基于無線網(wǎng)橋的“槍球聯(lián)動”水文監(jiān)測系統(tǒng)

陳 愚，冷建偉，沈芳婷

（1.天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 天津300350；2.天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點實驗室 天津300384；3.天津理工大學(xué) 自動化學(xué)院，天津300384）

基于無線網(wǎng)橋的“槍球聯(lián)動”水文監(jiān)測系統(tǒng)

陳 愚1，冷建偉2，沈芳婷3

（1.天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 天津300350；2.天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點實驗室 天津300384；3.天津理工大學(xué) 自動化學(xué)院，天津300384）

針對野外河流水文監(jiān)測的惡劣工作環(huán)境，及對現(xiàn)有的運用無線傳感器傳輸河流濕度、溫度等數(shù)據(jù)的不直觀的改進，一種基于嵌入式Linux的水文監(jiān)測系統(tǒng)被提出。該系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)系統(tǒng)，前端攝像機采用"槍球聯(lián)動"系統(tǒng)，用戶可依據(jù)需求定時通過無線網(wǎng)橋采集視頻圖像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了全天不間斷地監(jiān)控，不僅減少了人力資本的投入，直觀地得到現(xiàn)場視頻圖像和數(shù)據(jù)，而且縮短了河道突發(fā)事件的發(fā)現(xiàn)和排除時間，切實提高了工作效率和管理水平。

無線網(wǎng)橋；槍球聯(lián)動；嵌入式；水文監(jiān)測；采集存儲

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，水文監(jiān)測系統(tǒng)向信息化方向的邁進越來越重要，它集成了無線傳感技術(shù)，數(shù)字信息的采集、存儲、傳輸、處理等技術(shù)[1-2]。在近幾年的研究中，我國的科學(xué)家及研究學(xué)者已經(jīng)陸續(xù)提出了基于無線網(wǎng)絡(luò)傳輸或基于衛(wèi)星的遠程水文監(jiān)測方式，將河道流域架設(shè)的傳感器所接收到的數(shù)據(jù)傳輸至用戶機中，不僅節(jié)約了人力資本，并且大大地提高了防汛及水利調(diào)度的效率，減小了洪澇災(zāi)害發(fā)生的可能性。但現(xiàn)有的傳輸方式成本過高，且野外環(huán)境復(fù)雜多變，不僅信號穩(wěn)定性差，甚至在某些空間接收不到GPRS網(wǎng)絡(luò)信號，影響數(shù)據(jù)采集的實時性，并產(chǎn)生無法估量的嚴(yán)重后果。

文中所采用的方案則是通過無線網(wǎng)橋，結(jié)合現(xiàn)場攝像頭的“槍球聯(lián)動”系統(tǒng)，將監(jiān)測現(xiàn)場的實時影像傳輸?shù)娇刂剖遥捎脠D像識別的方法，得到現(xiàn)場的相關(guān)數(shù)據(jù)組，不僅可以直觀的看到現(xiàn)場環(huán)境情況還能采集數(shù)據(jù)進行分析。將現(xiàn)場高質(zhì)量視頻通過無線網(wǎng)橋來傳輸，這一傳輸方式在5.8 G的免申請無線執(zhí)照的頻段可以實現(xiàn)“零資費”傳輸，從長遠角度考慮，大大降低了成本。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控管理機制主要是通過對監(jiān)測現(xiàn)場的視頻圖像的采集、調(diào)用，錄像、回放所實現(xiàn)的[3]，運用搭載了Linux嵌入式系統(tǒng)的ARM板作為數(shù)據(jù)處理核心器件，管理維護人員能夠在第一時間知曉現(xiàn)場所發(fā)生的特殊情況，控制前端攝像機姿態(tài)，跟蹤并持續(xù)捕捉特寫，從而有效地做出快速反應(yīng)，同時也可以記錄事件發(fā)生的全過程，對影像資料及數(shù)據(jù)進行備份，提高管理效率，是一種有效的安全管理的輔助手段。

