唐躍平，褚澤帆，符偉杰，諸 杰，尹新沆，王亮亮，孫 奕

（1. 水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012；

2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012；

3. 河海大學(xué)，江蘇 南京 210098）

基于視頻網(wǎng)絡(luò)服務(wù)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

唐躍平1,2，褚澤帆1,2，符偉杰1,2，諸 杰1,2，尹新沆1,2，王亮亮1,2，孫 奕3

（1. 水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012；

2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012；

3. 河海大學(xué)，江蘇 南京 210098）

現(xiàn)有水文遙測(cè)終端無(wú)法實(shí)現(xiàn)包括視頻信號(hào)在內(nèi)的多通道數(shù)據(jù)采集，傳統(tǒng)的視頻網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控也不能很好滿足水利水文行業(yè)的遙測(cè)需求，通過(guò)利用信息融合技術(shù)，提出一種基于嵌入式 ARM 系統(tǒng)的水利水文多通道數(shù)據(jù)采集控制方案。該多通道系統(tǒng)終端軟件部分采用嵌入式 Linux 系統(tǒng)編程，硬件部分控制多通道信息的采集。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)終端采集通道具有很強(qiáng)可擴(kuò)展性，并且實(shí)現(xiàn)基于嵌入式終端的視頻圖像、圖片采集，具有很好的技術(shù)先進(jìn)性和良好的應(yīng)用前景。

水文儀器；視頻監(jiān)控；無(wú)線通信；多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

隨著我國(guó)自然氣候環(huán)境的變化，泥石流、山體滑坡及洪澇災(zāi)害嚴(yán)重影響著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，這就對(duì)水位、流速等傳統(tǒng)水文監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控提出了更高要求。根據(jù)《關(guān)于加快應(yīng)急產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見》[1]，水文信息化多通道數(shù)據(jù)采集可以提高信息采集、傳輸?shù)臅r(shí)效性和自動(dòng)化水平，是水文現(xiàn)代化建設(shè)的基礎(chǔ)和重要標(biāo)志。為適應(yīng)國(guó)家信息化建設(shè)、信息技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)、流域和區(qū)域管理的要求，大力推進(jìn)水文信息化的進(jìn)程，全面提高水文工作科技含量，是保障水文與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展相適應(yīng)的必然選擇。目前，不間斷監(jiān)測(cè)各種條件下的水情變化，多樣化信息采集（尤其是視頻信號(hào)采集）、數(shù)據(jù)通信和功耗問題成為水文信息化改革中亟需解決的難題?，F(xiàn)有水文遙測(cè)終端設(shè)備只能單獨(dú)進(jìn)行水文信息采集，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)多通道數(shù)據(jù)的采集，尤其無(wú)法進(jìn)行視頻信息的統(tǒng)一控制管理，遇到通信干擾情況則無(wú)法進(jìn)行信息傳輸，會(huì)延誤預(yù)警及防范的時(shí)間。

水文行業(yè)目前的視頻圖像、圖片傳輸未能和其他水文要素傳感器結(jié)合在一起，是通過(guò)嵌入式 ARM處理器形成具有視頻網(wǎng)絡(luò)服務(wù)特色的多通道遙測(cè)終端設(shè)備。因此，水文水利領(lǐng)域特別需要一款終端設(shè)備能夠具有支持特定事件觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的視頻圖像、圖片采集傳輸?shù)墓δ埽丛谟炅?、水位或其他傳感器采集到的信?hào)達(dá)到設(shè)定警戒值或者人工實(shí)時(shí)觸發(fā)時(shí)，使得網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)按照特定指令響應(yīng)不同的動(dòng)作，從而在水利水文領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)及時(shí)、智能化遙測(cè)監(jiān)控。

為此，研制一種基于多通道數(shù)據(jù)采集的水文信息智能遙測(cè)終端系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱采集終端系統(tǒng)），在多種無(wú)線通信模式支持下，能夠兼容多種水文傳感器與視頻信息的采集，并利用太陽(yáng)能對(duì)信息采集提供電力支持，常規(guī)無(wú)線通訊模式與衛(wèi)星通訊模式協(xié)同運(yùn)行，提高信息傳輸效率。

