郭 易，侯 煜，馬 嵐，于興晗

（北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京100038）

0 引言

水情自動測報系統(tǒng)是一種先進(jìn)的水情信息實時采集系統(tǒng)，它應(yīng)用通信、遙測和計算機技術(shù)，完成流域內(nèi)降雨量、水位、流量等參數(shù)的實時收集和處理，為防洪、供水、發(fā)電等優(yōu)化調(diào)度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，水情測報系統(tǒng)的功能日益完善，可監(jiān)測到的物理參量也越來越豐富，但被監(jiān)測對象僅能以數(shù)值方式呈現(xiàn)，對現(xiàn)場情況缺乏全面的、綜合性的、形象化的展示。

近年來，視頻監(jiān)控與圖像采集技術(shù)發(fā)展迅速，以其直觀、方便、信息內(nèi)容豐富的特點而被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)。對于水情測報系統(tǒng)，獲取現(xiàn)場視頻或圖像信息可以幫助工作人員更直觀的了解現(xiàn)場狀況，獲得除傳感器數(shù)據(jù)以外的一些有價值的信息。如北方河道冬季冰情，即可通過現(xiàn)場圖像進(jìn)行了解。考慮水情測報系統(tǒng)安裝環(huán)境所限，同時結(jié)合具體應(yīng)用需求，本文提出將圖像采集與2.5 G/3 G/4 G通信技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于水情測報系統(tǒng)，實現(xiàn)遙測站現(xiàn)場圖像采集與遠(yuǎn)程傳輸，為水情測報系統(tǒng)增加一種更為直觀、形象的遠(yuǎn)程監(jiān)測手段。

1 總體方案

本文所做研究內(nèi)容是在現(xiàn)有的水情測報系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行，是在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上的新功能研究應(yīng)用，因此必須符合現(xiàn)有水情測報系統(tǒng)的應(yīng)用條件與要求。水情測報系統(tǒng)中遙測站往往地處偏僻山區(qū)，安裝環(huán)境惡劣，運行條件差。目前大多數(shù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用基于光纖的有線傳輸方式，也有部分基于衛(wèi)星或3 G/4 G網(wǎng)絡(luò)的無線傳輸方式，圖像采集以實時采集方式為主，約25～30幀/s，在接收端以視頻的形式實時呈現(xiàn)現(xiàn)場狀況。此種工作模式不適用水情測報系統(tǒng)，主要存在以下幾點障礙：①水情測報系統(tǒng)遙測站大多不具備有線傳輸條件；②水情測報系統(tǒng)遙測站大多采用太陽能板+蓄電池的供電方式，對功耗要求嚴(yán)格，無法進(jìn)行實時的采集與傳輸；③衛(wèi)星通信費用較高，傳輸大數(shù)據(jù)量經(jīng)濟性差。基于以上幾點，同時考慮到水情測報系統(tǒng)對監(jiān)測對象實時性要求不高，本文提出基于2.5 G/3 G/4 G通信網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程圖像采集傳輸技術(shù)，系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

攝像頭作為一個傳感器接入遙測終端，遙測終端控制攝像頭拍照并讀取圖片數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可存儲在遙測終端內(nèi)部的SD卡，或直接通過通信終端進(jìn)行數(shù)據(jù)無線遠(yuǎn)傳，通信方式可根據(jù)現(xiàn)場情況選擇GPRS/3 G/4 G等多種方式，通過運營商的數(shù)據(jù)通道無線接入Internet，將數(shù)據(jù)分包傳輸?shù)街行恼镜墓潭↖P地址，中心站對數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗整合后，形成一幅完整圖像。

2 圖像數(shù)據(jù)采集

2.1 攝像頭選擇

攝像頭分為數(shù)字?jǐn)z像頭和模擬攝像頭兩大類。模擬攝像頭需經(jīng)過特定的視頻捕捉卡將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再進(jìn)行壓縮處理轉(zhuǎn)換，流程、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前已逐步被數(shù)字?jǐn)z像頭取代。數(shù)字?jǐn)z像頭可直接捕獲影像，畫質(zhì)較好，接口簡單，便于集成使用，目前得到廣泛的應(yīng)用。數(shù)字?jǐn)z像頭常用接口包括USB、IEEE1394、RJ-45等。隨著遠(yuǎn)程監(jiān)測領(lǐng)域?qū)D像采集應(yīng)用需求的不斷增長，市場上出現(xiàn)以標(biāo)準(zhǔn)串口為接口的攝像頭。串口是遙測終端最通用的一種接口，因此本系統(tǒng)選用了串口攝像頭作為圖像采集設(shè)備，相比于其他接口類型具有以下優(yōu)勢：

（1）便于集成使用。目前常用的水情遙測終端都配有串口，無需接口轉(zhuǎn)換設(shè)備。

（2）軟件開發(fā)難度低。采用其他接口（如：USB、RJ-45）通常還需要編寫相應(yīng)的驅(qū)動程序，難度和工作量都比較大。而采用串口通信編程難度低很多，易于短時間內(nèi)實現(xiàn)。

