一种基于FPGA的畜舍图像采集分析和传输系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于FPGA的畜舍图像采集分析和传输系统，包括视频图像采集模块、视频图像处理模块、图像编码压缩设计模块、数据通信传输模块和服务器模块；视频图像采集模块：对畜禽的视频图像进行采集，并编码转换成数字视频信号发送给视频图像处理模块；视频图像处理模块：对编码后的视频图像进行预处理以及模式识别，再采用单高斯模型进行运动检测跟踪，判别畜禽的个数；图像编码压缩设计模块：采用以DCT变换为基础的顺序有损编码压缩方式来进行分娩图像的压缩；数据通信传输模块：与终端进行数据通信，再将视频图像传输至远程的服务器模块；服务器模块：对视频图像接收、存储、决策和发布。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的畜舍图像采集分析和传输系统
本专利技术涉及畜禽养殖领域，特别是一种基于FPGA的畜舍图像采集分析和传输系统。
技术介绍
随着牲畜养殖业向规模化、集约化方向发展，自动化技术在养殖中的应用日趋广泛，尤其以生猪养殖为代表。目前无线网络通信、视频监控等技术已经在设施养殖领域有所应用，但国内目前鲜有利用FPGA和机器视觉技术进行畜舍检测的研究报道，尤其在传统养殖方式中容易出现因人员疏忽而造成如母猪高危动作等一系列原因而造成的压死仔猪等现象出现，使得养殖业的经济效益受到影响。因此，对于畜舍状况准确、实时地检测，以及图像信息的实时传输成为当下发展需要解决问题。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于FPGA的畜舍图像采集分析和传输系统。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于FPGA的畜舍图像采集分析和传输系统，包括视频图像采集模块、视频图像处理模块、图像编码压缩设计模块、数据通信传输模块和服务器模块；视频图像采集模块：对畜舍内畜禽的视频图像进行采集，并编码转换成数字视频信号发送给视频图像处理模块；视频图像处理模块：对编码后的视频图像进行预处理以及模式识别，再采用单高斯模型进行运动检测跟踪，判别畜舍内畜禽的个数；图像编码压缩设计模块：采用以DCT变换为基础的顺序有损编码压缩方式来进行分娩图像的压缩；数据通信传输模块：与终端进行数据通信，再将视频图像传输至远程的服务器模块；服务器模块：对视频图像接收、存储、决策和发布。本专利技术中，视频图像采集模块包括OV7670芯片、FIFO存储器、电源管理芯片以及外围接口电路，图像数据先放到FIFO缓冲中，再由FPGA芯片从FIFO中的读取数据、完成图像采集任务。本专利技术中，包括图像的采集步骤：步骤1：FPGA首先进行初始化，进而对OV7670模块进行初始配置，然后系统进入等待状态；步骤2：OV7670开始输出图像数据，FPGA等待接收图像帧同步信号，进入中断后开始判断是否可以向FIFO写入数据，当可以向FIFO写入数据时，图像数据开始以像素为单位写入FIFO，此时控制器将rFlag置1，wFlag置0；步骤3：当检测到可以从FIFO缓存中读取数据，FPGA将复位FIFO的读指针，此时输出使能信号，读取FIFO时钟，从FIFO读取图像里第一像素高字节，继续读取FIFO时钟，从FIFO读取图像里第一像素低字节，图像数据并存入缓存中，如此循环读取，即可实时获取图像数据。本专利技术中，视频图像处理模块对编码后的视频图像进行滤波、去噪、二值化预处理，然后进行模式识别，设定阈值分割畜禽目标，提取出目标对象，进行静态图像分析，接着采用单高斯模型进行运动检测跟踪，提取出目标对象的动态信息并进行分析，从而判别畜舍内畜禽的个数。本专利技术中，图像编码压缩设计模块先将视频图像信号在频率域上进行变换，分离出高频和低频信息；然后对图像的高频部分进行压缩；下一步对变换后的浮点型频率系数进行量化，将之转换为整数；而后对每个8*8字块中的1个直流分量和63个交流分量分别进行编码，进而将原始图像信息压缩处理成JPEG形式信息。本专利技术中，数据通信传输模块选用EM770W无线模块传输图像，EM770内置TCP/IP协议栈，支持WCDMA协议规定的标准AT指令集和部分可扩展AT指令集；利用基于Socket协议的通讯方式与终端进行数据通信，再将数据传输至远程服务器。本专利技术中，控制人员通过服务器模块操作控制发送不同的指令，分别采集畜舍的相关信息，将接收的数据实时的保存到服务器端数据库，并对数据进行预处理，提供语音报警或者短信提醒。本专利技术中，远程服务器通过网口对FPGA1设置IP，然后可以对不同IP的监测点发送开始监测命令，然后等待接收视频数据；FPGA1接收到命令后，对命令进行解析，控制视频编码器CMOS1进行视频采集；CMOS1把模拟视频信号转化为数字视频信号，储存在SDRAM2中，然后传输给FPGA1对视频图像进行处理和目标识别分析；FPGA1通过3G控制模块把处理后的视频图像信号传输给WCDMA模块，把分析得到的畜禽信息传输给UART4；WCDMA模块通过3G传输给远程服务器。本专利技术中，远程服务器将控制指令以socket通信方式发送至网络中间件，接收到网络中间件的回传数据后，对数据进行深度处理并存储，同时将数据以网页的形式对外发布，用户可以通过外网计算机访问远程服务器查看数据信息。在FPGA上实现运动目标检测方法的各功能模块，为实现畜禽状况的前端检测提供了技术保障。图像采用分组传输且每传一组数据都等待应答，这样确保图像完整传输，避免了丢包现象。本专利技术对畜禽视频图像采集和传输系统的设计，利用FPGA和无线传输通信的技术，实现了对畜禽视频图像的快速可靠采集，并通过无线网络上传到远程服务器，系统传输速率满足数据上传的实时性要求。本专利技术采用无线通信网络的方式，避免了因传统布线方式带来的成本和稳定性上的不足，高可靠性能够保证本系统长期稳定工作。