1 系統(tǒng)硬件的搭建

系統(tǒng)硬件搭建示意圖如圖1所示。

1.1 “槍球聯(lián)動”的采用

前端現(xiàn)場的視頻采集過程借助于無線網(wǎng)橋傳輸。攝像頭采用“槍球聯(lián)動”系統(tǒng)進行監(jiān)測，其中所采用的槍型攝像機為海康威視DS-2CD2T20FD-I3紅外網(wǎng)絡(luò)攝像機，負(fù)責(zé)全景監(jiān)控；球型攝像機為海康威視DS-2DE4220IW-D智能球型攝像機，負(fù)責(zé)在鎖定目標(biāo)后繼續(xù)捕捉跟蹤。這兩款攝像機內(nèi)置視頻編碼器完成A/D轉(zhuǎn)換，通過網(wǎng)線將數(shù)字視頻碼流傳輸至網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機（Network Video Recorder，簡稱NVR），NVR內(nèi)置有ARM芯片處理器及存儲器，可以對視頻數(shù)字信號進行存儲、管理，并且可以控制視頻圖像的觀看、瀏覽和回放（NVR可以同時管理多個網(wǎng)絡(luò)攝像機，只需將攝像機連接至交換機，再由交換機將信號傳輸至NVR即可）。由于無線傳輸信道帶寬有限，需要采用先進的視頻壓縮技術(shù)，減小信號帶寬，節(jié)省無線資源，壓縮后的數(shù)字信號再通過配合具有以太網(wǎng)輸出功能的編碼器，傳送到無線網(wǎng)橋的傳輸系統(tǒng)中，實現(xiàn)與無線網(wǎng)橋的連接[4-5]。

圖1 系統(tǒng)硬件搭建示意圖

河道邊現(xiàn)場的視頻采集設(shè)備由攝像機（“槍球聯(lián)動”系統(tǒng)）、無線網(wǎng)橋、防護罩、支架等組成。由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣，風(fēng)吹日曬、濕度大，整個系統(tǒng)應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單，更要保證系統(tǒng)可靠地長期穩(wěn)定工作。為攝像機、網(wǎng)橋等一系列相關(guān)設(shè)備增加防護罩不僅可以減小自然因素的侵蝕，也增加了設(shè)備的防盜系數(shù)，降低財產(chǎn)損失的概率。

采用“槍球聯(lián)動”系統(tǒng)后，不僅解決了布控死角和設(shè)備防盜的問題，還降低了攝像頭費用的支出。“槍球聯(lián)動”系統(tǒng)通過對接收圖像的識別，配合數(shù)字圖像處理算法，在全景監(jiān)控的同時，可以對監(jiān)控范圍內(nèi)的移動目標(biāo)進行單獨的跟蹤特寫和細節(jié)特征捕捉，大大提高了監(jiān)控系統(tǒng)的實用性和防盜功能，提高整個水文監(jiān)測系統(tǒng)的效率。“槍球聯(lián)動”系統(tǒng)采用視頻跟蹤和圖像分析算法，不僅在場景上能“看的全，看的清”而且能夠更高效的對可疑事件和可疑人群或個體目標(biāo)進行捕捉報警，從而彌補人為監(jiān)控中的漏報現(xiàn)象[6]。控制室的用戶機中有存儲目標(biāo)信息的數(shù)據(jù)庫，包括全景圖像的錄像資料、鎖定目標(biāo)的運動錄像。本設(shè)計中，根據(jù)運動目標(biāo)與攝像機的距離，劃分出普通警戒區(qū)和重點警戒區(qū)，而當(dāng)有運動目標(biāo)出現(xiàn)在警戒區(qū)內(nèi)時，自動跟蹤模式開啟，并對目標(biāo)開始記錄，用戶則可以在自動跟蹤的模式下手動干預(yù)，從而得到更符合用戶需求的影像資料。“槍球聯(lián)動”系統(tǒng)監(jiān)測意圖如圖2所示。

1.2 無線網(wǎng)橋的搭建方案

文中水文監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，是將攝像機放在野外河道邊，控制室則位于山林外的市郊基地，兩點間直線距離超過15 km，期間的自然條件惡劣、環(huán)境復(fù)雜。但是，我們需要在這兩個點間建立通信鏈路來傳輸實時監(jiān)控視頻信號，并對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)實施存儲和控制，在如此惡劣的自然條件下，采用基于微波擴頻技術(shù)的無線網(wǎng)橋是最佳選擇。無線網(wǎng)橋是以空氣為介質(zhì)，借助電磁波無線傳輸信號的，這一技術(shù)的應(yīng)用可以使整個系統(tǒng)的安裝周期縮短、維護更加方便、擴展性能增強，同時使信息的傳輸擺脫線纜，速度更快，基本不受復(fù)雜的地理環(huán)境影響，并且無線網(wǎng)橋技術(shù)的開發(fā)已經(jīng)相對成熟，傳輸設(shè)備可靠，由于具有較寬的傳輸帶寬，其傳輸?shù)膱D像質(zhì)量也非常好。