1 設(shè)計(jì)原則

按照全國(guó)水文科技發(fā)展規(guī)劃的要求，多通道信息采集終端系統(tǒng)遵循以下設(shè)計(jì)原則：1）先進(jìn)性。整個(gè)采集終端系統(tǒng)采用的設(shè)備和技術(shù)滿足一定的先進(jìn)性。2）實(shí)用性。采集終端系統(tǒng)性價(jià)比高，維護(hù)簡(jiǎn)單，功耗低，費(fèi)用低。3）擴(kuò)展性。采集終端系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集，預(yù)留擴(kuò)展口，以便擴(kuò)展其他信息采集。4）實(shí)時(shí)性。采集終端系統(tǒng)圖像、圖片及水文數(shù)據(jù)信息通過(guò)多通道并發(fā)實(shí)時(shí)傳輸，安全可靠性高，適合野外無(wú)人值守特點(diǎn)。6）獨(dú)立性。采集終端各功能通道模塊之間相互獨(dú)立。

2 設(shè)計(jì)構(gòu)架

伴隨著計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，視頻編解碼技術(shù)的日益成熟，計(jì)算機(jī)處理能力的快速提高及寬帶的逐漸普及，基于 3G 無(wú)線網(wǎng)的視頻遙測(cè)終端系統(tǒng)顯得越來(lái)越重要。根據(jù)采集終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程及原則，將視頻網(wǎng)絡(luò)服務(wù)遙測(cè)終端系統(tǒng)分為水文數(shù)據(jù)采集、信息數(shù)據(jù)處理、無(wú)線通信、電源控制、數(shù)據(jù)接收及 Web 展示 6 個(gè)子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)運(yùn)作，構(gòu)成整個(gè)視頻網(wǎng)絡(luò)服務(wù)遙測(cè)終端產(chǎn)品，構(gòu)架如圖 1 所示。

圖1 采集終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)架圖

根據(jù)采集終端系統(tǒng)的需求與功能設(shè)計(jì)，主要進(jìn)行基于視頻網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的遙測(cè)終端設(shè)備研制，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)站與控制中心的大數(shù)據(jù)量傳輸，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和圖像信息的 Web 遠(yuǎn)程查詢功能。

1）水文數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。不同傳感器采集獲得水文要素的信號(hào)方式是不同的，如 LS20B 型流速儀的信號(hào)是由磁鋼和干簧管產(chǎn)生的，旋漿旋轉(zhuǎn) 1 圈，干簧管產(chǎn)生 2 個(gè)接觸信號(hào)，流速儀型號(hào)不同，其旋轉(zhuǎn) 1 圈產(chǎn)生的信號(hào)數(shù)量也不同[2]；WFH-2 型浮子式水位計(jì)通過(guò)軸角編碼器將水位模擬量轉(zhuǎn)換為 12 路并行數(shù)字信號(hào)[3]。水文數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)視頻圖像、圖片、流速（流量）及水位等數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)不同水文要素傳感器設(shè)計(jì)相應(yīng)的接口電路函數(shù)，形成不同傳感器統(tǒng)一管理控制，不僅降低投入經(jīng)費(fèi)、系統(tǒng)功耗及產(chǎn)品維護(hù)費(fèi)用，還極大地節(jié)省流量開銷，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程大數(shù)據(jù)量通信及高性能實(shí)時(shí)遙測(cè)遙控，是符合水利水文行業(yè)特色的視頻網(wǎng)絡(luò)服務(wù)遙測(cè)終端設(shè)備。

2）信息數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。信息數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)根據(jù)不同水文傳感器信號(hào)及服務(wù)器發(fā)來(lái)的指令做相應(yīng)的程序響應(yīng)，是整個(gè)采集終端系統(tǒng)的核心。

