黃清龍 黃遠

(1.第七一五研究所，杭州，310023；2.杭州防雷安全檢測有限公司，杭州，310023)

我國有著大量的中小型島嶼，這些大小不一的島嶼是藍色國土上一顆顆明珠。其中，邊遠島既是海洋的組成部分，又是國家的領(lǐng)土，在維護我國主權(quán)和海洋權(quán)益方面具有特殊的意義，在國家轉(zhuǎn)型為海洋大國、發(fā)展海權(quán)方面有著其他戰(zhàn)略資源不可替代的戰(zhàn)略作用[1]。隨著世界各國對海洋權(quán)益日益重視，對海洋權(quán)益的爭奪日趨激烈，我國與鄰國間也存在著大量對海洋權(quán)益的爭議。而這些邊遠島嶼遠離大陸、位置偏僻、交通不便，一直以來就缺乏可靠、有效的手段來對它們進行保護和監(jiān)管。如果可以對小型島礁及周邊海域進行實時全景視頻監(jiān)控，將有助于保護我國的海洋權(quán)益，也有助于保護海洋生態(tài)環(huán)境、漁民經(jīng)濟生產(chǎn)、海上航線及海上旅游的安全[2]。

基于以上背景，以提高我國對邊遠島礁及周邊水域的管理和監(jiān)控能力為目標(biāo)，探討了一種無線組網(wǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可對水上目標(biāo)實時視頻監(jiān)控、也可根據(jù)需求擴展其他功能。

1 系統(tǒng)組成及原理

圖1為無線組網(wǎng)視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成圖。系統(tǒng)主要由島礁中心主站、無線中繼點、無線節(jié)點構(gòu)成的。整個系統(tǒng)的無線中繼點和無線節(jié)點都可以設(shè)置全景攝像頭。由于無線節(jié)點無法直達島礁中心主站，需要通過無線中繼點轉(zhuǎn)發(fā)方可實現(xiàn)全程數(shù)據(jù)傳輸，且中繼節(jié)點也可根據(jù)要求掛載監(jiān)控攝像頭。而島礁中心主站則負(fù)責(zé)對所有下屬節(jié)點和中繼點的視頻數(shù)據(jù)進行接收存儲處理，也可以通過客戶端對視頻數(shù)據(jù)進行實時顯示或?qū)v史監(jiān)控數(shù)據(jù)進行回放。圖2為無線組網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成示意圖。

圖1 無線組網(wǎng)視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)

圖2 無線組網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成示意圖

對于島礁中心主站，應(yīng)設(shè)置于基礎(chǔ)設(shè)施完善的有人值守的島礁。島礁上設(shè)立較高的通信鐵塔基站，以便接收到無線中繼點和節(jié)點的無線信號。一個鐵塔基站可掛載一定數(shù)量的中心主站設(shè)備，最后匯聚到后臺進行處理。而無線中繼點和無線節(jié)點及視頻監(jiān)控設(shè)備則按照實際監(jiān)視范圍設(shè)置于海上平臺。無線節(jié)點視頻數(shù)據(jù)因距離而不能可靠傳輸?shù)街行闹髡?，則需通過無線中繼點進行中繼轉(zhuǎn)發(fā)。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計

無線組網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一個學(xué)科集成的工程，包括海洋平臺技術(shù)、視頻采集技術(shù)、新能源供電技術(shù)和無線組網(wǎng)通信技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)等。

2.1 平臺技術(shù)

依據(jù)無線中繼點和無線節(jié)點的布設(shè)地點可分為固定式平臺和浮標(biāo)平臺兩種。當(dāng)安裝地點為深度不大的礁盤時，則可在礁盤上設(shè)置固定式基樁，圖 3為固定式基樁平臺示意圖，并在基樁桿上安裝小型風(fēng)力發(fā)電機和太陽能電池組發(fā)電裝置。自上而下，分別在桿上設(shè)置天線、監(jiān)控攝像頭和蓄電池組和控制器等。使用這種平臺的優(yōu)勢可保持無線通信信號的穩(wěn)定，同時攝像頭采集的信號無需傾斜補償。

圖3 固定礁盤平臺

而當(dāng)無線中繼點及無線節(jié)點設(shè)置在深水區(qū)的浮標(biāo)平臺時，其優(yōu)勢是布設(shè)方便，只需將浮標(biāo)布放完畢并通過錨固定海底；缺點是因為浮標(biāo)平臺受到浪涌的影響使得無線通信傳輸受到干擾，圖像角度也不完全正直。而這種缺陷則可通過浮標(biāo)結(jié)構(gòu)的減搖技術(shù)來緩解，同時加大全向天線的發(fā)射功率來保持傳輸質(zhì)量，圖像也可通過特定的補償算法來校正。圖4為浮標(biāo)平臺示意圖。

圖4 浮標(biāo)平臺示意圖

2.2 供電技術(shù)

無線中繼和節(jié)點所使用的浮標(biāo)平臺都是通過蓄電池進行供電，傳統(tǒng)的方式是人工定期對蓄電池進行更換，這樣費時費力，且海上作業(yè)非常不安全、不方便。本文闡述的方案中盡可能利用再生能源，就地取材使用風(fēng)能和太陽能對蓄電池進行充電，即使用風(fēng)力發(fā)電機和太陽能電池組件來為系統(tǒng)提供電力支持。

