水文信息化智能遙測終端的研究與設計

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計

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展規劃的要求,為了實現水利水文行業要求多通道水文傳感器以及視頻、圖片信息采集的目的,將視頻監控和無線通信網技術結合,提出一種基于嵌入式系統的水利水文通信控制方案。該系統的軟件部分采用Linux系統編程,硬件部分實現信息的采集、處理以及傳輸。實際應用表明,該智能終端系統具有低功耗、帶寬利用率高、遠程大數據量通信以及高性能實時遙測遙控的特點,達到了設計的要求。

水文傳感器；視頻監控；無線通信；智能終端

隨著水文遙測技術的發展,各種帶寬數據通信技術也不斷得到發展,尤其是無線寬帶技術的飛速發展,無線3G、4G網絡也在各領域推廣應用,這些技術的發展給水文遙測大數據量傳輸控制帶來條件。現如今水文遙測的需求不斷提高,尤其是山洪災害監測,對大數據量以及實時圖像信息傳輸提出了更高的要求。一旦出現突發事件,不但需要掌握當前水情信息,還需及時了解當地現場實際情況,但現階段,國內外在水情遙測方面還沒有專門的基于視頻網絡服務的水利水文信息化智能遙測終端系統。因此,通過本項目的研究設計,可使我國的水文遙測技術處于國際領先水平。現階段有線、無線帶寬視頻網絡服務器主要用于視頻圖像的實時傳輸和監視,但如何將這項技術應用到水文遙測中還有很多關鍵技術需要研究,尤其將水情信息的采集納入到視頻圖像終端中,且視頻圖像終端應具備低功耗、高通信率、寬工作環境、穩定性可靠以及能夠實現圖片控制傳輸的特點,必須適應各種條件下的應用。

ARM構架是一個32位精簡指令集（RISC）處理器架構,具有體積小、低功耗、高性能等特點［1］。基于嵌入式ARM系統的通信控制方案,適應水利水文行業特點,能夠滿足項目設計需求,完全適應野外無人值守條件。

1 總體設計

本項目主要研究設計的終端設備利用現有無線視頻服務器的圖像采集傳輸技術與水文信息采集技術相結合,基于高速數字圖像處理能力及相應處理軟件,實現遠程水文信息和圖像、圖片信息的實時查詢功能。該設備主要包括視頻信息采集子系統、水文數據采集子系統、信息數據處理子系統、無線通信子系統、電源控制子系統等,終端設備基本結構如圖1所示。

2 設計思路

為了降低研發成本和周期,盡快實現系統的整體功能,采用模塊化設計思想。模塊是構成產品的一部分,具有獨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品族中可以重用和互換,相關模塊的排列組合就可以形成最終的產品。模塊化設計具有如下優勢:

1）模塊的組合配置,就可以創建不同需求的產品,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計經驗,也可以重用整個產品生命周期中的采購、物流、制造和服務資源；

3）減少產品工程復雜程度,因為模塊是產品部分功能的封裝,產品設計人員使用具體模塊時根本不用關心內部實現,使研發人員更加關注頂層邏輯,提高產品工程管可靠性。

在實現系統整體功能基礎上,根據系統自身的特點,包括低功耗和其他方面等要求,對各模塊進行優化,除去不需要的部分,實現模塊之間的整合,開發具有水文特色并且具有市場競爭力的產品。該系統在硬件方面涉及網絡攝像機、水文要素傳感器、ARM開發板以及3G無線傳輸等模塊［2］,軟件方面是以數據采集和Linux嵌入式操作系統為主的獨立模塊。

圖1 終端系統總體設計圖Fig.1 Structure diagram of the terminal system

3 分項設計

3.1 視頻信息采集子系統

視頻信息采集子系統實現H.264壓縮的視頻圖像的實時采集［3］。網絡攝像機采集到的視頻碼流支持RTSP（實時流媒體協議）。RTSP是TCP/IP協議體系中的一個應用層協議［4-5］,可通過ffmpeg對其幀解析,ffmpeg是一個開源免費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（依據你選擇的組件）,提供錄制、轉換以及流化音視頻的完整解決方案,包含非常先進的音/視頻編解碼庫libavcodec,保證高可移植性和編解碼質量。

3.2 水文數據采集子系統

水文數據采集為水文要素傳感器獲得水文信息傳輸至ARM開發板,對水文信息數據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,以預留充分的采集接口。本設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:接至單片機外部中斷I/O口,設為脈沖觸發,每產生一次中斷信號計數一次,存到內存中；

2）并行數字信號:數據經過74LS373鎖存器接至單片機I/O口處理；

3）4～20 mA電流輸出:后面接精密電阻到地,將電流信號轉為大電壓信號,經過濾波和AD轉換,送給單片機處理；

4）RS-232信號:接至單片機串口直接采集,該單片機具有兩個串口,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RS-232模塊送給單片機串口。

