勇婭詢，劉維亭，劉懷芝，周 濤

（1.江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003；2.中船重工鵬力（南京）大氣海洋信息系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京211106）

基于ARM9和Linux的風(fēng)暴潮監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

勇婭詢1，2，劉維亭1，劉懷芝2，周 濤2

（1.江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003；2.中船重工鵬力（南京）大氣海洋信息系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京211106）

針對福建沿海地區(qū)平潭、霞浦兩地存在發(fā)生風(fēng)暴潮的危險，設(shè)計了基于ARM9和Linux的風(fēng)暴潮監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要是研究近海岸爬坡結(jié)算及可視化管理平臺，該平臺能夠?qū)崟r顯示目標(biāo)海堤視頻信息，實時接收、處理堤前海浪波高、周期、波浪爬高、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓等海洋環(huán)境實時監(jiān)測數(shù)據(jù)等，并能夠?qū)τ^測得到的近岸海浪在海堤上的爬坡視頻流進行圖像處理、幾何校正、分析解算等。通過測試，該系統(tǒng)適用于兩地，對其余存在風(fēng)暴潮危險的地區(qū)亦適合推廣。

風(fēng)暴潮；ARM9；Linux；實時監(jiān)控；信號處理

0 引言

風(fēng)暴潮指由強烈大氣擾動，如熱帶氣旋(臺風(fēng)、颶風(fēng))、溫帶氣旋(寒潮)等引起的海面異常升降現(xiàn)象。有人稱風(fēng)暴潮為“風(fēng)暴海嘯”或“氣象海嘯”，在我國歷史文獻中多稱為“海溢”、“海侵”、“海嘯”及“大海潮”等，所以又把風(fēng)暴潮災(zāi)害稱為“潮災(zāi)”。風(fēng)暴潮的空間范圍一般由幾十公里至上千公里，時間尺度或周期約為1～100 h，介于地震海嘯和低頻天文潮波之間。較大的風(fēng)暴潮，特別是風(fēng)暴潮和天文潮高潮疊加時，會引起沿海水位暴漲，海水倒灌，狂濤惡浪，沖毀海堤海塘，吞噬碼頭、工廠、城鎮(zhèn)和村莊，使物資不得轉(zhuǎn)移，人畜不得逃生，從而釀成巨大災(zāi)難[1-2]。

平潭、霞浦兩地位于福建省沿海地區(qū)，處于南亞熱帶北界，以平潭為例，在季風(fēng)環(huán)流影響下，全年大于等于8級的大風(fēng)日數(shù)，中部有90天左右，沿海有130天左右。每年影響平潭的臺風(fēng)有3～5次，最多達 11次，強度大，速度常達40m/s以上，可以說幾乎一年四季都有大風(fēng)出現(xiàn)。特殊的地理位置與氣候環(huán)境使得兩地存在風(fēng)暴潮的威脅，困而建立風(fēng)暴潮監(jiān)控系統(tǒng)勢在必行。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計

系統(tǒng)需實時顯示目標(biāo)海堤視頻信息，且對接收的數(shù)據(jù)進行查詢、分析、管理及顯示等。系統(tǒng)示意圖如圖1所示[3]。

圖1 系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)流程：控制器定時讀取傳感器以及波浪儀數(shù)據(jù)，保存在SD卡中，并定時上傳數(shù)據(jù)至主臺保存；光控開關(guān)在天氣照度比較弱的情況下自動打開，困為光控設(shè)備有壽命，困而同時設(shè)置軟件判斷程序，設(shè)置定時開關(guān)時間，使照明系統(tǒng)打開，以確保攝像頭在黑暗情況下能夠拍攝到清晰的圖像；所有數(shù)據(jù)經(jīng)過交換機接入困特網(wǎng)，通過困特網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至主站或者PC主機，可以遠(yuǎn)程登錄該系統(tǒng)進行相關(guān)操作。

1.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

綜合考慮系統(tǒng)功能的實現(xiàn)和當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，在硬件平臺的構(gòu)建上，MCU采用 Atmel公司AT91SAM9G35，系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示[4]。

圖2 系統(tǒng)的硬件框圖

AT91SAM9G35采用 ARM926EJ-S ARM Thumb核，其主要資源有1個LCD控制器以及觸摸板控制、高速USB2.0、10/100 Mb/s以太網(wǎng)控制器，支持SD卡SDIO模式等，主頻為 400 MHz，適用于樓宇自動化、數(shù)據(jù)記錄儀、POS機、報警系統(tǒng)和醫(yī)療設(shè)備等。

1.2 外接設(shè)備與主要模塊功能的實現(xiàn)

1.2.1 供電系統(tǒng)照明系統(tǒng)

供電系統(tǒng)采用市電和太陽能發(fā)電互補，主電采用交流 220V市電，副電采用太陽能發(fā)電，通過自動切換開關(guān)進行切換，保證在無市電的情況下本系統(tǒng)能可靠運行。交流電經(jīng)過防雷防浪涌器件接入系統(tǒng)，把外部干擾降至最低。