3）無(wú)線通信子系統(tǒng)。無(wú)線通信子系統(tǒng)選用聯(lián)通 3G 無(wú)線通信模塊，采用 32 位通信處理器及無(wú)線模塊，自帶 WIFI 功能，方便后期多點(diǎn)組網(wǎng)，并且支持定時(shí)上下線，降低功耗。在服務(wù)器和 3G 無(wú)線通信子系統(tǒng)之間搭建 VPN 通道，視頻、圖片、流速（流量）及水位等數(shù)據(jù)由微處理器處理控制，然后傳輸至服務(wù)器，服務(wù)器以 Web 形式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查看、實(shí)時(shí)查詢調(diào)度及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)下載等功能，同時(shí)服務(wù)器端可遠(yuǎn)程操作控制終端設(shè)備。

4）電源控制子系統(tǒng)。因水利水文行業(yè)特點(diǎn)限制，要設(shè)法降低系統(tǒng)運(yùn)行功耗，盡量保證設(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間沒有太陽(yáng)能的情況下持續(xù)工作，電源控制子系統(tǒng)在微處理器控制下可單獨(dú)管理各獨(dú)立子系統(tǒng)供電。

5）數(shù)據(jù)接收子系統(tǒng)。自報(bào)模式下，數(shù)據(jù)接收子系統(tǒng)將終端設(shè)備發(fā)來(lái)的雨量、水位信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，將圖片信息存儲(chǔ)到服務(wù)器相應(yīng)文件夾中。實(shí)時(shí)查詢模式下，數(shù)據(jù)接收子系統(tǒng)解析 Web端發(fā)來(lái)的指令，并將指令信息發(fā)送至終端設(shè)備，同時(shí)監(jiān)聽終端設(shè)備響應(yīng)的信息，將響應(yīng)信息傳送至 Web 端。

6）Web 展示子系統(tǒng)。根據(jù)采集終端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則與總體設(shè)計(jì)的要求，Web 展示子系統(tǒng)既要實(shí)現(xiàn)水位、雨量、視頻、圖片的實(shí)時(shí)采集，存儲(chǔ)，展示等功能，又要保證系統(tǒng)良好的擴(kuò)展性、獨(dú)立性。因此，Web 展示子系統(tǒng)采用 MVC（Model－View－Controller）設(shè)計(jì)模式，利用業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)、界面顯示分離的方法進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。根據(jù) Web 展示子系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，并遵循采集終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則和方法，Web 展示子系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法，主要包括以下 3 個(gè)功能模塊：

a. 視頻在線監(jiān)測(cè)模塊。視頻在線監(jiān)測(cè)模塊通過(guò)RTSP 協(xié)議進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線播放，實(shí)現(xiàn)視頻的播放、停止、全屏等功能。

b. 水文信息監(jiān)測(cè)模塊。主要實(shí)現(xiàn)水文信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)與定時(shí)獲取功能，定時(shí)獲取功能主要包括日期的選擇、監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的選擇、數(shù)據(jù)的查詢、數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)打印等功能，實(shí)時(shí)獲取功能主要實(shí)現(xiàn)水文信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取。

c. 圖像信息采集模塊。主要實(shí)現(xiàn)圖像的定時(shí)與實(shí)時(shí)獲取功能，圖像的定時(shí)獲取功能主要包括日期的選擇、圖像的查詢、圖像的顯示、圖像的自動(dòng)播放等功能，實(shí)時(shí)獲取功能主要實(shí)現(xiàn)獲取當(dāng)前時(shí)間的實(shí)時(shí)圖像。

