基于3G網(wǎng)絡(luò)滑坡應(yīng)急遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

孟慶佳

0 引言

視頻監(jiān)控技術(shù)廣泛用于資源保護(hù)、水利、礦業(yè)、交通、安全等，隨著通信技術(shù)日趨完善[1]，3G網(wǎng)絡(luò)及嵌入式技術(shù)的發(fā)展，使得視頻監(jiān)控技術(shù)逐步實現(xiàn)低成本、低功耗、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)程化?，F(xiàn)今3G無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，節(jié)約了人力物力成本，克服了復(fù)雜地理環(huán)境等問題[2]。視頻監(jiān)控技術(shù)正逐漸向泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測發(fā)展，以便于將監(jiān)控信息及時的傳送到接收終端，并保留寶貴的圖像及數(shù)據(jù)信息。

將視頻監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于野外地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離精確可靠監(jiān)測預(yù)警。為了實現(xiàn)低功耗，位移監(jiān)測模塊監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定預(yù)警值或者定時器開啟，監(jiān)測終端自動啟動，將監(jiān)測的數(shù)據(jù)及圖像進(jìn)行疊加處理發(fā)送到人機(jī)界面接收端。為了提高儀器的靈活性，用戶還可以通過Internet遠(yuǎn)程控制視頻監(jiān)控設(shè)備的啟動/關(guān)閉。本文將遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用于滑坡地質(zhì)災(zāi)害中，將滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的視頻與數(shù)據(jù)完整過程保存下來，為滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的機(jī)理提供直觀可靠的研究依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

滑坡是指斜坡上的土體或者巖體，受河流沖刷、地下水活動、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影響，在重力作用下，沿著一定的軟弱面或者軟弱帶，整體地或者分散地順坡向下滑動的自然現(xiàn)象[3]。為保護(hù)人民的生命和財產(chǎn)安全，為國家地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測工程提供技術(shù)服務(wù)，提出數(shù)據(jù)與圖像相結(jié)合的監(jiān)測技術(shù)手段，為滑坡地質(zhì)災(zāi)害的研究提供更可靠的研究依據(jù)。

整個3G網(wǎng)絡(luò)視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由雨量傳感器、拉繩式位移傳感器、監(jiān)控鏡頭、數(shù)據(jù)/圖像處理模塊（字符疊加）、視頻處理器、3G模塊組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

雨量采集器主要是通過內(nèi)部設(shè)置定量的翻斗計量器獲取脈沖信號。同樣，位移傳感器根據(jù)其內(nèi)部拉繩變阻原理，改變阻值，實現(xiàn)滑坡體相對位移的測量。

將雨量與位移將信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，與設(shè)定的預(yù)警值進(jìn)行對比，大于等于預(yù)警值時，開啟云臺攝像鏡頭，字符疊加模塊對采集的數(shù)據(jù)集圖像進(jìn)行處理疊加，發(fā)送到視頻服務(wù)器的存儲模塊，通過3G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)/圖像打包傳送到接收終端（計算機(jī)）。

接收終端配有良好的人機(jī)界面，具有數(shù)據(jù)與圖像處理、遠(yuǎn)程控制（本地存儲圖像/視頻）等功能。為實現(xiàn)低功耗，系統(tǒng)主要采用時鐘/遠(yuǎn)端控制，采用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)級、電路級低功耗設(shè)計[4-5]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集

2.1.1 前端傳感器

（1）采用翻斗式雨量傳感器，采用5 V供電及雙可觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CC4098，獲取單穩(wěn)脈沖輸出，濾去雜波，翻斗每翻轉(zhuǎn)一次計數(shù)降雨量0.5 mm.

（2）采用拉繩式位移傳感器，5 V供電，精度能夠達(dá)到0.05 mm，將傳感器放入密封盒中，拉繩端接入耐腐蝕套管，采用深埋式多點式分部監(jiān)測方法，深度約1 m，點位設(shè)置4個?；挛灰瓢l(fā)生并不是單純一個點，在可能發(fā)生相對位移的點位上均設(shè)置上位移傳感器進(jìn)行監(jiān)測，以防滑動位置判斷失誤而造成監(jiān)測失敗。

2.1.2 數(shù)據(jù)圖像采集模塊

2.1 專家的基本信息 本研究共23名專家，年齡(39.50±11.39)歲，工作年限(20.00±6.89)年；文化程度：本科19名(82.61%)，碩士3名(13.04%)，博士1名(4.35%)；職稱：副高以下6名(26.09%)，副高及以上17名(73.91%);從事崗位：護(hù)理管理18名(78.26%)，臨床護(hù)理3名(13.04%)，護(hù)理教育1名(4.35%)，醫(yī)療專家1名(4.35%)；82.61%為康復(fù)專科護(hù)士，4.35%為康復(fù)護(hù)理教師，4.35%為康復(fù)醫(yī)師，8.70%為臨床康復(fù)護(hù)士。

（1）數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)采集傳輸模塊的MCU采用C8051，C8051具有四個定時器，兩個UART，外部存儲器接口，工作電壓在2.7~5.25 V.

