熊啟龍

（水利部淮河水位委員會(huì)水文局，安徽 蚌埠 233001）

基于遙測終端機(jī)的圖像監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熊啟龍

（水利部淮河水位委員會(huì)水文局，安徽 蚌埠 233001）

為了解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的圖像監(jiān)測問題，提出一種基于遙測終端機(jī)的圖像監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過設(shè)計(jì)合理的供電系統(tǒng)方案，根據(jù)無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境選擇適當(dāng)?shù)逆溌穫鬏斈Ｊ?，?yōu)化圖片數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，解決圖像監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中所遇到的問題。

圖像監(jiān)測系統(tǒng)；2.5 G/3 G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)；鏈路傳輸模式；多線程接收

0 引言

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和信息技術(shù)的突飛猛進(jìn)，水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)在防汛抗旱中起到越來越重要的作用，傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)主要的采集參數(shù)都是以數(shù)字量進(jìn)行展示，隨著人們對(duì)信息展示的需求越來越高，圖像化、視頻化成為遙測站點(diǎn)新的需求和趨勢，使得現(xiàn)場水情信息不僅僅能測得準(zhǔn)，而且現(xiàn)場情況要能看得清。

水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)很多遙測站點(diǎn)地處偏遠(yuǎn)山區(qū)、荒郊野外，有些站點(diǎn)僅能提供 2.5 G 的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，鋪設(shè)有線線路代價(jià)太高，因此，在這些地點(diǎn)應(yīng)用傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在很大限制。鑒于此，通過遙測終端機(jī)采集現(xiàn)場圖像，并利用 2.5 G/3 G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行恼荆菍?duì)水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)功能的很重要擴(kuò)展，對(duì)遙測系統(tǒng)的多樣化應(yīng)用有著很重要的意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

圖像監(jiān)測系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能主要是將現(xiàn)場的圖像采集后，通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將圖片發(fā)送到中心站，因此，系統(tǒng)的功能定位為

1）圖像監(jiān)測和視頻監(jiān)控系統(tǒng)兩者之間不是替代的關(guān)系，而是相互補(bǔ)充，在不適合建設(shè)視頻監(jiān)控的地方，圖像監(jiān)測站是一個(gè)很好的補(bǔ)充。

2）圖像監(jiān)測站和傳統(tǒng)的遙測站點(diǎn)一樣，適用在環(huán)境條件比較惡劣的場所，對(duì)系統(tǒng)供電和通信網(wǎng)絡(luò)的要求不高。

3）圖像監(jiān)測站適用在有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò) 2.5 G/3 G信號(hào)的地方。

4）圖像監(jiān)測站易于安裝，建設(shè)投資少，維護(hù)簡單，運(yùn)行成本低。

圖像監(jiān)測系統(tǒng)由前端測站和中心站監(jiān)控 2 部分組成，測站安裝在需要拍攝圖片的現(xiàn)場，中心站安裝在管理機(jī)房[1]。

1.1 圖像監(jiān)測站部分

圖像監(jiān)測站部分由電源系統(tǒng)、攝像頭、遙測終端機(jī)和通信模塊組成。由于圖像監(jiān)測站適用在偏遠(yuǎn)地區(qū)，因此系統(tǒng)的各部分設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控側(cè)重點(diǎn)不同。

1）電源系統(tǒng)。由于圖像監(jiān)測站安裝地點(diǎn)一般比較偏遠(yuǎn)，交流電一般得不到保證，因此，設(shè)計(jì)圖像監(jiān)測站的供電來源為太陽能。從功能邏輯上來分，系統(tǒng)電源部分由太陽能板、太陽能充電控制器和蓄電池組成，采用太陽能板將能量存儲(chǔ)在蓄電池中，由太陽能充電控制模塊控制蓄電池的充電和放電。