海洋環(huán)境中，大風(fēng)和海浪使浮標(biāo)平臺經(jīng)常性的搖晃，因此應(yīng)使用加固的太陽能組件和風(fēng)力發(fā)電機組，主要注意點如下：

● 盡可能使用高轉(zhuǎn)換效率的太陽能電池組件提升發(fā)電量。

● 太陽能電池組件在低緯度地區(qū)可平鋪安裝，在高緯度地區(qū)則應(yīng)在四個方向根據(jù)安裝地點緯度計算傾角安裝，且需采用四組獨立通道的充電控制。

● 設(shè)置小型風(fēng)力發(fā)電機組時，條件允許則可同時設(shè)置水平軸和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組，保障系統(tǒng)可靠性。

● 合理計算系統(tǒng)發(fā)電量配置。

通常海面風(fēng)力和太陽能資源互補性較強，發(fā)電量在經(jīng)過合理配置后，可以滿足負(fù)載使用，考慮極端氣候無充電情況下，系統(tǒng)蓄電池設(shè)計容量為滿足三天使用時間即可。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸

對于視頻監(jiān)控的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)當(dāng)中都采用的是無線微波室外基站技術(shù)傳輸，通常基站使用頻率分布在2.4 GHz和5 GHz兩個頻段[7]，以實現(xiàn)點對點、點對多點和室外無線覆蓋。頻段的選擇則主要依據(jù)現(xiàn)場的電磁環(huán)境，5 GHz頻段在海島上使用較為少，選用此頻率設(shè)備。依據(jù)傳輸基站工作特性，對于20 km以內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，理論上無需通過無線中繼點的接力傳輸即可完成，即攝像機所輸出的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，中心主站信號可直接連接到節(jié)點終端設(shè)備，將覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點數(shù)據(jù)全部回傳。

除了近海島嶼和周邊海域之外，對于還有大量的遠海小型島嶼及海域．其距離大陸均超過20 km[8]，超出了中心基站的覆蓋范圍，則采用高帶寬微波回傳的方式。將這些遠海節(jié)點的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)回傳至中間區(qū)域的無線微波中繼接收站進行匯總，即微波接力傳輸，再通過中心主站對無線中繼點的覆蓋將數(shù)據(jù)傳輸回主站。圖5為遠距離覆蓋傳輸接力原理圖。

圖5 遠距離覆蓋傳輸接力原理圖

3 難點及創(chuàng)新

基于無線組網(wǎng)的島礁視頻監(jiān)控系統(tǒng)解決了無縫隙全景視頻監(jiān)控的問題，系統(tǒng)創(chuàng)新通過在固定基礎(chǔ)平臺和浮標(biāo)平臺相結(jié)合的方式實現(xiàn)了島礁及周邊海域無死角的全方位實時視頻監(jiān)控，通過中繼接力的方式將視頻數(shù)據(jù)回傳到中心基站。而整個系統(tǒng)還有需要克服的難點，主要表現(xiàn)為：浮標(biāo)平臺在風(fēng)浪情況下的穩(wěn)定性和可靠性。該類問題可通過浮標(biāo)減搖設(shè)計及合理的配置來解決；而針對浮標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，在浮標(biāo)平臺搖擺減緩的情況，可使用全向天線進行信號傳輸，提高天線的水平面距離及加大信號的發(fā)射功率實現(xiàn)；針對固定式基樁平臺施工問題，依托中船重工下屬研究院所的豐富經(jīng)驗可以順利解決。

4 結(jié)論及展望

基于無線組網(wǎng)的島礁視頻監(jiān)控系統(tǒng)，使用浮標(biāo)平臺技術(shù)為依托，創(chuàng)新性的解決了島礁及周邊海域大容量大帶寬的視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，對維護國家海洋權(quán)益、保護海洋生態(tài)環(huán)境和海洋交通安全等都具有極大的作用，另外該系統(tǒng)也適用于內(nèi)湖內(nèi)河的特定目標(biāo)的實時監(jiān)控功能，具有很大的發(fā)展前景。

[1]王世海,萬志坤,王楠. 小型島嶼遠程遙控?zé)o線視頻監(jiān)控解決方案[J].設(shè)計與實現(xiàn), 2011, 14:56-57.

[2]史旭峰. 三沙市生態(tài)環(huán)境保護現(xiàn)狀及對策研究[J]. 戰(zhàn)略研究, 2015, (6): 24.

[3]黃清龍, 黃遠, 周曉偉. 海洋浮標(biāo)供電技術(shù)研究[J]. 風(fēng)能產(chǎn)業(yè), 2015, (6):25-26.

[4]王徽, 黃成力. 海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)[J]. 上海節(jié)能,2007,(1): 23-26.

[5]王俊,李德駿,肖舉林, 等. 海底觀測網(wǎng)水下環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報, 2016,(2):194-195.

[6]李小毅. 岸基對海智能視頻監(jiān)視技術(shù)研究[D]. 廈門大學(xué),2011:20-21.

[7]信息產(chǎn)業(yè)部 [2000]705號. 關(guān)于調(diào)整 1~30 GHz數(shù)字微波接力通信系統(tǒng)容量系列及射頻波道配置的通知[Z], 2000.

[8]唐艷超, 王寶利, 王強錚. WIMAX覆蓋與分析[J]. 通信世界, 2007, (12):1-16.