梁德榮

摘 要：伴隨著通信技術(shù)的發(fā)展，無線通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益成熟與可靠，“高速運動中”和“非視通條件下”實現(xiàn)高質(zhì)量實時圖像和數(shù)據(jù)傳輸已變?yōu)楝F(xiàn)實。為提高航標維護管理能力，豐富海上船舶實時動態(tài)監(jiān)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(chǔ)上，根據(jù)復雜多變的海上環(huán)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(diào)用等主要功能，并可拓展航道監(jiān)測、海況數(shù)據(jù)采集、航標燈器管理、能源管理等功能的有機融合體，實現(xiàn)一套遠程圖像監(jiān)控、遠程控制、圖像采集傳輸?shù)裙δ苡谝惑w的無線監(jiān)控指揮管理系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：浮標；圖像；無線傳輸；集成系統(tǒng)

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(jīng)濟和航運發(fā)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(yè)活動頻繁，海上浮標在提供導助航服務(wù)的同時，遭遇碰撞、損壞的風險也隨之增多。由于事發(fā)地點在海上，航標船舶難以快速到達現(xiàn)場，導致肇事船舶抱有僥幸心理，不報告、逃逸現(xiàn)象常態(tài)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(jù)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(yè)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(yè)條件，判斷是否適合作業(yè)要求，這不但提高效率和安全性，而且節(jié)約成本。

背景三：隨著“海洋強國”和“一帶一路”國家戰(zhàn)略實施，新形勢下，航海保障工作面臨新機遇，以創(chuàng)新為驅(qū)動力，突破傳統(tǒng)思維，拓展和豐富助導航服務(wù)功能，推動航海保障事業(yè)向智能化、信息化的科學技術(shù)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(jiān)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(xiàn)“所見所得”快捷、便利、高效的監(jiān)管目標。

2研究的思路

（1）引入陸上智能交通的視頻（圖像）監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計思路，在水上浮動標志上安裝固定的攝像（圖像）設(shè)備，對浮動標志周邊水上環(huán)境進行實時或定時影像（圖像）數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過內(nèi)置集成的單片微型計算機處理后，實現(xiàn)儲存和調(diào)用，并借助于移動無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)遠程調(diào)用傳輸數(shù)據(jù)，達到監(jiān)控目的。

（2）居于陸上視頻（圖像）監(jiān)控系統(tǒng)與海上浮動監(jiān)控系統(tǒng)所處外部環(huán)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(tǒng)耗電要低于普通視頻監(jiān)控；二是圖像具有一定的清晰度，采集數(shù)字圖像后能充分處理壓縮，在保證圖像質(zhì)量的前提下盡可能縮小數(shù)據(jù)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(tài)；四是遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠。

3研究系統(tǒng)原理

3.1工作原理

本系統(tǒng)采用嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)和高性能 CPU 處理器，系統(tǒng)調(diào)度效率高，代碼固化在FLASH中，系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定可靠。產(chǎn)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(yè)控制模塊，可以實現(xiàn)現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)丟包容錯技術(shù)，確保流暢的效果跟圖片清晰度。數(shù)據(jù)接口采用工業(yè)級接口設(shè)計及便捷化安裝方式，防震效果好能適應(yīng)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(tǒng)已完成設(shè)計和樣品試驗，為使得產(chǎn)品安裝牢固并確保一定高度，增大拍攝效果，產(chǎn)品設(shè)計安裝在浮標燈器、太陽能板的安裝底板，產(chǎn)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(chǎn)品采用專用方案，嵌入式結(jié)構(gòu)設(shè)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(xiàn)清晰視頻的低網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)場圖片。

（4）智能取景，根據(jù)設(shè)備搖擺狀況，自動調(diào)整拍照條件。

（5）網(wǎng)絡(luò)帶寬自適應(yīng)技術(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬自動調(diào)整圖片速率。