2）攝像頭。由于遙測終端機(jī)的接口和性能限制，相比較傳統(tǒng)的視頻攝像頭，圖像監(jiān)測站的攝像頭要求有串行 RS-232/RS-485 通信接口，能通過該接口與遙測終端機(jī)相連進(jìn)行信息交互，攝像頭清晰度要達(dá)到 130 W 像素以上，分辨率最高能達(dá)到 1 280 ×1 024，具有夜視功能，圖片存儲(chǔ)格式一般為 JPEG格式。

3）遙測終端機(jī)。遙測終端機(jī)要求有 RS-232/ RS-485 通信接口，配置至少 4 MB 的 Flash 非易失存儲(chǔ)器，用以暫存圖片，同時(shí)要求遙測終端機(jī)自身功耗要比較低，集成度高。

遙測終端機(jī)要能同時(shí)支持 2 路攝像頭，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集和傳輸。

4）通信模塊。根據(jù)實(shí)際需要，通信模塊要內(nèi)嵌TCP/IP 協(xié)議棧，支持高速串口通信，支持休眠喚醒功能，支持標(biāo)準(zhǔn) AT 指令，值守功耗要低。

1.2 中心站部分

中心站主要由服務(wù)器計(jì)算機(jī)和圖像接收監(jiān)控軟件構(gòu)成，服務(wù)器計(jì)算機(jī)需要接入互聯(lián)網(wǎng)，并配置有1 個(gè)公網(wǎng) IP 地址的 TCP 端口映射，圖像接收監(jiān)控軟件通過該網(wǎng)絡(luò)端口接收各圖像監(jiān)測站通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)包。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

由于圖像監(jiān)測站拍攝的 1 幅圖像一般在 30 k～1 M 字節(jié)之間，分包發(fā)送，因此中心站圖像接收監(jiān)控軟件要具有如下功能：

1）對(duì) 1 個(gè)圖像監(jiān)測站來說，1 幅圖像不可能以1 包數(shù)據(jù)通過 2.5 G/3 G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送完成，要分成數(shù)包數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，因此中心站圖像接收監(jiān)控軟件要具有能接收到多個(gè)圖像分包，并能將多個(gè)分包數(shù)據(jù)拼裝成 1 幅完整圖片的能力。

2）對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)多個(gè)圖像監(jiān)測站來說，在同一時(shí)刻，有多幅圖像同時(shí)向中心站發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)監(jiān)測站的圖片都是分包傳輸?shù)?，因此中心站要有能分辨每個(gè)數(shù)據(jù)包屬于哪幅圖片，以及多個(gè)分包能拼裝成多幅完整圖片的能力，并能將多幅圖片分類保持在服務(wù)器硬盤上。

3）能顯示每個(gè)圖像監(jiān)測站的狀態(tài)信息，包括系統(tǒng)電壓、太陽能充電電壓、GSM MODEM 手機(jī)信號(hào)場強(qiáng)、最后 1 幅圖片的發(fā)送接收時(shí)間、現(xiàn)場溫度等。

4）具有對(duì)接收的實(shí)時(shí)和歷史圖片分類檢索查詢的能力。

1.3 終端機(jī)及整機(jī)功耗

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，綜合考慮圖像監(jiān)測站的性能，選擇 WATER-YDH-2000D 遙測終端機(jī)作為圖像監(jiān)測站主控設(shè)備，該遙測終端機(jī)內(nèi)嵌容量為 8 MB 的Flash 存儲(chǔ)器，內(nèi)嵌 GSM Modem 通信模塊和太陽能充電控制電路，有 3 個(gè)獨(dú)立的 RS-232 串口和 1 個(gè)RS-485 串口，該機(jī)采用直流 12 V 供電，整機(jī)功耗在系統(tǒng)休眠狀態(tài)下（GSM Modem 常開），值守電流 3～5 mA，支持休眠喚醒功能。