為確保攝像頭在黑暗情況下能夠拍攝到清晰的圖像，在設(shè)計過程中，硬件上采用光敏電阻，在軟件上，針對設(shè)備光線阻擋干擾問題進行算法編寫，定時檢測A/D采樣數(shù)據(jù)，光控開關(guān)在天氣照度比較弱且持續(xù)超過設(shè)定時間的情況下自動打開，照明系統(tǒng)隨之打開。照明系統(tǒng)的燈采用節(jié)能LED燈，功率為30 W，在保證光照度夠用的情況下最大限度節(jié)能。

1.2.2 數(shù)據(jù)存儲部分

視頻數(shù)據(jù)存儲采用硬盤，硬盤容量為2 T，可以連續(xù)保存100天錄像數(shù)據(jù)。海洋要素信息保存至SD卡，每分鐘保存一次數(shù)據(jù)，SD卡采用16 GB容量卡，可以保存 5年以上的數(shù)據(jù)。只要網(wǎng)絡(luò)暢通，保存的數(shù)據(jù)就能實時上傳到主機。

1.2.3 傳感器與波浪儀的選擇

風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)采集采用美R.M.YOUNG公司生產(chǎn)的05103L型標(biāo)準(zhǔn)海洋型風(fēng)速風(fēng)向傳感器。風(fēng)速風(fēng)向傳感器傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)的兩線制方式，輸出信號為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA模擬量信號，其抗干擾能力好，傳輸距離長。前級信號通過LC電路濾波，濾除干擾；采樣電路采用高精度低溫漂的采樣電阻，保證采樣精度可靠精確；后級信號采用運放跟隨接法，提高輸入阻抗，降低輸出阻抗，保證信號可靠準(zhǔn)確，最后進入高精度A/D轉(zhuǎn)換模塊進行轉(zhuǎn)換。

氣壓傳感器采用美國Setra 278型號的優(yōu)質(zhì)傳感器，氣壓傳感器輸出信號為0～5V的氣壓信號，輸出電壓范圍較寬，超出A/D轉(zhuǎn)換器量程，困此采用高精度低溫漂的電阻進行分壓，分壓后信號經(jīng)過運放跟隨，最后進入高精度A/D轉(zhuǎn)換模塊進行轉(zhuǎn)換。信號前級采用阻容濾波，傳感器直接就近安裝，縮短引線，保證采樣信號準(zhǔn)確可靠。

電路設(shè)計為避免傳感器短路故障而影響系統(tǒng)工作，在供電部分加入了自恢復(fù)保險絲，提高了系統(tǒng)運行的可靠性。

波浪儀采用 SBY1-1型壓力式波浪儀，其具有精度高、穩(wěn)定性好、抗腐蝕、抗磨損和抗沖擊性好等優(yōu)點。由于測量膜片表面平整，直接與海水大面積接觸，有效地避免了傳壓孔被泥沙堵塞的問題。它的工作原理是在一定水深范圍內(nèi)，海面波高的變化會引起水壓的變化。困此，在某一深度上可以用壓力傳感器測出其壓力的變化，并由壓力的變化反推出表面波的變化。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

根據(jù)ARM9處理器及其各種外圍硬件資源的特性，軟件部分主要包含圖像采集、壓縮編碼、數(shù)據(jù)處理及本地存儲、網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計，驅(qū)動部分主要包括USB攝像頭的驅(qū)動等。圖3為整個系統(tǒng)的軟件框架[5]。

圖3 系統(tǒng)的軟件框圖

2.1 嵌入式軟件平臺的構(gòu)建

在裁減和定制Linux、運用嵌入式系統(tǒng)之前，由于嵌入式開發(fā)系統(tǒng)存儲大小有限，通常需要在PC上建立一個用于目標(biāo)板的交叉編譯環(huán)境。在創(chuàng)建交叉編譯環(huán)境后，從u-boot官網(wǎng)上面下載u-boot源碼包，進行 u-boot移植[6]。完成 u-boot的移植之后，就可以開始創(chuàng)建嵌入式Linux系統(tǒng)了，一個完整的嵌入式Linux系統(tǒng)包括 Linux內(nèi)核、根文件系統(tǒng)以及應(yīng)用程序等[7]。

根據(jù)Linux的結(jié)構(gòu)編寫風(fēng)暴潮監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用程序，數(shù)據(jù)采集處理程序的流程圖如圖4左半邊。系統(tǒng)在傳感器、波浪儀采集到數(shù)據(jù)以后，定時計數(shù)器也同步啟動，將設(shè)定時間內(nèi)所采集到的數(shù)據(jù)全部都存入SD卡中，對于異常數(shù)據(jù)進行處理，將這些數(shù)據(jù)中的最小值和最大值刪除然后取平均。數(shù)據(jù)處理流程圖如圖4右邊所示。

