微功耗高清信息采集系統在ITS中的應用

摘要：微功耗高清信息采集系統在ITS（智能交通系統）中有著廣闊的應用前景。首先描述了微功耗高清信息采集系統的使用場景，其次對系統的組成、技術特點、性能優勢進行了闡述，隨后對微功耗高清信息采集系統的應用情況進行發舉例分析，最后對微功耗智能電池監測技術進行了研究。

關鍵詞：微功耗高清信息采集系統;電池監測;ITS（智能交通系統）

中圖分類號：U491.5;TP391.41? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）03-0048-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.03.014

0? ? 引言

傳統的視頻監測監控系統，都集中在城鎮以及其他方便取電和網絡傳輸的區域，已經初步形成數據存儲、數據分析和數據挖掘的運算體系，為城市交通、居民消費、市政設施和城市管理等做出了積極的貢獻。但是，這些數據采集僅限于城鎮，城鎮以外廣闊區域內的數據匱乏，使人工智能和大數據服務無用武之地。本文介紹的微功耗高清信息采集系統讓數據采集不再受環境限制，能夠更主動、更廣泛、更深入地獲取豐富的數據。

1? ? 微功耗高清信息采集系統整體結構

如圖1所示，微功耗高清信息采集系統整體結構主要包括三部分：前端監控設備、傳輸網絡和中心平臺。其中，前端監控設備主要由微功耗云臺高清攝像機、小功率（60 W）太陽能電池板和一體化控制主機組成;傳輸網絡主要設計采用運營商的4G或5G通信網絡，實時將視頻信號傳輸到管理中心;中心平臺主要由視頻分析、識別、管理軟件及配套的服務器和存儲硬件組成。

2? ? 微功耗高清信息采集系統前端

如圖2所示，微功耗高清信息采集系統前端主要由微功耗云臺高清攝像機、小功率（60 W）太陽能電池板和一體化控制主機組成。

其中，微功耗云臺高清攝像機主要負責采集現場視頻信息，其功能組件如圖3所示。

微功耗高清IPC部分采用200萬/300萬像素CMOS圖像傳感器;匹配20/30倍光學變倍的自動和手動對焦鏡頭，快門速度為1/30 000～1/3 s;用于實現彩色圖像采集環境下≤0.05 Lux@F1.6低照度性能并支持日夜轉換功能。微功耗全方位智能云臺采用PELCO-P/D協議3D智能云臺解碼器，預置位為255，支持巡視軌跡、花樣掃描、水平掃描、自動掃描等。視頻壓縮標準為H.264/H.265/M-JPEG，最大分辨率為1 920×1 080@H.264/M-JPEG，圖像最大幀率為25 fps（PAL）、30 fps（NTSC），固定碼率為256 kb/s～4 Mb/s或可變碼率，碼流種類為主碼流、副碼流和第三碼流。通信接口為10/100M Base-T自適應以太網接口，支持組播（多播）功能，平臺協議為ONvif/GB 28181—2011/2016。由于微功耗高清IPC部分采用微功耗技術，該部分平均功率不大于2 W，只有一般高清IPC的1/10，配合智能主控一體機，即使是在無任何供電電源的場合也能實現視頻輸出15天。

智能主控一體機按功能可劃分為蓄能控制模塊、充放電管理模塊和傳輸模塊三部分，如圖4所示。其中，蓄能控制模塊以工業鋰電池組為主，容量36～72 Ah可選配，采用合理嚴謹的布局和完善的多重保護功能，保證蓄能控制模塊的各個組成部分在惡劣條件下仍具有良好的工作狀態，在太陽能電池板供電的條件下，該系統能夠全年不間斷工作。充放電管理模塊能夠高效地將太陽能板的電能轉化到蓄能電池組中，具備多重充放電保護，包括過充、過放、短路、超載和超溫等保護，保證了蓄能模塊的長壽命以及蓄能控制模塊的經久耐用，并能高效地為各個部件分配電能，提供穩定可靠的內部供電環境;同時，該組件具有一鍵電量、電壓顯示和一鍵安全放電功能，方便在安裝和維護過程中保障蓄能模塊的安全。傳輸模塊主要采用4G或5G模組實現高清攝像機視頻信息的數據傳送，也可以根據用戶的需要采用光纖或數字微波方式。這三部分模塊有機地集成在一個整體單元中，形成高度集成的集蓄能、控制和傳輸于一體的智能化控制設備。