3 視頻采集設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)包括視頻圖像、流速（流量）數(shù)據(jù)、水位數(shù)據(jù)等采集通道及其他信息采集預(yù)留接口通道，其中視頻圖像、圖片的采集是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)由網(wǎng)絡(luò)編碼模塊和模擬攝像機(jī)組合而成，采集終端系統(tǒng)選用的槍型網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)分辨率達(dá) 140 萬(wàn)像素（1 280×1 024），采用 H.264 編碼輸出 1 280×1 024 @ 30 fps 實(shí)時(shí)圖像，監(jiān)控距離遠(yuǎn)，適合野外無(wú)人值守。根據(jù)水利水文行業(yè)特點(diǎn)，同時(shí)考慮到帶寬流量，要求終端系統(tǒng)每間隔一定時(shí)間采集發(fā)送 1 幅圖片。遇到突發(fā)事故可傳輸實(shí)時(shí)視頻，及時(shí)了解當(dāng)?shù)噩F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，便于遠(yuǎn)程調(diào)度，實(shí)現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)。平常情況下根據(jù)圖片觀察野外現(xiàn)場(chǎng)，既降低流量開銷，又減少攝像機(jī)工作時(shí)間，從而降低功耗，滿足水利水文行業(yè)特點(diǎn)。但網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)提供的設(shè)備網(wǎng)絡(luò) SDK 只支持 X86 構(gòu)架下的 Windows 及Linux 系統(tǒng)平臺(tái)，不支持 ARM 構(gòu)架的嵌入式操作系統(tǒng)，因此，不能直接根據(jù)設(shè)備網(wǎng)絡(luò) SDK 編程實(shí)現(xiàn)圖片的獲取。由于輸出的視頻碼流支持 RTSP（實(shí)時(shí)流媒體協(xié)議），該協(xié)議是 TCP/IP 協(xié)議體系中的一個(gè)應(yīng)用層協(xié)議，定義了一對(duì)多應(yīng)用程序如何有效地通過(guò) IP 網(wǎng)絡(luò)傳送多媒體數(shù)據(jù)。FFmpeg 是一套可以用來(lái)記錄、轉(zhuǎn)換數(shù)字音頻和視頻，并能將其轉(zhuǎn)化為流的開源計(jì)算機(jī)程序，包含 libavformat，libavcodec，libavutil，libswscale 及 libpostproc 音頻/視頻編解碼庫(kù)，并且支持 HTTP，RTP 及 RTSP 等協(xié)議，通過(guò)FFmpeg 對(duì) RTSP 視頻抓圖，獲取圖片。標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議沒有平臺(tái)限制，在由嵌入式 ARM 構(gòu)架組成的多通道數(shù)據(jù)采集終端中，可通過(guò) FFmpeg 得到圖片，相關(guān)功能函數(shù)如下：

微處理器將獲取到的圖片以當(dāng)前時(shí)間命名，并通過(guò) socket 網(wǎng)絡(luò)編程經(jīng) 3G 無(wú)線模塊發(fā)送出去。其中socket 套接字編程包括服務(wù)器和客戶端，過(guò)程如圖 2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)編程

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采集到的視頻流，通過(guò)嵌入式 ARM微處理控制，經(jīng)過(guò) 3G 無(wú)線通信模塊傳輸至服務(wù)器，服務(wù)器端通過(guò)多媒體網(wǎng)絡(luò)視頻播放軟件 VLC 進(jìn)行播放。水文要素傳感器采集來(lái)的水文信息，以及服務(wù)器發(fā)來(lái)的控制指令，經(jīng)信息處理子系統(tǒng)應(yīng)用程序綜合處理，可按自報(bào)式及查詢方式實(shí)現(xiàn)水文信息數(shù)據(jù)的上傳及交互功能。應(yīng)用程序設(shè)置定時(shí)自報(bào)，時(shí)間事件觸發(fā)，水文數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳；Web 端發(fā)送的指令，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)接收子系統(tǒng)解析處理，傳輸至信息數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，應(yīng)用程序根據(jù) Web 指令信息響應(yīng)對(duì)應(yīng)的水文數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)至 Web 端。數(shù)據(jù)上傳和交互流程圖分別如圖 3 和 4 所示。