（3）串口攝像頭集成度較高。內(nèi)部集成了光學(xué)元件、圖像采集與處理的器件，并完成了圖像的壓縮與編碼，具有統(tǒng)一的通信協(xié)議。這樣RTU端的工作量就很小，無需增加硬件，編寫簡單的通信程序即可實現(xiàn)圖像拍攝的控制與數(shù)據(jù)的讀取。

2.2 串口攝像頭

串口攝像頭是一種兼具視頻采集和圖像壓縮功能的攝像頭，目前市場上有多種像素規(guī)格可選（30萬、130萬、300萬、500萬等）。采用數(shù)字CMOS圖像傳感器,圖像采集效果好，性價比優(yōu)。內(nèi)含拍攝控制、視頻捕捉、圖像數(shù)據(jù)采集、圖像壓縮、串口通信等功能，采用標(biāo)準(zhǔn)的JPEG圖像壓縮算法，圖像輸出格式與計算機系統(tǒng)完全兼容。

由于串口攝像頭大多用于野外監(jiān)測系統(tǒng)，使用環(huán)境惡劣，因此串口攝像頭通常采用防水槍型結(jié)構(gòu)。串口攝像頭具有以下主要功能特點：

（1）圖像分辨率可設(shè)置。像素越高，圖片越大，傳輸耗時越長，需根據(jù)實際需求確定。以500萬像素攝像頭為例，可設(shè)置為以下幾個規(guī)格：

320×240 7.5萬像素

640×480 30萬像素

1280×1024 130萬像素

2048×1536 300萬像素

2592×1944 500萬像素

（2）圖像壓縮率可設(shè)置。可通過程序設(shè)置圖像壓縮程序的參數(shù)，高壓縮率可在一定程度上減小圖片大小，但是會影響到圖像的清晰度，實際應(yīng)用時可根據(jù)現(xiàn)場實拍情況進(jìn)行設(shè)置。

（3）支持夜間拍攝。攝像頭具有紅外照明功能，能夠?qū)崿F(xiàn)自動照度補償，能夠在夜晚無光照條件下進(jìn)行圖像拍攝。

2.3 圖像采集流程

RTU與串口攝像頭連接方式如圖2所示。為保證遙測系統(tǒng)的低功耗，攝像頭電源供應(yīng)需由RTU進(jìn)行控制，拍攝前給攝像頭加電，拍攝結(jié)束、數(shù)據(jù)讀取完畢后，攝像頭掉電。整個拍攝及讀數(shù)流程持續(xù)時間一般不超過2 min，因此對整個系統(tǒng)功耗影響很小。

圖2 RTU與攝像頭連接示意圖

圖像采集觸發(fā)機制包括兩種：定時采集與中心站遠(yuǎn)程控制采集。在設(shè)定時間到達(dá)或中心站發(fā)送拍攝指令后，可啟動一次圖像拍攝流程，一次完整的圖像采集流程如下：

（1）攝像頭加電。攝像頭加電后需要一個初始化過程，最長不超過20 s，因此RTU在此需等待20 s。

（2）發(fā)送拍攝單幅圖像指令。攝像頭收到拍攝指令后首先會返回應(yīng)答指令，隨后進(jìn)行圖像拍攝，耗時不超過1 s，拍攝結(jié)束后攝像頭向RTU發(fā)送所拍圖片大小與分包數(shù)量。

（3）RTU發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令。指令中需指定數(shù)據(jù)包序號，從第一包開始。

（4）攝像頭首先返回應(yīng)答指令，接著向RTU返回指定序號的數(shù)據(jù)包。

（5）讀取下一包數(shù)據(jù)，重復(fù)步驟3、4，直至讀取全部數(shù)據(jù)。

3 圖像數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸

3.1 通信方式選擇

相較于傳統(tǒng)的水情測報系統(tǒng)水位、雨量等傳感器數(shù)據(jù)，圖像的數(shù)據(jù)量要大很多。通常一包水情測報業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不過幾十個字節(jié)，但是一幅圖像質(zhì)量尚可，能基本反映現(xiàn)場狀況的圖片至少要50～100 kB左右。因此短信無法作為圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，必須使用GPRS/3 G/4 G的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的傳輸。

GSM與GPRS同屬第2代移動通信技術(shù)，GPRS是在GSM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的分組數(shù)據(jù)承載和傳輸業(yè)務(wù)，可劃歸為2.5 G通信技術(shù)，特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸；3 G指第2代移動通信技術(shù)，是支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通信技術(shù)，其最大特點是相較于2代網(wǎng)絡(luò)通信速度大幅提升，可提供更為豐富的移動多媒體業(yè)務(wù)；4 G是近年來推廣應(yīng)用的最新一代的移動通信技術(shù)，在保留3 G技術(shù)的所有優(yōu)點的基礎(chǔ)上，還具有通信速度更快、網(wǎng)絡(luò)頻譜更寬、兼容性更好、費用更加便宜等特點。

