唐躍平,符偉杰,褚澤帆,尹新沆,王亮亮

(水利部南京水利水文自動化研究所 江蘇 南京 210036)

水文信息化智能遙測終端的研究與設(shè)計(jì)

唐躍平,符偉杰,褚澤帆,尹新沆,王亮亮

(水利部南京水利水文自動化研究所 江蘇 南京 210036)

按照全國水文科技發(fā)展規(guī)劃的要求,為了實(shí)現(xiàn)水利水文行業(yè)要求多通道水文傳感器以及視頻、圖片信息采集的目的,將視頻監(jiān)控和無線通信網(wǎng)技術(shù)結(jié)合,提出一種基于嵌入式系統(tǒng)的水利水文通信控制方案。該系統(tǒng)的軟件部分采用Linux系統(tǒng)編程,硬件部分實(shí)現(xiàn)信息的采集、處理以及傳輸。實(shí)際應(yīng)用表明,該智能終端系統(tǒng)具有低功耗、帶寬利用率高、遠(yuǎn)程大數(shù)據(jù)量通信以及高性能實(shí)時遙測遙控的特點(diǎn),達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

水文傳感器；視頻監(jiān)控；無線通信；智能終端

隨著水文遙測技術(shù)的發(fā)展,各種帶寬數(shù)據(jù)通信技術(shù)也不斷得到發(fā)展,尤其是無線寬帶技術(shù)的飛速發(fā)展,無線3G、4G網(wǎng)絡(luò)也在各領(lǐng)域推廣應(yīng)用,這些技術(shù)的發(fā)展給水文遙測大數(shù)據(jù)量傳輸控制帶來?xiàng)l件?，F(xiàn)如今水文遙測的需求不斷提高,尤其是山洪災(zāi)害監(jiān)測,對大數(shù)據(jù)量以及實(shí)時圖像信息傳輸提出了更高的要求。一旦出現(xiàn)突發(fā)事件,不但需要掌握當(dāng)前水情信息,還需及時了解當(dāng)?shù)噩F(xiàn)場實(shí)際情況,但現(xiàn)階段,國內(nèi)外在水情遙測方面還沒有專門的基于視頻網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的水利水文信息化智能遙測終端系統(tǒng)。因此,通過本項(xiàng)目的研究設(shè)計(jì),可使我國的水文遙測技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平。現(xiàn)階段有線、無線帶寬視頻網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器主要用于視頻圖像的實(shí)時傳輸和監(jiān)視,但如何將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到水文遙測中還有很多關(guān)鍵技術(shù)需要研究,尤其將水情信息的采集納入到視頻圖像終端中,且視頻圖像終端應(yīng)具備低功耗、高通信率、寬工作環(huán)境、穩(wěn)定性可靠以及能夠?qū)崿F(xiàn)圖片控制傳輸?shù)奶攸c(diǎn),必須適應(yīng)各種條件下的應(yīng)用。

ARM構(gòu)架是一個32位精簡指令集（RISC）處理器架構(gòu),具有體積小、低功耗、高性能等特點(diǎn)［1］?；谇度胧紸RM系統(tǒng)的通信控制方案,適應(yīng)水利水文行業(yè)特點(diǎn),能夠滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)需求,完全適應(yīng)野外無人值守條件。

1 總體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目主要研究設(shè)計(jì)的終端設(shè)備利用現(xiàn)有無線視頻服務(wù)器的圖像采集傳輸技術(shù)與水文信息采集技術(shù)相結(jié)合,基于高速數(shù)字圖像處理能力及相應(yīng)處理軟件,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程水文信息和圖像、圖片信息的實(shí)時查詢功能。該設(shè)備主要包括視頻信息采集子系統(tǒng)、水文數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、信息數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、無線通信子系統(tǒng)、電源控制子系統(tǒng)等,終端設(shè)備基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 設(shè)計(jì)思路

為了降低研發(fā)成本和周期,盡快實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能,采用模塊化設(shè)計(jì)思想。模塊是構(gòu)成產(chǎn)品的一部分,具有獨(dú)立功能和一致的幾何連接接口和一致的輸入、輸出接口,相同種類的模塊在產(chǎn)品族中可以重用和互換,相關(guān)模塊的排列組合就可以形成最終的產(chǎn)品。模塊化設(shè)計(jì)具有如下優(yōu)勢:

1）模塊的組合配置,就可以創(chuàng)建不同需求的產(chǎn)品,滿足客戶的定制需求；

2）相似性的重用,既可以重用已有零部件和已有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),也可以重用整個產(chǎn)品生命周期中的采購、物流、制造和服務(wù)資源；

3）減少產(chǎn)品工程復(fù)雜程度,因?yàn)槟K是產(chǎn)品部分功能的封裝,產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員使用具體模塊時根本不用關(guān)心內(nèi)部實(shí)現(xiàn),使研發(fā)人員更加關(guān)注頂層邏輯,提高產(chǎn)品工程管可靠性。