圖2 "槍球聯(lián)動"系統(tǒng)監(jiān)測示意圖

雖然無線網(wǎng)橋的功率大，本方案所采用的設(shè)備最大傳輸距離可達約30 km，但無線網(wǎng)橋的信息傳遞是依靠電磁波的發(fā)射和傳播，遇到障礙物時（如山峰）電磁波無法穿透，亦不可能實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)點對點（PTP）的傳輸，此時，我們就需要在監(jiān)測點和控制室兩點間建立中繼站，更改路徑，轉(zhuǎn)變?yōu)橹欣^方式“間接傳播”，增加無線網(wǎng)絡(luò)的接收和發(fā)射點，增大了整個系統(tǒng)的可行性和可靠性，并且通信節(jié)點之間傳輸鏈路應(yīng)具有恒定而充足的帶寬，保證鏈路在任何時候都能承載大流量的視頻信號流。

在無高大障礙的條件下，一對組網(wǎng)的作用距離取決于環(huán)境和天線。一對27 dBi的定向天線可以實現(xiàn)10 km的點對點微波互連；12 dBi的定向天線可以實現(xiàn)2 km的點對點微波互連[7-8]。通過對實際環(huán)境的考察，本設(shè)計方案中需要建立4個中繼站，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的信號傳輸，其搭建示意圖如圖3所示。通過無線網(wǎng)橋發(fā)射和接收無線信號，河道邊的攝像機所攝得的圖像通過無線局域網(wǎng)共享至控制室的客戶機中，再利用遠程圖像控制軟件，將圖像界面完全復(fù)制傳輸?shù)娇蛻魴C上[9]。

圖3 視頻網(wǎng)橋搭建方案示意圖

由于視頻網(wǎng)橋系統(tǒng)建立在野外，供電方式也需要仔細研究。無線網(wǎng)橋的設(shè)備支持有源以太網(wǎng)（POE）供電，網(wǎng)線在傳輸視頻信息的同時，也可為無線網(wǎng)橋供電。無線網(wǎng)橋的發(fā)射端在河岸邊，日光充足，所以決定采用太陽能結(jié)合風(fēng)能蓄電池發(fā)電的方式為現(xiàn)場的攝像機、NVR供電，再由NVR與無線網(wǎng)橋發(fā)射端相連的網(wǎng)線實現(xiàn)為無線網(wǎng)橋發(fā)射端POE供電。但現(xiàn)場的中繼器均采用無線方式接收發(fā)射信號，使用POE供電不符合實際情況。然而為了接收到更好的信號，中繼器都建立在山峰最高處，也是太陽能、風(fēng)能接收的最佳位置，遂決定采用太陽能結(jié)合風(fēng)能蓄電池發(fā)電的方式為4個中繼器站點直接直流供電。接收端則與PC網(wǎng)線連接，利用POE供電。

2 視頻圖像的處理及對攝像機的控制

2.1 嵌入式系統(tǒng)對視頻圖像的處理

本系統(tǒng)中所采用的槍機為海康威視DS-2CD2T20FD-I3，其分辨率為1 920×1 080，采用RGB三通道輸出，若灰度級取256級，則每一幀圖片大小為1 920×1 080×24=49 766 400（bit），另外，該攝像機的視頻圖像刷新速度為24幀/s，那么每秒的信息量是49 766 400*24＝1 194 393 600（bps），或約為1 194 Mbps。同理，海康威視DS-2DE4220IW-D智能球型攝像機的分辨率為1 280×720，則其每秒信息量約為530 Mbps。而經(jīng)過測試，無線網(wǎng)橋點對點測試帶寬可達80 Mbps以上，信號衰減非常低，為使系統(tǒng)滿足百萬高清攝像機的傳輸和無線網(wǎng)絡(luò)橋接等應(yīng)用需求，采用H.264標(biāo)準(zhǔn)來高度壓縮數(shù)字視頻。經(jīng)過H.264標(biāo)準(zhǔn)處理后的圖像質(zhì)量很高、容錯能力很強、網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性很好、數(shù)據(jù)量非常小。所以采用H.264算法標(biāo)準(zhǔn)壓縮后的視頻數(shù)據(jù)在傳輸時，所需帶寬少，也更加經(jīng)濟[10]。