圖3 數(shù)據(jù)上傳流程圖

圖4 數(shù)據(jù)交互流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

基于視頻網(wǎng)絡(luò)服務(wù)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)涉及到機(jī)械式流速儀、水位傳感器、視頻采集傳感器等多種傳感器的數(shù)據(jù)采集及處理與傳輸，各個(gè)傳感器采集到的水文信息數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信息數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)統(tǒng)一控制處理，既可以分別獨(dú)立定時(shí)或者實(shí)時(shí)采集傳輸，又可以設(shè)置 1 個(gè)或多個(gè)水文信息數(shù)據(jù)警戒值，當(dāng)相應(yīng)信息數(shù)據(jù)達(dá)到該警戒值，觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采集傳輸視頻圖像或者圖片，抓拍特定場(chǎng)景及實(shí)時(shí)觀看現(xiàn)場(chǎng)情況，以便管理部門及時(shí)做出相應(yīng)的應(yīng)急方案，最大程度地減少災(zāi)害損失。將基于視頻網(wǎng)絡(luò)服務(wù)多通道數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)應(yīng)用到山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)、中小河流防治預(yù)警系統(tǒng)、中小型水庫(kù)監(jiān)測(cè)及應(yīng)急監(jiān)測(cè)等方面，可及時(shí)掌握監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水文和現(xiàn)場(chǎng)圖像信息，為防災(zāi)減災(zāi)、突發(fā)事件處理等提供及時(shí)有用的技術(shù)支持。并且根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，設(shè)置不同傳感器的不同警戒值，可以研制一系列的具有視頻網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能的智能化遙測(cè)終端設(shè)備，具有很大的推廣應(yīng)用前景。

通過(guò)研究，研制的水情、圖像、圖片實(shí)時(shí)采集無(wú)線傳輸?shù)亩嗤ǖ佬畔⒉杉到y(tǒng)，性能滿足GB/T 27994-2011《水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)備通用技術(shù)條件》的相關(guān)要求[4]，可通過(guò)產(chǎn)業(yè)化實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

[1] 國(guó)務(wù)院辦公廳. 關(guān)于加快應(yīng)急產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見（國(guó)辦發(fā)〔2014〕63號(hào)）[S]. 北京：國(guó)務(wù)院辦公廳，2014: 1-2.

[2] 姚永熙. 水文儀器與水利水文自動(dòng)化[M]. 南京：河海大學(xué)出版社，2001: 74-89.

[3] 林祚頂. 水文現(xiàn)代化與水文新技術(shù)[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2008: 41-46.

[4] 中華人民共和國(guó)水利部. GB/T 27994-2011 水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)備通用技術(shù)條件[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012: 3-8.

Research and Design of Multi-channel Data Acquisition System based on Video Network Services

TANG Yueping1,2, CHU Zefan1,2, FU Weijie1,2, ZHU jie1,2, YIN Xinhang1,2,WANG Liangliang1,2, SUN Yi3

(1. Nanjing Water Conservancy and Hydrology Automation Institute Engineer, Nanjing 210012, China;
2. Hydrology and Water Resources Monitoring Engineering Technology Research Center, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China;
3. College of Computer and Information, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Existing hydrological RTU can not achieve multi-channel data acquisition including video signals. And traditional video network monitoring can not meet to telemetry demand of water conservancy hydrological industry. Through the use of information fusion technology, the article proposes the multi-channel data acquisition scheme of water conservancy and hydrological based on embedded ARM system. The software part of the system uses embedded Linux programming. And the hardware part is used to control multi-channel information collection. The experiment results show that terminal acquisition channels of the system have strong expansion and can realize collecting of video image and pictures. It has well technical advancement and good application prosect.

hydrological instruments; video surveillance; wireless communication; multi-channel data acquisition system

P335；TN91

A

1674-9405(2015)02-0045-04

2015-01-06

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)重點(diǎn)基金項(xiàng)目（Y913016）

唐躍平（1961－），男，江蘇丹陽(yáng)人，高級(jí)工程師，研究方向：信號(hào)與信息處理、水利信息化。