郭發(fā)東，劉海豐，李麟，李選群，李民，劉世萱，李效東

（1.山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術重點實驗室，山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；2.福建省大氣探測技術保障中心，福建 福州 350001）

海洋監(jiān)測浮標上的3G無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計

郭發(fā)東1，劉海豐1，李麟2，李選群1，李民1，劉世萱1，李效東2

（1.山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術重點實驗室，山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；2.福建省大氣探測技術保障中心，福建 福州 350001）

設計了一種應用在無人值守的大型海洋資料浮標上的3G無線視頻傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)采用值班電路對無線視頻傳輸模塊進行功耗控制，降低了系統(tǒng)的功耗。同時，對普通攝像頭進行了防水工藝設計，可以有效耐受海上惡劣的使用環(huán)境。該系統(tǒng)已經在海上業(yè)務運行的浮標上安裝應用，近兩年的視頻數據表明，監(jiān)控效果良好，可有效地發(fā)現涉及浮標安全和海洋污染等問題。

3G無線視頻系統(tǒng)；監(jiān)控；浮標

在大型海洋浮標上安裝視頻傳輸系統(tǒng)可以實時觀察浮標布放海域的真實場景，比如過往船只、海水污染、海上漂浮物、實時海況和浮標受到的船只碰撞或人為破壞等情況，對浮標的安全運行發(fā)揮著非常重要的作用［1］。因此，無線視頻監(jiān)控傳輸系統(tǒng)在大型海洋資料浮標上的應用研究，對于浮標的業(yè)務運行、故障判斷以及赤潮、溢油等海洋環(huán)境災害的觀測具有重要意義。

由于海洋監(jiān)測浮標在無人值守、由太陽能供電、高濕高鹽以及溫度跨度大等環(huán)境條件下工作，因此浮標上的供電能力有限，環(huán)境惡劣。當前工業(yè)或民用的視頻監(jiān)控系統(tǒng)大都采用220 V交流供電，不需要考慮供電能力的問題，應用場合環(huán)境相對較好，對攝像頭外殼材質防水防鹽霧等工藝要求也不高［2］。而在浮標上應用實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)，亟需解決系統(tǒng)功耗控制及攝像頭在惡劣環(huán)境下的防護問題。到目前為止，國內外的浮標受電源容量、攝像頭在海上的使用壽命和數據傳輸帶寬等因素的制約，基本沒有安裝視頻傳輸系統(tǒng)，有的也只是安裝了本地錄像系統(tǒng)，沒有實現視頻或圖片的實時傳輸。隨著當前網絡通信、安防和太陽能供電等技術的發(fā)展［3］，使得在大型海洋監(jiān)測浮標上安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)成為可能。

針對視頻監(jiān)控系統(tǒng)在無人值守的海洋監(jiān)測浮標上應用存在的問題，本文設計了一種應用在大型海洋資料浮標上的無線視頻傳輸系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)已經在我國近海的赤潮浮標上安裝應用兩年多，取得了較好的實際應用效果。

1 總體設計

圖1 浮標無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)示意圖Fig.1 Illustration of buoy wireless videomonitoring system

無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)由供電系統(tǒng)、3G無線視頻傳輸模塊、視頻傳輸控制模塊、防水攝像頭、外置天線以及視頻接收客戶端組成［4］，系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。依據海洋監(jiān)測浮標上的特殊使用環(huán)境，主要進行了視頻系統(tǒng)供電的電源管理設計與攝像頭的防護與水密設計。電源管理模塊主要以單片機為處理平臺，與高精度時鐘芯片接口，按照用戶設定的工作時序和模式，通過微處理器的I／O口控制電子開關的方式實現對視頻系統(tǒng)定時加斷電的自動控制。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)由浮標上的配電箱提供一路具有過流保護功能的獨立的電源進行供電。視頻監(jiān)控控制箱內由視頻傳輸電源控制板實現對視頻傳輸模塊的電源控制。視頻傳輸電源控制板可以按照用戶設定好的工作模式，分別控制3G無線視頻傳輸模塊和最多四路攝像頭的加斷電。視頻傳輸電源控制板為無線視頻傳輸模塊上電后便啟動視頻采集過程，控制各攝像頭加電工作，然后將視頻數據處理后通過3G無線傳輸模塊上網將視頻數據傳送到指定IP或域名的安裝了客戶端軟件的電腦上。這樣就實現了對浮標周圍海域的實時監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設計

