，可以利用这些数据做更多的事来改善交通状况。

四、系统应用举例

1.交通事故报警预警

信息收集处理后，算法可以及时发现交通事故的发生，并主动向交通管制中心发出警报，准确定位目标车辆位置，使得事故可以及时得到处理，并且可以分析该时段到达该地点最顺畅的路段，使救治人员，事故处理人员能更快的到达现场进行人员救治事故处理。

若检测到车辆超速，可使用信号灯对其进行警告，减少事故发生的可能性。

2.可疑车辆追踪排查

如有犯罪嫌疑人车辆信息，运用该系统将不必再一帧一帧查看监控记录，只需按其车牌号进行查找，可迅速得到其行驶轨迹和去向，并可以对其进行跟踪，迅速找到嫌疑车辆，大量减少执法人员工作量，提高工作效率使犯罪分子无处可逃。

3.交通分流管制

利用智能算法对数据进行深度分析，可全局分析当前道路情况，根据车辆速度级车流量信息，分析出道路拥堵的可能性，系统可连接各路口红绿灯，通过智能改变红绿灯等待时间来改变车流量及速度，可发布信息至广播，或者交通协管员，实现智能分流，充分利用现有道路，改善交通情况，减少拥堵节约时间提高效率。

4.提供开放大数据平台

该系统可提供一个开放的大数据平台，企业或个人可以申请获取一些允许范围内的数据，可在此平台基础上开发新的应用，用大众的智慧来发掘数据的深度价值，实现该系统最大作用。