（6）內(nèi)置硬件狗，異常自動恢復，網(wǎng)絡(luò)中斷后可自動連接，保證系統(tǒng)運行穩(wěn)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(quán)限管理，可以劃分不同觀看權(quán)限，控制用戶對圖片資源的觀看數(shù)量。

（8）采用數(shù)據(jù)流加密技術(shù)，保證網(wǎng)絡(luò)通信安全，具有專業(yè)的SSl安全通信服務(wù)，可以定義自己的加密方法。

（9）定時和短信休眠，心跳數(shù)據(jù)鏈路多方式共存，能有效節(jié)省用戶數(shù)據(jù)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(shè)備支持GPS定位功能，定位精度在15m以內(nèi)，支持專業(yè)GIS地圖等。

（12）內(nèi)置溫濕度傳感器，支持溫濕度監(jiān)測。

（13）內(nèi)置電壓電流監(jiān)測模塊，支持電壓電流監(jiān)測功能。

（14）自動復位重連，斷點續(xù)傳。

（15）多種工業(yè)控制接口預(yù)留擴展。

（16）軟件及后臺對接可擴展性強。

4研究系統(tǒng)技術(shù)方案

本集成系統(tǒng)主要包括圖像采集、圖片編碼壓縮、GPS授時定位、3G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通道、加速度傳感器等功能模塊。

4.1圖像采集

前端設(shè)備對接4路1000線遠景USB數(shù)字攝像頭采集現(xiàn)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(xiàn)在市場熱點主要是USB接口的數(shù)字攝像頭。本方案采用高分辨率USB接口數(shù)字攝像頭，實現(xiàn)清晰的D1圖像傳輸。攝像頭參數(shù)如下：

4.2圖片編碼壓縮

JPEG為應(yīng)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(tǒng)壓縮算法無法比擬的程度。

本系統(tǒng)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(yīng)用需求；雙DDR架構(gòu)能夠提供更大的數(shù)據(jù)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(tǒng)是針對自動化系統(tǒng)中的計算機、控制裝置等進行校時的高科技產(chǎn)品，GPS授時產(chǎn)品它從GPS衛(wèi)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(tǒng)中需要時間信息的設(shè)備，這樣就可以達到整個系統(tǒng)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(jié)合GPS 數(shù)據(jù)采集到的經(jīng)緯度信息，時間信息，對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行輔助管理。

4.4網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通道

移動傳輸技術(shù)，是基于電信/聯(lián)通/移動網(wǎng)絡(luò)，可選擇合適的4G無線模塊，達到高效傳輸圖片目的。通過網(wǎng)絡(luò)模塊自動撥號活動運營商分配的IP與后臺服務(wù)器對接，建立TCP/IP通道，從而建立專有的數(shù)據(jù)傳輸通道?？筛鶕?jù)網(wǎng)絡(luò)狀況實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)狀況，實現(xiàn)斷點重聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)連接，對網(wǎng)絡(luò)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(shù)值。該數(shù)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(shè)計好的功能。本方案根據(jù)G SENSOR返回的數(shù)據(jù)判斷終端設(shè)備是否處于水平狀態(tài)，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(jù)產(chǎn)品功能定義圖像的采集需要結(jié)合GSENSOR數(shù)據(jù)，系統(tǒng)時間，進行定時或者事件觸發(fā)拍照作業(yè)，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(xiàn)寬范圍工作電壓，低功耗省電，智能調(diào)整工作任務(wù)。本設(shè)備靜態(tài)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(zhì)量。

后臺管理。后臺管理通過瀏覽器登陸后臺管理指定網(wǎng)址，實現(xiàn)可視管理。

5結(jié)論

（1）該系統(tǒng)完成后，可達到如下的設(shè)計目的：

（2）減少航標工作量，節(jié)約成本，降低作業(yè)風險。

（3）為船舶碰撞航標事故提供有力證據(jù)，解決海事調(diào)查及損失索賠問題。

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

（5）為海洋、海警和港口管理機構(gòu)提供高效的服務(wù)。

（6）推進航標數(shù)字化、智能化技術(shù)進步。