圖2 視頻控制模塊硬件結構原理示意圖Fig.2 Illustration of the hardware structure of video controlmodule

視頻控制模塊硬件結構見圖2所示。

2.1 浮標供電系統(tǒng)簡介

為了防止功耗較大的視頻監(jiān)控系統(tǒng)對浮標采集控制系統(tǒng)造成干擾，視頻監(jiān)控系統(tǒng)由浮標上的配電箱提供一路獨立的開關進行單獨供電。浮標供電系統(tǒng)采用太陽能電池板與免維護蓄電池組合方式供電［5］。

2.2 3G無線視頻傳輸模塊

本設計中的3G無線視頻傳輸模塊采用市面上成熟的3G無線視頻模塊。這類模塊一般采用高性能的32位嵌入式處理器，內嵌完備的TCP／IP協(xié)議棧，可適應不同的行業(yè)應用需求和運營商的網絡環(huán)境［6］。

2.3 視頻系統(tǒng)電源管理模塊設計

視頻控制模塊的主要功能是將輸入的寬范圍的電壓（9～18 V）轉換為滿足視頻傳輸模塊和攝像頭的工作電壓（12 V），并可用于控制視頻傳輸模塊的加斷電時間［7］，例如可以設置系統(tǒng)只在白天加電工作或者每個小時只工作幾分鐘的工作模式，這樣既能保證圖片質量，還可以節(jié)約浮標系統(tǒng)的耗電量。

圖3 攝像頭不銹鋼護罩三維示意圖Fig.3 3-D illustration of camera stainless steel shroud

2.4 防腐蝕水密攝像頭設計

海上長期暴曬與水霧的長期腐蝕，使得攝像設備材料容易開裂或者受到化學腐蝕，影響攝像頭的拍攝，所以對攝像頭與防護外殼的材質要求很高，既要考慮防護殼內攝像頭的緊固和密封，又要保證拍攝的清晰度。因此本系統(tǒng)在攝像設備外部增加一層專用316不銹鋼外殼保護裝置（見圖3），不銹鋼材料抗腐蝕與防暴曬性能良好，外殼的前端放置一層玻璃，玻璃周圍不銹鋼殼前端凸出一部分，玻璃內嵌在里面，內部采用“O”型圈密封［8］，周邊再涂抹906密封膠。這樣既考慮了密封，又保證了拍攝清晰度，兩層外殼對攝像頭起到了雙重保護的作用。通信電纜通過由防紫外線、耐腐蝕的尼龍66材質的防水索頭引出，外層各連接處再涂抹906密封膠，特別惡劣的環(huán)境下還可以在外面刷一層防銹油漆。經過改良的此攝像頭裝置地達到了防水、防潮、防腐蝕與防暴曬的目的，大大延長了攝像頭的使用壽命。不銹鋼護罩與浮標采用連桿連接，安裝時可以按具體要求去自由調整攝像角度。通過實際應用證明，此設計安裝使用方便，能夠很好地完成系統(tǒng)所要求的功能。

2.5 天線

由于海洋監(jiān)測浮標整體是由鐵殼構成的封閉屏蔽殼體，普通室內天線放在艙內沒有信號，因此天線部分的設計采用視頻天線先用饋線引至浮標小平臺，然后再連接外置天線的方式。外置天線采用高增益抗惡劣環(huán)境的玻璃鋼全向天線。

3 視頻圖像接收軟件設計

視頻圖像接收客戶端軟件主要功能是將視頻圖像數據通過可傳輸大數據量的3G internet網絡接收到本地計算機，然后使用該軟件進行畫面實時監(jiān)視、本地與遠程錄像播放、流量管理、系統(tǒng)管理和控制等［9］。視頻傳輸系統(tǒng)通信架構圖見圖4，視頻數據傳輸軟件流程圖見圖5。

圖5 視頻數據傳輸流程圖Fig.5 Flowchart of video data transmission

4 實驗結果

3G無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經成功安裝在位于黃海海域（日照外海）的十米大型海洋監(jiān)測浮標上，正常工作近兩年。為節(jié)約浮標上的電能，監(jiān)控系統(tǒng)采用每1 h工作10 min的工作模式，期間發(fā)現有不明漁船靠近浮標、滸苔路過該浮標站和大浪沖擊浮標平臺等的情況，截圖見圖6～9。