該組件在設計上采用MPPT智能高效充放電控制技術，陰雨天也可以充電;采用TI專用充放電管理芯片，將充電、放電和使用過程中的電量轉換效率提高到95%，再小的電量都能夠存儲和供應。同時，采用BMS框架標準，結合光伏供電的特點，應用自主研發的智能均衡技術，延長模塊的壽命，提高其環境適應能力。另外，使用新能源動力的電量回收技術，將云臺運行中極小的反向能量轉化回收存儲，提高微功耗設備的續航能力。在工業化生產方面，采用絕熱效果最好的氣凝膠保溫層，對電池組的6個面進行無縫保護，同時采用動態恒溫的控制方式，讓每個鋰電池的溫度都保證均衡，處于完全的充放電環境中，有利于延長模塊的使用壽命;并采用一體化防撞防沖擊內架，能夠保證蓄能模塊在沖擊和碰撞的條件下不發生意外，配合主控一體機上的“安全放電”按鈕，保證了存儲、運輸和使用過程中不會對蓄能模塊有影響。

3? ? 傳輸網絡

傳輸網絡主要設計采用運營商的4G或5G通信網絡，實時將視頻信號傳輸到管理中心，并接收管理中心下發的調焦、轉向、雨刮運行等控制命令。在有特定需求的情況下，也可采用光纖或數字微波傳輸的方式。

4? ? 中心平臺

中心平臺主要由視頻分析、識別、管理軟件及配套的服務器和存儲硬件組成。其主要作用是對前端傳送過來的車輛運行視頻數據進行行為分析與識別，準確判斷在定向車道管理區域內行駛的車輛是否存在違法行為，若發現相關違法車輛，則對車輛相關信息（如車牌號碼、號牌顏色、車輛類型、車身顏色、車輛品牌等）進行提取，并上傳給交通管理的執法平臺。同時，中心平臺還具備對設備的管理和控制功能，能實現設備的登記、操控、監測、刪除等的應用。圖5為使用微功耗高清信息采集系統采集的違章車輛合成信息。

5? ? 智能電池監測技術

電池動態應力測試如圖6所示。根據圖6（a）可知，當電池容量低于80%時，電池不可用;當每次放電深度為10%時，電池的循環壽命高于9 000次;當每次放電深度達25%時，電池的循環壽命低于3 500次。因此，每次放電深度越低，電池循環壽命就越長。

結合光伏供電的特點，該系統前端采用智能電池監測技術（監控器），監控器有助于監測計準確測量各種化合物（如鋰離子、磷酸鐵鋰和鎳氫）的荷電狀態和健康狀態，在每個單獨的電池上實現時間同步測量，可實時提供電池電壓、溫度和電流的精確讀數，精確的監控可提高電源使用效率，從而延長運行時間并減小電池尺寸和降低電池成本。系統還集成了噪聲濾除功能，無須外部噪聲濾除即可提高測量完整性和精度，改善通道間測量同步并縮短所有測量值返回主機的時間，具有集成式可編程保護功能的監控器可全面控制電壓、電流和溫度，自動觸發保險絲和板載診斷功能，從而實現出色的系統性能，延長模塊壽命，提高其環境適應能力。

該系統前端設計的蓄能模塊每天放電深度<6.6%，比10%放電深度線更為平坦，如圖6（b）所示，根據積累的數據和趨勢推測，循環放電9 000次以后的容量仍然大于90%，按每天一次6.6%的放電深度來推算，9 000次循環壽命，合計約24年，還能保持90%的容量。

6? ? 結語

本文所述微功耗高清信息采集系統在ITS中有著廣闊的應用前景，本系統與市場現有的監控設備相比，減少了實施中的很多環節，例如無須敷設專用管道，無須專用市電接入等，無須光纖通信接入等，設備安裝極其簡化，設備的維護、拆卸和位移都非常便捷，同時先進的微功耗及蓄能控制技術還能保證系統長期穩定的不間斷工作。

收稿日期：2021-11-04

作者簡介：成晟（1979—），男，江蘇南京人，高級工程師，研究方向：嵌入式開發、智能交通信息化。