由于視頻每一幀圖像之間的關(guān)聯(lián)性很好，數(shù)據(jù)變化量較小，遂采用幀間（Interframe）壓縮的方式有效地降低數(shù)據(jù)量，該方法屬于基于時間壓縮的范疇。基于復(fù)雜的編碼算法基礎(chǔ)之上，H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)具有高于普通編碼方式50%的編碼效率，并且在碼率較低的環(huán)境下仍可以提供高質(zhì)量圖像。并且目前H.264是主流的監(jiān)控視頻壓縮算法，其對不同播放場景的傳輸速度適應(yīng)性極高，在實時通信中的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性非常好。

H.264標(biāo)準(zhǔn)壓縮視頻流程圖如圖4所示。

圖4 H.264標(biāo)準(zhǔn)壓縮視頻流程圖

2.2 嵌入式系統(tǒng)對攝像機的控制

1）云臺控制

建立一套主從系統(tǒng)，通過設(shè)置賬戶策略來實現(xiàn)客戶端對服務(wù)器的不同訪問權(quán)限，高級用戶享有最優(yōu)先權(quán)利，可以通過PC端鼠標(biāo)點擊控制云臺旋轉(zhuǎn)、調(diào)整攝像頭焦距、放大或縮小圖像，當(dāng)高級用戶放棄控制后，次級用戶才可以對攝像機進行相同的控制。最低級用戶僅能實現(xiàn)視頻圖像的映射，觀看視頻畫面，不能控制前端攝像機的姿態(tài)。

2）瀏覽模式

河道現(xiàn)場共有4組“槍球聯(lián)動”系統(tǒng)，8臺攝像機，用戶可以隨時切換1路/2路/4路/8路瀏覽模式進行監(jiān)視。因此，在局域網(wǎng)內(nèi)的高級和次級用戶機需使用B/S架構(gòu)方式進行數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的瀏覽。B/S架構(gòu)控制方案如圖5所示。

3）視頻的存儲

前端攝像機所連接的NVR中，自帶硬盤設(shè)備，技術(shù)人員可以設(shè)定全天候24小時不間斷或間歇式采集視頻圖像并將數(shù)據(jù)存儲至硬盤中。用戶則可以通過局域網(wǎng)訪問硬盤，提取數(shù)據(jù)、調(diào)用錄像，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場的監(jiān)測，并且可以對圖像做適當(dāng)?shù)臄?shù)字信號處理，獲取感興趣的水文指標(biāo)。

圖5 B/S架構(gòu)控制方案

3結(jié) 論

隨著近幾年無線網(wǎng)絡(luò)及視頻監(jiān)測技術(shù)的不斷進步，無人值守愈發(fā)的智能化。本設(shè)計中不僅采用了最先進的“槍球聯(lián)動”監(jiān)控技術(shù)，更改變了水文監(jiān)測系統(tǒng)中得到數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)方式，同時還運用新能源太陽能為野外整套系統(tǒng)供電，利用現(xiàn)代的高科技打造更便捷、更經(jīng)濟的自然災(zāi)害預(yù)防監(jiān)測機制。目前，視頻網(wǎng)橋系統(tǒng)通過測試，正在建設(shè)當(dāng)中，即將投入實際應(yīng)用，產(chǎn)品前景廣闊。

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Hydrological monitoring system with the dome camera and bullet camera based on the wireless bridge

CHEN Yu1，LENG Jian-wei2，SHEN Fang-ting3
（1.Tianjin Sino-German Vocational Technical College，Tianjin 300350，China；2.Tianjin Key Laboratory for Control Theory&Applications in Complicated Industry Systems，Tianjin 300384，China；3.College of Automation，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China）

Aiming to poor working conditions of wild river hydrological monitoring and improving the unintuitive transmission of rivers'humidity and temperature data with the use of wireless sensors，a field hydrological monitoring system based on the embedded Linux is proposed.The system based on B/S architecture with the dome camera and bullet camera in the front end，thus the client could acquire and store the video signals whenever they want via the wireless bridge，continuously monitored throughout the day as well.Which not only reduces the investment in human capital as well as intuitively gets live video images and data，but also shortens the discovery and removel of river emergencies，improving the efficiency and management level.

wireless bridge；the dome camera and bullet camera；embedded；hydrological monitoring；acquisition and storage

TN99

A

1674－6236（2016）18-0079-03

2015-11-06 稿件編號：201511061

陳 愚（1968—），男，天津人，副教授。研究方向：電氣工程自動化。