遙測終端機(jī) WATER-YDH-2000D 通過 RS-232/ RS-485 接口與攝像頭相連，攝像頭電源由終端機(jī)控制，當(dāng)需要拍攝圖片時(shí)，將攝像頭上電，等待其穩(wěn)定后，發(fā)送命令拍攝和獲取圖片數(shù)據(jù)，完成后，將攝像頭斷電，以節(jié)省功耗。

與普通的水情遙測站相比，由于圖片檢測站的傳輸數(shù)據(jù)量很大，因此傳輸過程要長很多，功耗比普通水情遙測站大。

遙測終端機(jī) WATER-YDH-2000D 集成度高，自身功耗比較低，大部分能量都消耗在發(fā)送任務(wù)上，根據(jù)實(shí)際功能，考慮到用電功率、續(xù)航時(shí)間、日照時(shí)間等現(xiàn)場環(huán)境狀況，為每個(gè)圖像監(jiān)測站配置 1 塊40 W 太陽能板和 1 塊 65 A?h 蓄電池，可以使 1 個(gè)圖像監(jiān)測站在連續(xù)陰雨極端天氣下，每天平均發(fā)送10 張圖片，連續(xù)工作超過 14 d[3]。

2 圖像傳輸

2.1 圖像傳輸設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)遙測站點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸不同，圖像監(jiān)測站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要大很多，對(duì)通信的要求高，因此其數(shù)據(jù)傳輸需要針對(duì)這一特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。以 GPRS 信道為例，圖像監(jiān)測站發(fā)起 1 次 TCP 通信，傳輸 1 幅100 k 字節(jié)大小圖片，不可能 1 次將數(shù)據(jù)全部發(fā)送中心站，而是采取“分包傳輸”。遙測終端機(jī)在采集完成 1 幅圖片后，等分成數(shù)包數(shù)據(jù)，與中心站建立鏈接后，分批次將每包數(shù)據(jù)發(fā)送到中心站。

經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，GPRS 信道空中傳輸速率受電磁環(huán)境、天氣變化、在線用戶數(shù)量等多種因素的影響，是可變的，因此制約數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i在于 GPRS數(shù)據(jù)空中傳輸；同時(shí)由于在多包數(shù)據(jù)的傳輸過程中，有可能會(huì)在中間出現(xiàn)異常導(dǎo)致某一包數(shù)據(jù)傳輸失敗，需要再次與中心站建立連接進(jìn)行重傳；因此為了提高系統(tǒng)的傳輸效率，根據(jù)《水文檢測數(shù)據(jù)通信規(guī)約》規(guī)定，報(bào)文傳輸鏈路模式選擇采用 M3 多包發(fā)送/單次確認(rèn)傳輸模式，也就是終端機(jī)將 1 幅圖片連續(xù)分包發(fā)送，中心站在正確接收到全部數(shù)據(jù)包后，僅僅回答 1 次“確認(rèn)”報(bào)文[2]，如果采用 M2 發(fā)送/確認(rèn)傳輸模式，終端機(jī)每發(fā)送 1 幀圖片數(shù)據(jù)包，中心站返回 1 幀“確認(rèn)”報(bào)文，會(huì)浪費(fèi) 1 次數(shù)據(jù)往返的時(shí)間，單計(jì)算每包數(shù)據(jù)傳輸浪費(fèi)的時(shí)間很小，但是多次報(bào)文傳輸占用時(shí)間累加起來，就會(huì)出現(xiàn)“時(shí)間泡沫”，極大地降低傳輸效率。