在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體功能基礎(chǔ)上,根據(jù)系統(tǒng)自身的特點(diǎn),包括低功耗和其他方面等要求,對各模塊進(jìn)行優(yōu)化,除去不需要的部分,實(shí)現(xiàn)模塊之間的整合,開發(fā)具有水文特色并且具有市場競爭力的產(chǎn)品。該系統(tǒng)在硬件方面涉及網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、水文要素傳感器、ARM開發(fā)板以及3G無線傳輸?shù)饶K［2］,軟件方面是以數(shù)據(jù)采集和Linux嵌入式操作系統(tǒng)為主的獨(dú)立模塊。

圖1 終端系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖Fig.1 Structure diagram of the terminal system

3 分項(xiàng)設(shè)計(jì)

3.1 視頻信息采集子系統(tǒng)

視頻信息采集子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)H.264壓縮的視頻圖像的實(shí)時采集［3］。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采集到的視頻碼流支持RTSP（實(shí)時流媒體協(xié)議）。RTSP是TCP/IP協(xié)議體系中的一個應(yīng)用層協(xié)議［4-5］,可通過ffmpeg對其幀解析,ffmpeg是一個開源免費(fèi)跨平臺的視頻和音頻流方案,屬于自由軟件,采用LGPL或GPL許可證（依據(jù)你選擇的組件）,提供錄制、轉(zhuǎn)換以及流化音視頻的完整解決方案,包含非常先進(jìn)的音/視頻編解碼庫libavcodec,保證高可移植性和編解碼質(zhì)量。

3.2 水文數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

水文數(shù)據(jù)采集為水文要素傳感器獲得水文信息傳輸至ARM開發(fā)板,對水文信息數(shù)據(jù)的采集必須充分考慮到可能用到的各種傳感器輸出信號和接口形式,以預(yù)留充分的采集接口。本設(shè)備主要用到的傳感器和輸出信號如表1所示。

表1 傳感器信號格式Tab.1 Sensor signal format

對于各種信號輸出可以采用不同的方式采集:

1）脈沖信號:接至單片機(jī)外部中斷I/O口,設(shè)為脈沖觸發(fā),每產(chǎn)生一次中斷信號計(jì)數(shù)一次,存到內(nèi)存中；

2）并行數(shù)字信號:數(shù)據(jù)經(jīng)過74LS373鎖存器接至單片機(jī)I/O口處理；

3）4～20 mA電流輸出:后面接精密電阻到地,將電流信號轉(zhuǎn)為大電壓信號,經(jīng)過濾波和AD轉(zhuǎn)換,送給單片機(jī)處理；

4）RS-232信號:接至單片機(jī)串口直接采集,該單片機(jī)具有兩個串口,一個已用于和mini2440通信,只能外接一路傳感器；

5）RS-485信號:通過RS-485轉(zhuǎn)RS-232模塊送給單片機(jī)串口。

3.3 信息數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

在系統(tǒng)中,信息數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)主要包括mini2440的ARM開發(fā)板、外部接口控制電路、外部存儲卡控制電路及相應(yīng)的控制電路等組成。硬件方面根據(jù)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的數(shù)據(jù)處理流程以及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法學(xué)的原則,分析各信號流程和速率,完成PCB設(shè)計(jì),最終完成硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì),軟件方面主要用于圖像、圖片以及水文信息的獲取轉(zhuǎn)發(fā)處理,并且控制各電源模塊,實(shí)現(xiàn)低功耗的設(shè)計(jì)。

1）視頻圖像信號的采集與處理

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)用RJ45網(wǎng)線連接至信息數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng), ARM開發(fā)板基于RTSP對網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)傳輸過來的視頻碼流取幀,獲得一副jpeg格式圖片,根據(jù)socket套接字編程,將圖片經(jīng)過3G模塊傳輸至中心站。經(jīng)交叉編譯ffmpeg庫函數(shù),經(jīng)取幀函數(shù)指令得到的圖片分辨率為1 280×1 024,并且根據(jù)水文行業(yè)規(guī)范調(diào)用shell腳本以年月日時分秒命名,此shell腳本指令為cp filename.jpeg`date+﹪Y﹪m﹪d﹪H﹪M﹪S`.jpeg。實(shí)驗(yàn)結(jié)果由圖2可見,圖片清晰度很高,所識別距離遠(yuǎn),滿足水利水文行業(yè)需求特點(diǎn)。

圖2 圖像采集實(shí)驗(yàn)測試Fig.2 Test of the image acquisition experimental

2）水文要素傳感器信號的采集與處理

雨量計(jì)輸出脈沖信號,ARM開發(fā)板在一定時間內(nèi) （一個小時）獲取此脈沖累加和,將結(jié)果通過串口傳輸至3G模塊, 3G無線模塊根據(jù)TCP/IP協(xié)議發(fā)送給中心站。數(shù)據(jù)接收實(shí)驗(yàn)可通過串口終端驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 雨量計(jì)串口接收實(shí)驗(yàn)測試Fig.3 Serial port receive test of rain gauge

3.4 無線通信子系統(tǒng)

