浮標應用圖像采集與無線傳輸集成系統的研究

梁德榮

摘 要：伴隨著通信技術的發展，無線通信和網絡技術日益成熟與可靠，“高速運動中”和“非視通條件下”實現高質量實時圖像和數據傳輸已變為現實。為提高航標維護管理能力，豐富海上船舶實時動態監控手段，推進航標智能化、可視化是航標管理者努力的方向和目標；本文在不改變浮標助航效能的基礎上，根據復雜多變的海上環境，研究一套具備圖像采集、圖像處理、圖像的傳輸、本地存儲調用等主要功能，并可拓展航道監測、海況數據采集、航標燈器管理、能源管理等功能的有機融合體，實現一套遠程圖像監控、遠程控制、圖像采集傳輸等功能于一體的無線監控指揮管理系統。

關鍵詞：浮標；圖像；無線傳輸；集成系統

中圖分類號：TN914 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）7-0045-03

1研究的背景

背景一：隨著向海經濟和航運發展，船舶通航流量增多，密度增大，加上港口航道新建、擴建，海上作業活動頻繁，海上浮標在提供導助航服務的同時，遭遇碰撞、損壞的風險也隨之增多。由于事發地點在海上，航標船舶難以快速到達現場，導致肇事船舶抱有僥幸心理，不報告、逃逸現象常態化，給航標的索賠、取證工作帶來困難，一直缺少有效的辦法解決，只能利用AIS軌跡回放估斷嫌疑船只，證據并不充分、徹底。

背景二：海上浮標大多處于開闊水域，面積廣、風浪大、海況惡劣，航標管理者難以全面、準確掌握海上實際情況。航標船和航標員出航作業效率不高，甚至有時候無功而返。如果出航前能準確掌握海上作業條件，判斷是否適合作業要求，這不但提高效率和安全性，而且節約成本。

背景三：隨著“海洋強國”和“一帶一路”國家戰略實施，新形勢下，航海保障工作面臨新機遇，以創新為驅動力，突破傳統思維，拓展和豐富助導航服務功能，推動航海保障事業向智能化、信息化的科學技術進步，具有重要的意義。近年來，海事、海洋、海警、港口管理等單位都在加強海上交通安全監管力量，提出能否借用助海上浮標，拓展視頻或圖像功能，實現“所見所得”快捷、便利、高效的監管目標。

2研究的思路

（1）引入陸上智能交通的視頻（圖像）監控系統設計思路，在水上浮動標志上安裝固定的攝像（圖像）設備，對浮動標志周邊水上環境進行實時或定時影像（圖像）數據采集，經過內置集成的單片微型計算機處理后，實現儲存和調用，并借助于移動無線網絡技術，實現遠程調用傳輸數據，達到監控目的。

（2）居于陸上視頻（圖像）監控系統與海上浮動監控系統所處外部環境的差異性，并考慮有線傳輸和無線傳輸成本，本研究著重解決的問題，一是利用浮標自帶的太陽能和蓄電池供電，本系統耗電要低于普通視頻監控；二是圖像具有一定的清晰度，采集數字圖像后能充分處理壓縮，在保證圖像質量的前提下盡可能縮小數據儲存容量；三是保證在“高速運動中”拍攝的圖像處于平衡狀態；四是遠程數據傳輸的穩定可靠。

3研究系統原理

3.1工作原理

本系統采用嵌入式實時多任務操作系統和高性能 CPU 處理器，系統調度效率高，代碼固化在FLASH中，系統運行更加穩定可靠。產品集成GPS模塊、3G模塊、圖像采集編碼模塊，溫濕度傳感器等其他多種傳感器模塊，工業控制模塊，可以實現現場圖像傳輸，還具有遠程控制管理功能。3G圖像采集采用JPEG編碼和先進的網絡丟包容錯技術，確保流暢的效果跟圖片清晰度。數據接口采用工業級接口設計及便捷化安裝方式，防震效果好能適應多頻率多方向振動。各功能模塊工作原理如下示意圖：

3.2樣品模型

本系統已完成設計和樣品試驗，為使得產品安裝牢固并確保一定高度，增大拍攝效果，產品設計安裝在浮標燈器、太陽能板的安裝底板，產品的底座與燈器底座基本相同，底座朝上呈倒立安裝，與燈器緊固螺栓共享。樣品模型如下示意圖：