遙測終端機(jī) WATER-YDH-2000D 共有 2 個(gè)主要任務(wù)：“拍照任務(wù)”和“發(fā)送任務(wù)”。當(dāng)需要拍照時(shí)，終端機(jī)啟動(dòng)“拍照任務(wù)”，通過串行 RS232/RS485 通信接口控制串口攝像頭拍攝和獲取照片，并保存在內(nèi)部 Flash 存儲(chǔ)器中；在獲取第 1 幀圖片數(shù)據(jù)后，“發(fā)送任務(wù)”開始啟動(dòng)，將 GSM MODEM 上電，撥號(hào)與中心站建立 TCP 鏈接，從 Flash 中將 1 幀圖片數(shù)據(jù)取出，發(fā)送到中心站。由于“拍照任務(wù)”獲取數(shù)據(jù)包比“發(fā)送任務(wù)”發(fā)送數(shù)據(jù)包速度要快，因此這2 個(gè)任務(wù)能協(xié)調(diào)一致，類似“流水線”模式，在獲取圖像數(shù)據(jù)的同時(shí)，暫存后再發(fā)送出去，即使發(fā)送失敗，也會(huì)在下一次繼續(xù)發(fā)送。

2.2 中心站圖片接收

中心站圖片接收監(jiān)控程序負(fù)責(zé)圖片數(shù)據(jù)的接收，當(dāng) 1 個(gè)圖片檢測站發(fā)起 TCP 鏈接時(shí)，接收監(jiān)控程序要為該 TCP 鏈接創(chuàng)建 1 個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程，以處理該監(jiān)測站圖片發(fā)送接收任務(wù)，此進(jìn)程為該任務(wù)所獨(dú)占。當(dāng)接收?qǐng)D像完成后，按照序號(hào)將分包數(shù)據(jù)拼裝成 1 幅圖片，保存在硬盤或者數(shù)據(jù)庫中，任務(wù)完成后，系統(tǒng)銷毀該進(jìn)程以釋放資源[4]。主要特點(diǎn)如下：

1）為每 1 個(gè)圖像監(jiān)測站發(fā)送數(shù)據(jù)鏈接創(chuàng)建 1 個(gè)單獨(dú)的進(jìn)程，保證了 1 幅圖片分成多個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送，中心站接收后，能正確拼裝成 1 幅圖片。

2）當(dāng)多個(gè)圖像監(jiān)測站同時(shí)發(fā)送圖片數(shù)據(jù)到中心站，為每 1 幅圖像接收單獨(dú)創(chuàng)建 1 個(gè)進(jìn)程，保證了每 1 幅圖片都能正確接收，不會(huì)出現(xiàn)分包數(shù)據(jù)混亂的狀況。

3）中心站圖像接收的進(jìn)程是動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的，接收任務(wù)完成后，立即銷毀，以釋放資源。

2.3 定時(shí)和遠(yuǎn)程抓拍功能

圖像監(jiān)測站的運(yùn)行體制采用自報(bào)式工作體制[2]，并增加有遠(yuǎn)程抓拍圖片功能。圖像監(jiān)測站每天定時(shí)將現(xiàn)場圖像發(fā)送到中心站，上報(bào)次數(shù)可調(diào)，可以設(shè)置為每天 1，2，3，6，8，12 或 24 次。

由于遙測終端機(jī)優(yōu)異的性能及豐富的接口，同時(shí)還可以通過以下方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抓拍圖像功能：

1）通過發(fā)短信到測站進(jìn)行圖像抓拍；

2）通過遠(yuǎn)程電話振鈴進(jìn)行圖像抓拍；

3）通過遙測終端機(jī) LCD 菜單和按鍵操作實(shí)現(xiàn)圖像抓拍；

4）通過觸發(fā)遙測終端機(jī)按鈕實(shí)現(xiàn)圖像抓拍（中斷觸發(fā)）。

3 圖像監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用與完善

3.1 系統(tǒng)應(yīng)用

2014 年 4 月，圖像監(jiān)測系統(tǒng)在安徽省山洪災(zāi)害防治非工程措施監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中投入應(yīng)用，共建設(shè)8 個(gè)圖像監(jiān)測點(diǎn)，安裝地點(diǎn)涵蓋了水庫、大壩、河流等偏遠(yuǎn)地區(qū)。現(xiàn)場攝像頭圖像分辨率設(shè)置為 1 280× 1 024，現(xiàn)場運(yùn)行的圖像監(jiān)測站每天定時(shí) 24 次上報(bào)，同時(shí)根據(jù)需要，管理員不定時(shí)抓拍現(xiàn)場圖像，從實(shí)際運(yùn)行情況看，圖像監(jiān)測站上報(bào)圖片正常，供電設(shè)計(jì)達(dá)到要求，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