無線通信子系統(tǒng)為3G無線通信模塊,實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)和視頻圖像信息的實(shí)時傳輸和查詢。在中心站和3G模塊之間搭建VPN通道,視頻圖像由ARM開發(fā)板控制,經(jīng)開發(fā)板以太網(wǎng)口連接3G模塊,將視頻圖像、圖片以及水位信息轉(zhuǎn)發(fā)至中心站。

3.5 電源控制子系統(tǒng)

因水利水文行業(yè)限制,終端設(shè)備工作于偏遠(yuǎn)地區(qū),不能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)供電,采用太陽能蓄電池作為電源就必須考慮到系統(tǒng)的功耗問題,盡量保證設(shè)備在長時間沒有太陽能的情況下持續(xù)工作。電源子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各部分供電控制,為了降低功耗,便于直流供電的要求,需要對各部分電路的供電進(jìn)行單獨(dú)控制。不需要采集視頻信號時網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)處于關(guān)機(jī)狀態(tài),ARM處理器以及3G無線通信模塊處于休眠狀態(tài),只有水文數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài),當(dāng)滿足觸發(fā)條件或遠(yuǎn)程短信及撥號喚醒時,視頻采集部分上電工作,ARM處理器以及3G無線通信模塊正常工作。

電源系統(tǒng)應(yīng)盡量減少不同電壓輸入數(shù)量,并做好模擬電源和數(shù)字電源的隔離,防止高頻數(shù)字信號影響電源的穩(wěn)定性。系統(tǒng)采用12 V太陽能蓄電池作為電源（由太陽能板將太陽能轉(zhuǎn)換成電能儲存）,直接給網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)供電,并通過降壓芯片分別轉(zhuǎn)換成5 V和4 V,用于給ARM開發(fā)板和3G通信模塊供電。

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

該智能遙測終端系統(tǒng)應(yīng)用于水文信息化行業(yè),雨量計(jì)、水位計(jì)等水文要素傳感器和網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)構(gòu)成信息采集系統(tǒng)。其中,將網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采集到的圖片數(shù)據(jù)傳輸至ARM開發(fā)板,開發(fā)板通過ffmpeg依據(jù)視頻碼流中的RTSP取幀抓圖,獲得分辨率1 280*1 024的圖片,平常每間隔一段時間發(fā)送一幅圖片,這就極大的控制了3G傳輸過程中的流量,具有水文行業(yè)應(yīng)用特色。如遇重大災(zāi)情,又可調(diào)看實(shí)時視頻,及時獲取現(xiàn)場狀況,其處理具有實(shí)時可操作性。將水文要素傳感器采集到的水文信息同樣間隔一段時間經(jīng)3G無線模塊傳輸至中心站,既降低功耗,又能了解現(xiàn)場狀況,適合水文行業(yè)的應(yīng)用。

5 結(jié)論

通過本項(xiàng)目研究,研制一種可應(yīng)用緊急情況下使用的無線水情、圖像、圖片實(shí)時采集傳輸?shù)乃畔⒒悄苓b測設(shè)備,其性能滿足《GB/T27994-2011水文自動測報系統(tǒng)設(shè)備通用技術(shù)條件》的相關(guān)要求［6］,并通過產(chǎn)業(yè)化可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

［1］邱鐵.ARM嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與編程［M］.北京:清華大學(xué)出版社,2013.

［2］雷玉堂.安防&智能化:視頻監(jiān)控系統(tǒng)智能化實(shí)現(xiàn)方案［M］.北京:電子工業(yè)出版社,2013.

［3］滕國偉.H.264/AVC實(shí)時編碼系統(tǒng)及其相關(guān)算法的研究［M］.上海:上海大學(xué)出版社,2009.

［4］李峰,陳向益.TCP/IP協(xié)議分析與應(yīng)用編程［M］.北京:人民郵電出版社,2008.

［5］楊延雙,張建標(biāo),王全民,等.TCP/IP協(xié)議分析及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

［6］GB/T27994-2011,水文自動測報系統(tǒng)設(shè)備通用技術(shù)條件［S］.2001.

Research and design of hydrological information intelligent telemetry terminal

TANG Yue-ping，F(xiàn)U Wei-jie，CHU Ze-fan，YIN Xin-hang，WANG Liang-liang
（Nanjing Water Conservancy and Hydrology Automation Institute,Nanjing 210036，China）

In accordance with the requirements of the National Hydrology Science and Technology Development Plan，Hydrology Water Conservancy communication control program based on embedded system is proposed combining video surveillance with wireless communication network technology in order to achieve the purpose of Multi-channel hydrological sensor information collection as well as the video and image information acquisition that the Hydrology Water Conservancy Industry requires.The software part of the system uses Linux programming，and the hardware part is used to realize information collection，processing and transmission.The actual application showed that the intelligent terminal system meets the design requirements with the characteristics of low power consumption，high bandwidth utilization，large Amount of remote data communication and high-performance real-time telemetry and remote control.

hydrological sensor；video surveillance；wireless communication；intelligent terminal system

TN99

：A

：1674-6236（2015）18-0009-03

2014-11-25稿件編號：201411218

中央級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,江蘇丹陽人,高工。研究方向:信號與信息處理、水利信息化。