（2）圖像采集：圖像采集主要采用低功耗VESJ400S1激光云臺攝像頭，鋁合金精鑄外殼，不易發(fā)熱、耐壓、防腐蝕、使用壽命長、輻射距離遠(yuǎn)。激光夜視距離≤400米，自動調(diào)焦，較適用于遠(yuǎn)距離惡劣大范圍的野外監(jiān)控，工作電壓在8 V~36 V，功耗60 W。

（3）圖像存儲：采用SOC處理芯片和音視頻壓縮算法，支持遠(yuǎn)程手機(jī)監(jiān)控，具有高性能的操作系統(tǒng)，保證圖像傳輸流暢清晰。

2.2 數(shù)據(jù)圖像疊加模塊

采用一款單通道、單色隨屏顯示（OSD）發(fā)生器MAX7456，在動態(tài)視頻上疊加定制圖形，實現(xiàn)同步分離，內(nèi)部集成視頻分離電路，字符存儲器，而且可方便以任意字符、尺寸顯示所需信息，硬件設(shè)計更簡單，成本更低，易于滿足實際需要不需要添加外部視頻驅(qū)動器[6-7]。采用MAX7456芯片提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是該芯片在應(yīng)用時，散熱較差，故在電路設(shè)計要增加散熱片。

2.3 3G網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

采用電信3G網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，支持WIFI無線網(wǎng)絡(luò)搜索、接入，支持WEP/WPA/WPA2無線加密方式，內(nèi)置于圖像存儲模塊內(nèi)，實現(xiàn)圖像網(wǎng)絡(luò)連通性，可通過瀏覽器對視頻監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置、監(jiān)控等。

良好的人機(jī)界面，可以通過綁定二級動態(tài)域名或者調(diào)用網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置IP地址，通過瀏覽器進(jìn)行訪問，同時將信息存儲到本地硬盤中，進(jìn)行數(shù)據(jù)及圖像分析。

2.5 太陽能供電系統(tǒng)

采用市電互補(bǔ)的方式進(jìn)行供電，市電200 V正常供電情況下，為系統(tǒng)的主要供電電源，并在2 h內(nèi)充滿蓄電池，停電后，系統(tǒng)外接300 W太陽能供電系統(tǒng)啟用，可連續(xù)2天陰雨天氣正常工作；條件惡劣的情況下，僅采用1 000 W太陽能供電系統(tǒng)，系統(tǒng)安裝點必須滿足每天光照約6 h，可連續(xù)5個陰雨天氣正常工作。保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的程序流程如圖3所示。主要實現(xiàn)初始化、定時啟動、外部喚醒、遠(yuǎn)程控制功能。

圖3 程序初始化流程圖

（1）系統(tǒng)初始化：系統(tǒng)上電后，定時器初始化，通過遠(yuǎn)端控制，發(fā)送初始化信息矯正時間、初始值、預(yù)警值等，啟動攝像鏡頭，向主機(jī)發(fā)送處理信號，確定無誤，上位機(jī)遠(yuǎn)程發(fā)送運(yùn)行指令，正式啟動系統(tǒng)，進(jìn)入節(jié)電休眠模式；

（2）定時啟動：初始化后，系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式，每4 h系統(tǒng)啟動，從EEProm讀取并寫入存儲值，對數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行處理，通過電信3G模塊將處理信息發(fā)送到接收終端，運(yùn)行2 h后，進(jìn)入休眠狀態(tài)；

（3）外部喚醒：當(dāng)外部降雨量或者位移量超過預(yù)設(shè)報警值時，系統(tǒng)立即被喚醒，啟動攝像鏡頭，通過電信3G模塊，傳輸報警信號及數(shù)據(jù)圖像處理信息，遠(yuǎn)端進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理，提醒終端進(jìn)行防災(zāi)預(yù)警（預(yù)警值可設(shè)置為三個等級：黃色預(yù)警、藍(lán)色預(yù)警、紅色預(yù)警）；

（4）遠(yuǎn)程控制：系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下，由外部定時器定時啟動休眠，也可通過遠(yuǎn)程控制發(fā)送啟動信息，調(diào)取數(shù)據(jù)圖像。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了基于3G網(wǎng)絡(luò)滑坡應(yīng)急遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要用于野外監(jiān)測，宗旨是低功耗、低成本。采用嵌入式系統(tǒng)，通過3G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，存儲寶貴的監(jiān)測數(shù)據(jù)。圖像傳輸過程中采用高性能的操作系統(tǒng)和音視頻壓縮算法，圖像在傳輸過程中更加流暢，畫面連續(xù)清晰?？梢酝ㄟ^瀏覽器進(jìn)行遠(yuǎn)端控制、管理、配置、監(jiān)控、存儲、數(shù)據(jù)圖像處理等，使得操作更加簡便，見圖4.

（續(xù)上圖）

圖4 室內(nèi)測試與野外測試安裝

該系統(tǒng)已在四川省、云南省兩地進(jìn)行野外實驗，由于野外光照強(qiáng)度、濕度、陰雨天氣、野外環(huán)境等影響，儀器設(shè)備整體運(yùn)行設(shè)計在防潮、防蟲蟻、日照強(qiáng)度等方面仍有缺陷，為更好地適應(yīng)野外各種惡劣環(huán)境，該儀器仍需不斷改進(jìn)完善。

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