水情遙測站大多地處偏僻，通信設(shè)施建設(shè)普遍滯后。2 G/3 G網(wǎng)絡(luò)已建設(shè)多年，覆蓋情況較好。4 G網(wǎng)絡(luò)由于建設(shè)年限短，許多地區(qū)尚未覆蓋。因此本文主要針對基于GPRS、3 G網(wǎng)絡(luò)的圖像傳輸技術(shù)進(jìn)行了實驗研究。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸功能實現(xiàn)

在數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬啥?，遙測站通過無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，中心站通常是以有線方式接入Internet，通過網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸是借助移動通信運營商提供的無線網(wǎng)絡(luò)與Internet的接口實現(xiàn)的。遙測站從攝像頭讀取JPEG格式的圖像數(shù)據(jù)，并通過通信終端進(jìn)行TCP/IP協(xié)議的封裝，打包成能夠在Internet上傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包，最終通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行恼?。中心站?jīng)過解碼、數(shù)據(jù)整合，形成一幅完整的圖片。

3.2.1 基于GPRS的數(shù)據(jù)傳輸

GPRS是覆蓋范圍最廣、應(yīng)用最為廣泛的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，不僅應(yīng)用于水情測報領(lǐng)域，在其他行業(yè)也有極其廣泛的應(yīng)用。本文選擇Cinterion公司（原西門子）的MC52i通信終端，MC52i支持GSM雙頻段，支持GPRS，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，支持?jǐn)?shù)據(jù)、語音、短消息等業(yè)務(wù)，標(biāo)準(zhǔn)AT指令集控制。

MC52i終端GPRS網(wǎng)絡(luò)登錄及數(shù)據(jù)發(fā)送相關(guān)指令如下：

此時，遙測站與中心站的連接通道已建立，可通過at^sisw命令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。at^sisw命令一次最多可發(fā)送1 500 B，因此圖像數(shù)據(jù)需進(jìn)行分包傳輸，直至所有字節(jié)傳輸完成。

3.2.2 基于3 G的數(shù)據(jù)傳輸

各家運營商采用的3 G制式各不相同，其中中國聯(lián)通提供的WCDMA制式的3 G網(wǎng)絡(luò)效果最好，傳輸速度最快，因此本文選擇了廈門為那通信科技公司的WCDMA制式的3 G通信終端WCTU。WCTU采用高性能的工業(yè)級32位處理器作為其硬件平臺，配置工業(yè)級的無線通信模塊，支持GSM/GPRS、CDMA等多種通信頻段。

目前市場上的大多3 G通信終端在工作模式上與GPRS終端有所區(qū)別，廠商在標(biāo)準(zhǔn)AT指令集外封裝了自己定義的協(xié)議，因此對終端的操作必須使用廠商提供的配置工具。此種模式的優(yōu)點是操作簡單，無需程序干預(yù)即可實現(xiàn)自動撥號連接。缺點是RTU對通信終端失去控制權(quán)，無法進(jìn)行底層的控制操作。

本文采用WCTU作為通信終端，無需編寫復(fù)雜的AT指令交互程序，加電后通信終端自動撥號連接，建立連接后即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)透傳。但由于WCTU待機功耗較大，不能長時間待機工作，因而無法實時響應(yīng)中心站指令。

3.2.3 兩種傳輸方式比較

為進(jìn)行更好的研究與實踐，本文在屋頂建立實驗測站，對室外環(huán)境進(jìn)行拍攝，如圖3所示。圖中左側(cè)為實驗測站，配置130萬像素攝像頭，右側(cè)為實拍樣片（分辨率1280×1024，大小106 kB）。經(jīng)過多次試驗對比，在傳輸速度上3G通信具有較大優(yōu)勢，但在功耗方面則有較明顯缺點，具體對比如表1所示。

圖3 實驗測站與實拍樣片

表1 兩種通信方式對比表

兩種通信方式的傳輸速度不僅受到通信制式不同的影響，也與通信終端的數(shù)據(jù)處理能力，當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)絡(luò)擁塞情況有關(guān)，但經(jīng)過多次試驗，表1中的數(shù)據(jù)基本可以反映兩種通信制式之間的實際速度差距。

3.3 中心站數(shù)據(jù)接收

中心站通常采用固定IP地址，如不具備條件，也可采用動態(tài)域名解析的方法綁定一個固定的域名。中心站軟件建立Socket套接字，實時偵聽來自遠(yuǎn)方測站的連接，建立連接后即可實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的傳輸，所有數(shù)據(jù)包接收完畢后即可保存為一副完整的JPEG圖像。

4 結(jié)束語

將遠(yuǎn)程圖像采集技術(shù)應(yīng)用于水情測報領(lǐng)域是對原有系統(tǒng)功能的補充與完善，可以幫助相關(guān)工作人員更好的了解現(xiàn)場情況，從而做出更加科學(xué)準(zhǔn)確的判斷與決策。圖像的清晰度與傳輸速度是一對矛盾，需根據(jù)工程實際需求尋求二者之間的平衡點。本文所介紹的系統(tǒng)不僅可在水情測報領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，對其他相關(guān)行業(yè)同樣具有借鑒意義。