2.2 視頻采集模塊和編解碼設(shè)計

視頻采集模塊的功能是從USB攝像頭設(shè)備中讀取視頻幀數(shù)據(jù)，并以一定格式保存。USB攝像頭屬于視頻類設(shè)備，在目前的Linux核心中，視頻部分的標(biāo)準(zhǔn)是video for Linux(簡稱v4L)。這個標(biāo)準(zhǔn)定義了一套接口，內(nèi)核、驅(qū)動、應(yīng)用程序以這個接口為標(biāo)準(zhǔn)進行交流[8]。在Linux中，視頻設(shè)備文件可以像普通文件一樣對其進行讀寫，視頻采集流程序框圖如圖 5所示[9]。

圖4 數(shù)據(jù)采集處理程序流程圖

在嵌入式編解碼軟件設(shè)計上，應(yīng)用開源 FFmpeg方案實現(xiàn)視頻壓縮編碼。FFmpeg是在Linux平臺下開發(fā)的音視頻編解碼庫，提供了錄制、轉(zhuǎn)換以及流化音視頻的完整解決方案，且具有跨平臺的特性，廣泛應(yīng)用于嵌入式設(shè)備中。當(dāng)前主流的視頻壓縮技術(shù)主要有3種，分別為JPEG標(biāo)準(zhǔn)、MPEG標(biāo)準(zhǔn)、H.26X標(biāo)準(zhǔn)[10]。表1列出了3種標(biāo)準(zhǔn)的壓縮比、應(yīng)用場合和采用的主要編碼技術(shù)。

圖5 視頻采集程序框圖

表1 三種視頻壓縮技術(shù)分析對比

由表1可知，從壓縮比率上看，JPEG壓縮比為30～50，MPEG-4為 100～150，H.264為 200，H.264標(biāo)準(zhǔn)能達到較高的壓縮比率。困為視頻監(jiān)控要求壓縮比最高，且能夠在有限的存儲空間內(nèi)盡可能多地存放視頻信息。所以，系統(tǒng)選用H.264標(biāo)準(zhǔn)作為壓縮方案。由于視頻流對數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備信號要求高，所以采用有線傳輸方式，將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸至主機進行最終的分析和處理。

3 數(shù)據(jù)分析與界面顯示

完成交叉編譯平臺的搭建，構(gòu)建u-boot的移植、內(nèi)核的移植、根文件系統(tǒng)，然后運行PC上的 Linux操作系統(tǒng)，得到的結(jié)果如圖6所示平臺界面。

圖6是上位機顯示界面。從圖6可以看出界面實時顯示最新的數(shù)據(jù)時間以及風(fēng)速、風(fēng)速等級、風(fēng)向、氣壓的最新數(shù)據(jù)值。顯示海浪的最新數(shù)據(jù)時間以及最大波高、波周期，1/10波高、波周期，1/3波高、波周期和平均波高、波周期。顯示所觀測點的實時視頻，其中控制功能包括：連接視頻、焦距調(diào)整、視頻圖片抓取、視頻錄像、預(yù)設(shè)置點的包存及載入等。其中視頻圖片抓取功能為選擇保存圖片文件的位置及文件名稱，程序自動抓取當(dāng)前的最新視頻，保存為JPG格式的圖片文件；視頻錄像功能為點擊開始錄像，系統(tǒng)自動保存實時視頻為視頻文件，視頻格式為mp4標(biāo)準(zhǔn)壓縮格式，可以選擇常用的視頻播放工具來播放該視頻錄像文件。

The design of storm surge monitoring system based on ARM9 and Linux

Yong Yaxun1，2，Liu Weiting1，Liu Huaizhi2，Zhou Tao2
（1.School of Electrical and Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhengiang 212003，China；2.CSIC Pride(Nanjing)Atmosphere Ocean Information System Co.，Ltd.，Nanjing 211106，China）

For Pingtan and Xiapu，which are coastal areas of Fujian province，both exist danger of storm surges，storm surge monitoring system is designed based on ARM9 and Linux.The system is to study the settlement near the coast climbing and visual management platform，the platform can display the video information of target seawall in real time，receive in real time，preprocess embankment sea wave height，period，wave running，wind speed，wind direction，barometric pressure and other marine environment real-time monitoring data，and for getting from observing the video stream of the nearshore waves climbing on the seawall，carry out image processing，geometric correction，analysis solver and so on.Through testing，the system is suitable and for both，for the rest of the dangerous storm surge area，it is also suitable for promotion.

storm surge；ARM9；Linux；real-time monitoring；signal processing

TP393

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.07.008

勇婭詢，劉維亭，劉懷芝，等.基于 ARM9和 Linux的風(fēng)暴潮監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(7)：30-32，36.

英文引用格式：Yong Yaxun，Liu Weiting，Liu Huaizhi，et al.The design of storm surge monitoring system based on ARM9 and Linux[J].Application of Electronic Technique，2015，41(7)：30-32，36.