3.3工作特點

（1）本產品采用專用方案，嵌入式結構設計，體積小集成度高，可靠性強，抗摔抗震性能高，功耗低。

（2）高效JPEG壓縮編碼，輕松實現清晰視頻的低網絡帶寬傳輸，用于無線傳輸全景拍照。

（3）四位攝像頭全面拍取現場圖片。

（4）智能取景，根據設備搖擺狀況，自動調整拍照條件。

（5）網絡帶寬自適應技術，根據網絡帶寬自動調整圖片速率。

（6）內置硬件狗，異常自動恢復，網絡中斷后可自動連接，保證系統運行穩定可靠。

（7）平臺軟件功能強大，集成度高，擴展方便。支持分級用戶權限管理，可以劃分不同觀看權限，控制用戶對圖片資源的觀看數量。

（8）采用數據流加密技術，保證網絡通信安全，具有專業的SSl安全通信服務，可以定義自己的加密方法。

（9）定時和短信休眠，心跳數據鏈路多方式共存，能有效節省用戶數據流量費用。

（10）支持本地TF卡存儲，抗震效果好。TF卡可選用8G、16G、32G。

（11）設備支持GPS定位功能，定位精度在15m以內，支持專業GIS地圖等。

（12）內置溫濕度傳感器，支持溫濕度監測。

（13）內置電壓電流監測模塊，支持電壓電流監測功能。

（14）自動復位重連，斷點續傳。

（15）多種工業控制接口預留擴展。

（16）軟件及后臺對接可擴展性強。

4研究系統技術方案

本集成系統主要包括圖像采集、圖片編碼壓縮、GPS授時定位、3G網絡數據通道、加速度傳感器等功能模塊。

4.1圖像采集

前端設備對接4路1000線遠景USB數字攝像頭采集現場圖片，USB接口攝像頭的傳輸速度遠遠高于串口、并口的速度，因此現在市場熱點主要是USB接口的數字攝像頭。本方案采用高分辨率USB接口數字攝像頭，實現清晰的D1圖像傳輸。攝像頭參數如下：

4.2圖片編碼壓縮

JPEG為應用最廣的圖像壓縮標準。JPEG由于可以提供有損壓縮，因此壓縮比可以達到其他傳統壓縮算法無法比擬的程度。

本系統采用單片微型計算機，兼有視頻硬件加速引擎的高性能通信媒體處理器，能夠滿足日后拓展軟件應用需求；雙DDR架構能夠提供更大的數據處理帶寬和能力；編解碼性能高，能夠提供最佳的多路編解方案；豐富的視頻輸入輸出接口，最高分辨率1920 x1080p。

4.3 GPS 授時定位

GPS授時系統是針對自動化系統中的計算機、控制裝置等進行校時的高科技產品，GPS授時產品它從GPS衛星上獲取標準的時間信號，將這些信息通過各種接口類型來傳輸給自動化系統中需要時間信息的設備，這樣就可以達到整個系統的時間同步。本方案采用高精度UBLOX GPS方案，可以配合本地RTC管理，結合GPS 數據采集到的經緯度信息，時間信息，對整個系統的數據進行輔助管理。

4.4網絡數據通道

移動傳輸技術，是基于電信/聯通/移動網絡，可選擇合適的4G無線模塊，達到高效傳輸圖片目的。通過網絡模塊自動撥號活動運營商分配的IP與后臺服務器對接，建立TCP/IP通道，從而建立專有的數據傳輸通道。可根據網絡狀況實時監測網絡狀況，實現斷點重聯，網絡空閑自動傳輸。通過不斷偵測3G模塊信號強度，通過AT命令集建立PPPD網絡連接，對網絡狀況進行初步偵測。

4.5加速度傳感器

采用加速度傳感器G-sensor，返回x、y、z三軸的加速度數值。該數值包含地心引力的影響，單位是m/s^2。傳感器一般提供±2G至±16G的加速度測量范圍，采用I2C或SPI接口和MCU相連，數據精度小于16bit。G-sensor能夠感知到加速力的變化，比如晃動、跌落、上升、下降等各種移動變化都能被G-sensor轉化為電信號，然后通過微處理器的計算分析后，就能夠完成程序設計好的功能。本方案根據G SENSOR返回的數據判斷終端設備是否處于水平狀態，用來決定是否進行圖像采集操作。

4.6其它

拍照管理。本方案根據產品功能定義圖像的采集需要結合GSENSOR數據，系統時間，進行定時或者事件觸發拍照作業，并保存到緩存隊列里。

電源管理。本方案采用先進電源管理方案，能實現寬范圍工作電壓，低功耗省電，智能調整工作任務。本設備靜態電流0.3A，拍照時瞬間電流0.5A。白天耗電量5Ah，加上燈器夜間耗電3Ah，對于200Ah蓄電池，陰天太陽能板不充電時，可維持25天。

天線。3G及GPS天線采用外置方法，高增益吸盤天線，能最大程度保證信號通道質量。

后臺管理。后臺管理通過瀏覽器登陸后臺管理指定網址，實現可視管理。

5結論

（1）該系統完成后，可達到如下的設計目的：

（2）減少航標工作量，節約成本，降低作業風險。

（3）為船舶碰撞航標事故提供有力證據，解決海事調查及損失索賠問題。

（4）當船舶進港或施工作業時，為海事部門海上安全監管提高及時、高效現場情況。

（5）為海洋、海警和港口管理機構提供高效的服務。

（6）推進航標數字化、智能化技術進步。