遠程監控報警系統在前兆無人值守臺站的應用

郭亞亞，張玉林，孫彭濤，任俊峰

(河北省地震局承德中心臺，河北 承德 067000)

隨著基礎設施建設步伐的加快，越來越多的行業通過遠程監控系統對無人值守設備進行管理。目前河北省地震前兆臺網無人值守臺站的管理均采用網絡攝像頭實時監控，但需要人為定時查看場地現狀，如能實現對場地環境驟然變化時自動報警，可提高臺站的維護質量和維護水平。本文對場地環境變化自動報警系統進行了初步探索，及時發現場地異常狀況，以加強對場地環境安全管理。

1 設計方案

本系統設計是將網絡攝像機的嵌入式操作系統用無線網絡適配器通過HTTP協議用獨立的IP地址把攝像頭與電腦相鏈接，系統經過一定時間間隔(采用0.04 s為時間間隔)采集圖像數據，使用PSNR算法，將采集的圖像與設置的標準圖片進行對比，判斷圖像差異，如果圖像變化達到一定閾值則發出警示。

1.1 系統硬件設備

圖1 系統硬件框圖

本實驗采用孔徑為4 mm的網絡攝像機一臺，并通過局域網與計算機終端相連(見圖1)。網絡攝像機通過獨立的IP地址和嵌入式操作系統實現網絡監控的智能化，可以通過LAN、DSL連接或者是無線網絡適配器直接連接到網絡上(張莉，2012)。網絡攝像機首先采集圖像(這些圖像可以被視為由不同波段的光組成)，然后將圖像轉換成光電信號，隨之從模擬狀態轉換成數字模式，經過壓縮處理后，傳輸到網絡上(李廷軍，2004)。局域網由網絡硬件(包括網絡服務器、網絡工作站、網絡打印機、網卡、網絡互聯設備等)和網絡傳輸介質，以及網絡軟件所組成。計算機終端主要用于接收和查看圖像數據。

1.2 系統架構

圖2 系統架構圖

系統采用MVC(即模型-視圖-控制器，model-view-controller)架構，用業務邏輯、數據、界面顯示分離的方法組織代碼，分為控制模塊、界面模塊、數據獲取模塊、數據模型。系統中除繪圖模塊設計為界面模塊的子模塊外，其它模塊均在不同的線程運行，它們之間依靠消息傳遞來實現通信與交換數據(熊輝,2003)，基本構成如圖2。(1)視圖部分(V部分)界面模塊和繪圖模塊屬于繪圖部分，主要用于系統UI界面，包括實時圖像、標準圖像界面以及更改標準圖像。(2)控制器部分(C部分)，即調度模塊，負責系統運行中邏輯跳轉與數據的傳送。(3)模型部分(M部分)，即圖像獲取設置，標準圖像設置，實時圖像與標準圖像對比，警告，系統支撐等，均由模型部分來完成的。數據模型，對各數據進行建模，實現對這類數據的存儲、解析、繪制等內容。本系統圖像采集時間間隔為0.04 s，與設置的標準圖像進行對比，如果達到一定的閾值，即顯示警告信息。

1.3 開發環境

軟件開發環境如表1。

表1 軟件開發環境

1.4 程序算法及主要實現代碼

選取一張由網絡攝像機拍攝的正常無干擾狀態下的場地環境照片作為標準圖像，使用PSNR算法，將網絡攝像機每隔0.04 s拍攝的照片與標準圖像進行對比，判斷圖像差異，若圖像變化達到一定閾值，即視為場地環境發生變化，發出警示。PSNR是個使用“局部均值誤差”來判斷差異的最簡單的方法，假設有這兩幅圖像I1和I2，它們的行列數分別是i，j，有c個通道(鄭遠,2014)。PSNR公式如下:

每個像素的每個通道的值占用一個字節，值域[0,255]。每個像素會有1個有效的最大值，注意當兩幅圖像相同時，MSE值會變成0，這樣會導致PSNR的公式變得沒有意義。所以需要單獨處理這樣的特殊情況。此外由于像素的動態范圍很廣，在處理時會使用對數變換來縮小范圍(朱亞輝，2012)。PSNR算法簡單，檢查的速度也很快。本程序使用C++語言編寫，變換的C++代碼如下:

double getPSNR(const Mat& I1, const Mat& I2)

{

Mat s1;

absdiff(I1, I2, s1); // |I1 - I2|

s1.convertTo(s1, CV_32F); // 不能在8位矩陣上做平方運算

s1 = s1.mul(s1); // |I1 - I2|^2

Scalar s = sum(s1); // 疊加每個通道的元素

double sse = s.val[0] + s.val[1] + s.val[2]; // 疊加所有通道

if( sse <= 1e-10) // 如果值太小就直接等于0

return 0;

else

{

double mse =sse /(double)(I1.channels() * I1.total());

double psnr = 10.0*log10((255*255)/mse);

return psnr;

}

}

2 成果及應用

本系統軟件安裝于豐寧地震臺業務值班室的一臺電腦中，攝像頭安裝于距豐寧地震臺15 km外的達二營無人值守站點，通過地震局內網連接電腦端與攝像頭。監控設備直接對準儀器的指示界面，不僅能夠監控到是否有人員進出儀器房，還可以對儀器面板的實時數據進行遠程監控，具有易于實現、方便使用、低成本等優點。系統界面見圖3，本圖的背景環境為辦公室。實驗中，隨意抓取一張監控圖片作為標準圖像，實時采集圖像與標準圖像進行對比分析，如果實時圖像與標準圖像差別不足以達到相應閾值，即不報警，顯示為標準圖像，界面正常，見圖3(a)；反之，圖像與標準圖像之間存在超出閾值的變化，則顯示警告信息圖3(b)。2016年5月20日工作人員到達二營無人值守臺站進行巡檢，進入儀器房，導致監控系統出現“警告?。?！”。許多無人值守臺站都比較偏遠，容易有蛇鼠等動物進入，對線路造成破壞，遠程監控可以隨時了解機房的監測環境。2016年7月28日，監控系統再次發出“警告?。?！”，經查看是一只壁虎爬入監控范圍。

圖3 監控信息實時警示意圖

3 結論

本文提出的遠程監控報警系統不僅能夠監控工作人員進出儀器房的記錄，還可以隨時了解機房的監測環境，保證監測環境安全，提高無人值守臺站的維護效率。如將攝像頭直接對準儀器的指示界面，還可以對儀器面板的實時數據進行遠程監控。由于數據傳輸的需要，各站點都具有較好的寬帶網絡資源，方便遠程監控系統的運行，具有易于實現、使用方便和成本低等優點。但由于程序設計簡單，監控圖像容易失真，如果攝像頭安裝在室外容易受到大風晝夜轉換。蚊蟲飛動等因素影響，會對報警系統產生一定影響。在未來優化發展中，無人值守臺站，當系統報警時，還可以通過短信鏈路來實現短信通知，并對報警圖像進行存盤，以備值班工作人員查看。