另外，无线通信网络具有较高的实时性，数据采集及时便捷，从而保障整体系统的运行效率。FPGA(Field－ProgrammableGateArray)，即现场可编程门阵列，是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路。有益效果：本系统对畜舍内畜禽进行视频图像检测，无需人工现场值守观看，通过分析记录畜舍内畜禽的行为，能够及时发现突发情况并通知饲养员采取相应措施，减少因突发情况处理不及时二造成的损失，整体提升养殖厂工作效率。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做更进一步的具体说明，本专利技术的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。图1是一种基于FPGA的畜舍图像采集分析和传输系统的示意图；图2是图像采集模块硬件电路图；图3是图像采集流程图；图4是视频图像处理模块的工作流程图；图5是有损JPEG图像压缩流程图；图6是通信流程图；图7是整体框架图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术作详细说明。本专利一种基于FPGA的畜舍图像采集分析和传输系统，结合FPGA、CMOS摄像头和无线通信模块，选取具有代表性的猪舍为场景，设计了畜禽图像采集、处理与无线传输系统，提出了一种功耗低、成本小、速度快的图像采集、处理和传输方案。内容包括：利用CMOS摄像头及视频编码芯片设计组成的畜舍视频图像采集模块，用来采集畜禽活动的视频图像信息；设计以FPGA为核心的畜禽视频图像处理模块，通过该模块实现对畜禽活动的视频图像进行处理分析并报警；采用基于3G技术的无线通信模块，将经过处理的视频图像信息及分析结果上传至监控中心服务器，并可同时将结果至饲养员的手机端，及时通知，及时处理。要解决的关键问题：(1)采集终端架构及硬件电路设计。(2)视频图像的采集和彩色恢复。(3)FPGA运动目标检测算法的固化。(4)图像压缩算法。(5)嵌入式网络视频通信。本申请提案的技术方案的详细阐述技术方案系统通过CMOS摄像头采集畜舍内畜禽的视频图像信息，经过视频编码芯片转换成特定格式的数字视频信号后，送入FPGA进行视频图像预处理，并对畜禽的视频图像进行特征分析，分析的结果和处理后的视频信号或图像信号经过压缩后由3G无线通信模块传送到服务器或其他符合协议的设备。服务器收到信息后进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FPGA的畜舍图像采集分析和传输系统，其特征在于，包括视频图像采集模块、视频图像处理模块、图像编码压缩设计模块、数据通信传输模块和服务器模块；视频图像采集模块：对畜舍内畜禽的视频图像进行采集，并编码转换成数字视频信号发送给视频图像处理模块；视频图像处理模块：对编码后的视频图像进行预处理以及模式识别，再采用单高斯模型进行运动检测跟踪，判别畜舍内畜禽的个数；图像编码压缩设计模块：采用以DCT变换为基础的顺序有损编码压缩方式来进行分娩图像的压缩；数据通信传输模块：与终端进行数据通信，再将视频图像传输至远程的服务器模块；服务器模块：对视频图像接收、存储、决策和发布。

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的畜舍图像采集分析和传输系统，其特征在于，包括视频图像采集模块、视频图像处理模块、图像编码压缩设计模块、数据通信传输模块和服务器模块；视频图像采集模块：对畜舍内畜禽的视频图像进行采集，并编码转换成数字视频信号发送给视频图像处理模块；视频图像处理模块：对编码后的视频图像进行预处理以及模式识别，再采用单高斯模型进行运动检测跟踪，判别畜舍内畜禽的个数；图像编码压缩设计模块：采用以DCT变换为基础的顺序有损编码压缩方式来进行分娩图像的压缩；数据通信传输模块：与终端进行数据通信，再将视频图像传输至远程的服务器模块；服务器模块：对视频图像接收、存储、决策和发布。2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的畜舍图像采集分析和传输系统，其特征在于，视频图像采集模块包括OV7670芯片、FIFO存储器、电源管理芯片以及外围接口电路，图像数据先放到FIFO缓冲中，再由FPGA芯片从FIFO中的读取数据、完成图像采集任务。3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的畜舍图像采集分析和传输系统，其特征在于，包括图像的采集步骤：步骤1：FPGA首先进行初始化，进而对OV7670模块进行初始配置，然后系统进入等待状态；步骤2：OV7670开始输出图像数据，FPGA等待接收图像帧同步信号，进入中断后开始判断是否可以向FIFO写入数据，当可以向FIFO写入数据时，图像数据开始以像素为单位写入FIFO，此时控制器将rFlag置1，wFlag置0；步骤3：当检测到可以从FIFO缓存中读取数据，FPGA将复位FIFO的读指针，此时输出使能信号，读取FIFO时钟，从FIFO读取图像里第一像素高字节，继续读取FIFO时钟，从FIFO读取图像里第一像素低字节，图像数据并存入缓存中，如此循环读取，即可实时获取图像数据。4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的畜舍图像采集分析和传输系统，其特征在于，视频图像处理模块对编码后的视频图像进行滤波、去噪、二值化预处理，然后进行模式识别，设定阈值分割畜舍内畜禽目标，提取出目标对象，进行静态图像分析，接着采用单高斯模型进行运动检测跟踪，提...

【专利技术属性】
技术研发人员：张弛，马奉先，马乐，徐啸峰，林珂，
申请(专利权)人：中通服咨询设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32