由于中國移動(dòng)和中國聯(lián)通支持的 2.5 G 通信制式是相同的，因此在偏遠(yuǎn)地區(qū)選擇手機(jī)信號(hào)比較強(qiáng)、本地用戶數(shù)相對(duì)比較少的服務(wù)商，可以極大的提高整個(gè)系統(tǒng)的圖像傳輸效率。

3.2 系統(tǒng)完善

實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，有些站點(diǎn)攝像頭距離遙測終端機(jī)安裝處距離比較遠(yuǎn)，如果鋪設(shè)有線線路連接攝像頭和遙測終端機(jī)代價(jià)成本比較高，因此在原有系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上，考慮采用“無線短傳”方式實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的近距離無線傳輸，無線傳輸距離在 4 km以內(nèi)，圖像短傳結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，需要完善如下功能：

1）攝像頭安裝點(diǎn)配置 1 套安裝有無線通信電臺(tái)的遙測終端機(jī)，圖像采集功能和體制與普通圖像監(jiān)測站一樣，采集完成后，通過超短波信道發(fā)送至圖像監(jiān)測站主站。

2）圖像監(jiān)測站主站增加配置 1 臺(tái)無線通信電臺(tái)，用以接收通過超短波信道發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)，接收完成后，再通過 2.5 G/3 G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至中心站。

采用這種“無線短傳”方式，可以不受空間和地域的限制，減少布線所帶來的巨大工作量，保證傳輸?shù)姆€(wěn)定、可靠、及時(shí)。

4 結(jié)語

基于遙測終端機(jī)采集傳輸現(xiàn)場圖片，可以有效地?cái)U(kuò)展遙測系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，其在繼承遙測系統(tǒng)低功耗、穩(wěn)定可靠性高、安裝地點(diǎn)偏遠(yuǎn)等一系列優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)圖像采集傳輸獨(dú)有的特點(diǎn)，采取的一些特有的措施，特別是在基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大數(shù)據(jù)量傳輸方式上作出的實(shí)踐性探索，在目前的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)條件下，有著很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 江玉才，余陽，瞿楊繼，等.水資源智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].水利信息化，2014 (3): 55-59.

[2] 中華人民共和國水利部.SL651-2014 水文檢測數(shù)據(jù)通信規(guī)約[S].北京：中國水利水電出版社，2003: 8-11.

[3] 中華人民共和國水利部.SL61-2003 水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2003: 8-9.

[4] 熊啟龍.基于 Indy 控件的遙測中心 GPRS 數(shù)據(jù)接收軟件應(yīng)用[J].水利信息化，2012 (5): 49-52.

Design of Image Monitoring System based on Remote Terminal Unit

XIONG Qilong

(Hydrological Bureau of the Huaihe River Commission, Bengbu 233001, China)

In order to solve the problem of image monitoring in remote areas, this paper proposes a design scheme of image monitoring system based on a telemetry terminal.By designing reasonable scheme of power supply system, selecting appropriate link transmission mode based on wireless mobile communication network environment, the system can optimize efficiency of image data transmission and solve problems encountered in practical application of image monitoring system.

image monitoring system; 2.5G/3G mobile communication network; link transmission mode; multithread receive

TP873；TN929.5

A

1674-9405(2014)06-0069-04

2014-04-18

熊啟龍（1979－），男，安徽臨泉人，高級(jí)工程師，主要從事水利水文自動(dòng)化和水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)的研發(fā)、管理和應(yīng)用維護(hù)工作。