圖6 可疑漁船靠近浮標截圖Fig.6 Intersection figure of suspicious boats approaching a buoy

圖7 大片滸苔飄過浮標截圖Fig.7 Intersection figure of large enteromorpha drifting a buoy

圖8 大浪沖擊浮標截圖Fig.8 Intersection figure of largewave hitting a buoy

圖9 風平浪靜的海面截圖Fig.9 Intersection figure of calm sea surface

圖6是2010年9月13日12：00從浮標上傳回的圖像，從圖中可以看到，有一漁船靠近并登上浮標，并有兩人登上浮標活動。圖7是2011年7月12日13：00傳回的圖像，可以明顯看到該季節(jié)海上已生長了大片滸苔。圖8是2011年12月10日9：00傳回的圖像，圖中顯示了冬季來臨冷空氣南下時帶來的大浪拍打浮標的情景。圖9是2012年4月15日8：00傳回的圖像，該圖像顯示海況很好，幾乎沒有什么波浪，只能看到些許的波紋。

該視頻監(jiān)控系統(tǒng)安裝在近海浮標上工作的兩年多時間里，整套系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，按照程序設定的工作時間傳回了大量圖像。從浮標上傳回的部分圖像可以直觀有效地幫助用戶了解到海洋監(jiān)測浮標是否有人登標、海面上的海洋生物隨季節(jié)變化的情況以及在不同季節(jié)臺風或冷空氣影響下對海面的影響情況。同樣從圖中也可以看到，以目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)的配置還存在不少問題，例如圖像不能清晰地顯示船只的舷號、人員的面部特征；圖像受光線影響較大，傳回的圖片顏色有些失真，中午強光照射時由于鏡面反射的原因，圖像非常模糊等［10］。另外攝像機所拍攝的圖片角度固定，攝像頭不能旋轉，不能多角度拍攝。

5 結論

本文設計的視頻監(jiān)控系統(tǒng)針對海上特殊的環(huán)境條件，重點解決了暴露在露天環(huán)境下的視頻設備的防水密封、耐鹽霧腐蝕以及系統(tǒng)低功耗的問題。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的電源控制設計有效地降低了系統(tǒng)的功耗，并且可根據無人平臺的電源配置情況使視頻系統(tǒng)的功耗變得可控；攝像頭的外殼再設計，可以有效耐受海上惡劣的使用環(huán)境，不會銹蝕、進水。以上兩種設計成功地解決了視頻監(jiān)控系統(tǒng)在無人值守的海洋監(jiān)測浮標上長期使用的技術難題，但目前視頻傳輸的范圍僅限制在3G網絡覆蓋的區(qū)域，有效距離局限于離岸20海里的范圍內［11］。由于視頻文件通常較大，數據的通信成本較高、通信時消耗的電能較多，因此，以后可通過控制視頻傳輸模塊的工作時間和降低畫面分辨率以達到節(jié)約通信成本和電能的目的。今后，我們將主要研究視頻圖像在惡劣天氣下鏡頭清理、改善視頻圖像的分辨率、減小視頻圖像的色差以及攝像頭的多角度旋轉等問題的解決方法。

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Design of 3G wireless video monitoring system on ocean monitoring buoy

GUO Fa-dong1，LIU Hai-feng1，LI Lin2，LI Xuan-qun1，LI Min1，LIU Shi-xuan1，LI Xiao-dong2
（1．Shandong Provincial Key Labo ratory of Ocean Environmental Monito ring Technology，Institute of Oceanographic Instrumentation，Shandong Academy of Sciences，Qingdao 266001，China；2．Atmospheric Detection Technology Guaran tee Center of Fu jian Province，Fuzhou 350001，China）

We devise a 3G wireless video monitoring systemapp licable to large-scale unattendedocean data buoy．It emp loys a duty circuit to control power consump tion of the w ireless video transmission module，so its power consump tion is reduced．We also design waterp roof technology for an ordinary camera，which can endure harsh ocean environment．It has been installedin a business operation buoy．Recent two-year video data show that itsmonitoring effect is better，and that it can effec tively findsuch issues as buoy safety and marine pollution．

3G wireless video system；monitoring；buoy

P715

A

1002-4026（2014）05-0093-05

10.3976／j.issn.1002－4026.2014.05.017

2013-09-17

國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）（2007AA092001-1）；福建省社會發(fā)展重點項目（2013Y0020）。

郭發(fā)東（1976－），男，高級工程師，研究方向為海洋儀器設備的應用。