基于FPGA的监控模块设计及其在智能药盒上的应用

发布时间：2020-04-24 14:05

【摘要】：如今,随着患结核病等慢性病的患者越来越多,帮助病人的智能辅助技术在生活中越来越重要。年轻人有着工作的压力,忙碌的生活让他们无暇顾及吃药。而老年人作为一个特殊的群体,身体机能和认知能力逐渐减弱,这将给他们的日常服药造成障碍。医院中,由于慢性病人需要定时、定点、定量服药,护士必须走遍每个病床提醒患者服药,工作效率较低。市场上许多药盒虽然有了分类提示功能,但是,很少有智能药盒具有反馈功能,即直观的将患者服药的图像反馈回去,使医生和家人确认患者服药。因此,本文着手对智能药盒监控模块进行设计与研究。利用Verilog语言完成基本功能设计,完成拍摄,截图,存储,显示等基本操作,为后续功能实现打好硬件基础。完成OV7670摄像头初始化及实时拍摄功能,并将拍摄所得数据传给FPGA。完成主存储器SDRAM的控制电路,实现读、写及自动刷新数据。编写异步FIFO作为数据跨时钟域传输的缓存。驱动VGA显示器实现显示及截取图像功能。研究一种驱动摄像头对皮肤进行自动追踪的功能,利于行动不便的患者完成后续的人脸识别功能。对比若干种基于皮肤模型的检测算法,并实验。完成颜色空间转换算法的处理。利用皮肤像素定位法分别对水平,垂直两个方向的皮肤像素进行跟踪,并进行了实验验证。考虑到该方法在方向上受限,尝试将模糊集合理论引入到图像处理和追踪方向判定中,提出一种带模糊集合的方向直接判定法,经实验验证,可较为准确的判定皮肤区域位置。当皮肤位置变化时,方向能较为平滑的变化。在智能药盒中加入人脸识别功能,防止病人服错或忘记服药。研究多种人脸识别算法。利用像素灰度算法预处理所需图像,提高图像的质量,并实现基于FPGA的人脸识别功能。利用不同人员作为智能药盒用户验证识别过程,实验结果表明成功识别率近90%,具有实用价值。最后,本文分析了人脸识别通过后,药盒选择的主要依据和主要原则,研究在各种情况下打开药盒的判断方法,完成药盒选择逻辑及功能实现。
【图文】：

框图,框图,药盒,人脸识别

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第 2 章智能药盒监控模块的基本功能设计2.1 引言本章主要研究智能药盒监控模块的基本功能与电路搭建。系统由摄像头、处理器、存储模块、皮肤像素追踪、人脸识别及图像显示几个部分组成。本文将实现实时拍摄场景并在液晶屏上显示；利用肤色模型对皮肤像素追踪，防止跃出屏幕外；实现人脸识别控制药盒打开和对服药画面进行截图保存等功能。因此，本章中的研究重点是实现以上功能的基础模块搭建，即驱动摄像头获取数据，使用 SDRAM 储存数据，截取图像并输出给 VGA 显示器实时显示。总体框图如下。

摄像头,内部功能

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文.2 摄像头驱动模块摄像头模块实现的主要功能是:实时拍摄目标区域画面，并将获取数据传回制器以便进行后续处理。这就对方案设计提出了以下要求：（1）在选择摄像模块时，采集的图像应具有合适的分辨率。分辨率过小会导致图片失真，，过则会对后续数据存储部分，图像处理部分产生负担，增加数据处理时间。（2）像数据传输应稳定，可靠。（3）成本应控制在可接受范围内。综合以上要求，经过搜集资料及筛选，选择了 OV7670 摄像头。这是 OV司生产的一种 CMOS VGA 图像传感器。OV7670 图像传感器是一款低电压MOS 摄像头，通过串行摄像机控制总线协议（SCCB）控制。它具有 640*480感光阵列，最大三十万像素的分辨率较为适合本设计。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.41;TH789

【参考文献】