3.3 信息數據處理子系統

在系統中,信息數據處理子系統主要包括mini2440的ARM開發板、外部接口控制電路、外部存儲卡控制電路及相應的控制電路等組成。硬件方面根據網絡攝像機的數據處理流程以及嵌入式系統設計方法學的原則,分析各信號流程和速率,完成PCB設計,最終完成硬件系統設計,軟件方面主要用于圖像、圖片以及水文信息的獲取轉發處理,并且控制各電源模塊,實現低功耗的設計。

1）視頻圖像信號的采集與處理

網絡攝像機用RJ45網線連接至信息數據處理子系統, ARM開發板基于RTSP對網絡攝像機傳輸過來的視頻碼流取幀,獲得一副jpeg格式圖片,根據socket套接字編程,將圖片經過3G模塊傳輸至中心站。經交叉編譯ffmpeg庫函數,經取幀函數指令得到的圖片分辨率為1 280×1 024,并且根據水文行業規范調用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。實驗結果由圖2可見,圖片清晰度很高,所識別距離遠,滿足水利水文行業需求特點。

圖2 圖像采集實驗測試Fig.2 Test of the image acquisition experimental

2）水文要素傳感器信號的采集與處理

雨量計輸出脈沖信號,ARM開發板在一定時間內 （一個小時）獲取此脈沖累加和,將結果通過串口傳輸至3G模塊, 3G無線模塊根據TCP/IP協議發送給中心站。數據接收實驗可通過串口終端驗證,實驗結果如圖3所示。

圖3 雨量計串口接收實驗測試Fig.3 Serial port receive test of rain gauge

3.4 無線通信子系統

無線通信子系統為3G無線通信模塊,實現監測數據和視頻圖像信息的實時傳輸和查詢。在中心站和3G模塊之間搭建VPN通道,視頻圖像由ARM開發板控制,經開發板以太網口連接3G模塊,將視頻圖像、圖片以及水位信息轉發至中心站。

3.5 電源控制子系統

因水利水文行業限制,終端設備工作于偏遠地區,不能實現電網供電,采用太陽能蓄電池作為電源就必須考慮到系統的功耗問題,盡量保證設備在長時間沒有太陽能的情況下持續工作。電源子系統實現各部分供電控制,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行單獨控制。不需要采集視頻信號時網絡攝像機處于關機狀態,ARM處理器以及3G無線通信模塊處于休眠狀態,只有水文數據采集子系統處于正常工作狀態,當滿足觸發條件或遠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。

電源系統應盡量減少不同電壓輸入數量,并做好模擬電源和數字電源的隔離,防止高頻數字信號影響電源的穩定性。系統采用12 V太陽能蓄電池作為電源（由太陽能板將太陽能轉換成電能儲存）,直接給網絡攝像機供電,并通過降壓芯片分別轉換成5 V和4 V,用于給ARM開發板和3G通信模塊供電。

4 實驗應用

該智能遙測終端系統應用于水文信息化行業,雨量計、水位計等水文要素傳感器和網絡攝像機構成信息采集系統。其中,將網絡攝像機采集到的圖片數據傳輸至ARM開發板,開發板通過ffmpeg依據視頻碼流中的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,具有水文行業應用特色。如遇重大災情,又可調看實時視頻,及時獲取現場狀況,其處理具有實時可操作性。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3G無線模塊傳輸至中心站,既降低功耗,又能了解現場狀況,適合水文行業的應用。

5 結論

通過本項目研究,研制一種可應用緊急情況下使用的無線水情、圖像、圖片實時采集傳輸的水利信息化智能遙測設備,其性能滿足《GB/T27994-2011水文自動測報系統設備通用技術條件》的相關要求［6］,并通過產業化可實現批量生產。

［1］邱鐵.ARM嵌入式系統結構與編程［M］.北京:清華大學出版社,2013.

［2］雷玉堂.安防&智能化:視頻監控系統智能化實現方案［M］.北京:電子工業出版社,2013.

［3］滕國偉.H.264/AVC實時編碼系統及其相關算法的研究［M］.上海:上海大學出版社,2009.

［4］李峰,陳向益.TCP/IP協議分析與應用編程［M］.北京:人民郵電出版社,2008.

［5］楊延雙,張建標,王全民,等.TCP/IP協議分析及應用［M］.北京:機械工業出版社,2007.

［6］GB/T27994-2011,水文自動測報系統設備通用技術條件［S］.2001.

Research and design of hydrological information intelligent telemetry terminal

TANG Yue-ping，FU 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務重點基金項目（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。