王向亮，丁 成

(河北省地震局承德地震監(jiān)測中心站，河北 承德 067000)

0 引言

隨著“極低頻探地(WEM)工程”項目的實施，2013年豐寧臺電磁觀測站增設極低頻GMS-07e綜合電磁法儀(以下簡稱極低頻)。觀測系統(tǒng)主要由用于數(shù)據(jù)采集的ADU-7e主機，存儲數(shù)據(jù)的DELL服務器，觀測電場南、北、東、西四個方向的電極，觀測磁場南北、東西、垂直三個方向的磁探頭及太陽能板、蓄電池組的供電系統(tǒng)組成。其中，ADU-7e主機是極低頻系統(tǒng)的核心設備。

為保證極低頻系統(tǒng)正常工作，除進行定時巡檢外，主要通過人工查看極低頻主機網(wǎng)頁來判斷主機的工作狀態(tài)，出現(xiàn)有時未及時發(fā)現(xiàn)主機異常狀態(tài)的情況。當主機死機時，一般通過現(xiàn)場斷電重啟進行恢復。位于達二營的豐寧電磁觀測站距豐寧臺車程20 min左右，主機的故障影響數(shù)據(jù)記錄，增加臺站運維成本。為保證極低頻觀測的連續(xù)率及數(shù)據(jù)質量，節(jié)約運維成本，筆者試圖研發(fā)一種極低頻ADU-07e主機遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可自動查詢極低頻主機狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)主機異常并提醒工作人員；工作人員也可應用本系統(tǒng)軟件查看儀器面板信息狀態(tài)，通過遠程通斷電控制功能，實現(xiàn)對極低頻主機的遠程斷電重啟。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)的體系結構

極低頻視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用C/S架構。其中，服務器端由樹莓派、繼電器模塊和攝像頭模塊組成，安置于豐寧臺電磁觀測站極低頻主機室內(nèi)，主要功能是響應臺站客戶端的遠程控制請求，向臺站客戶端提供極低頻主機視頻圖像信息；客戶端為臺站工作電腦上的極低頻視頻監(jiān)控軟件，主要包含極低頻主機狀態(tài)顯示異常報警、極低頻主機視頻信息顯示和極低頻主機遠程通斷電控制3個功能模塊。

當系統(tǒng)部署完成后，臺站工作人員可通過極低頻視頻監(jiān)控系統(tǒng)客戶端軟件查看極低頻主機狀態(tài)。當主機狀態(tài)異常時，該客戶端軟件可實現(xiàn)彈窗報警、聲音報警及向通訊錄內(nèi)人員發(fā)送郵件報警；通過視頻監(jiān)控功能，可查看當前極低頻主機的指示燈狀態(tài)，判斷儀器工作狀態(tài)；通過遠程通斷電控制功能，可查看當前通斷電狀態(tài)，當儀器主機狀態(tài)異常，可進行主機斷電及通電操作(相當于工作人員在現(xiàn)場直接進行斷電重啟)。極低頻視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)示意圖Fig.1 System diagram

1.2 系統(tǒng)軟件設計

極低頻遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)客戶端軟件由視頻監(jiān)視、主機狀態(tài)顯示、通斷電控制、報警功能及軟件配置5個功能模塊組成(見圖2)。

圖2 軟件功能架構Fig.2 Software functional architecture

極低頻遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)客戶端軟件業(yè)務流程如圖3所示?？蛻舳塑浖雍?，通過向主機發(fā)送查詢請求，在軟件主界面顯示當前儀器的GPS狀態(tài)、數(shù)據(jù)記錄狀態(tài)、主機時間、主機電壓值等信息。當返回的主機狀態(tài)信息中存在異常時(如，主機時間與當前時間不一致)，匯集各種異常，以彈窗、聲音、郵件等方式發(fā)布告警信息。當工作人員接收報警信息后，通過異常狀態(tài)，結合遠程視頻信息，對異常進行初步判斷。如，主機需要重啟，可通過遠程通斷電控制功能實現(xiàn)主機的遠程重啟。

圖3 客戶端軟件業(yè)務流程Fig.3 Client software business process

極低頻遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)服務器端主要基于樹莓派作為服務器接收客戶端的請求。服務器端的程序配置主要包括攝像頭模塊和繼電器控制模塊。樹莓派是由注冊于英國的慈善組織“Raspberry Pi基金會”開發(fā)的一款基于ARM的微型電腦主板，外形如信用卡片大小，使用5 V/Micro USB電源輸入。以TF卡為內(nèi)存硬盤，操作系統(tǒng)采用開源的Linux系統(tǒng)，如，Debian、ArchLinux等；也可采用Windows系統(tǒng)，如，簡化的Windows on Raspberry。樹莓派提供WiFi、藍牙、USB、RJ45以太網(wǎng)接口，可運行開源軟件，滿足網(wǎng)絡服務等基本功能。用戶可通過外置顯示器、鍵盤、鼠標進行配置操作[1]。該系統(tǒng)的樹莓派安裝的是Linux操作系統(tǒng)。

攝像頭模塊應用的是Motion軟件。Motion是Linux下一款免費且開源的攝像頭監(jiān)控程序。通過安裝配置Motion軟件，在客戶端軟件中可查看樹莓派攝像頭的視頻畫面[2]；繼電器控制模塊通過在樹莓派運行tcp服務器端python程序，接收并執(zhí)行從客戶端發(fā)來的對繼電器的各種操作指令，對繼電器的操作通過樹莓派GPIO接口實現(xiàn)。GPIO(General Purpose Input Output)是樹莓派的通用輸入、輸出接口，用戶可通過GPIO接口和硬件進行數(shù)據(jù)交互(如，UART)、控制硬件工作(如，LED、蜂鳴器等)、讀取硬件的工作狀態(tài)信號(如，中斷信號)等。GPIO接口使用廣泛，編程人員可通過在程序中控制GPIO來實現(xiàn)控制硬件。系統(tǒng)服務器端python程序中繼電器控制關鍵代碼如下：

#導入GPIO庫

import RPi.GPIO as GPIO

#設置繼電器應用的引腳號

Relay_Ch1 = 26

#設置GPIO的編號方式為BCM

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

#設置繼電器所用到的引腳為輸出模式

GPIO.setup(Relay_Ch1,GPIO.OUT)

#將繼電器引腳設置成高電位，此時，繼電器常閉端閉合，常開端打開

GPIO.output(Relay_Ch1,GPIO.HIGH)

#將繼電器引腳設置成低電位，此時繼電器常閉端打開，常開端關閉

GPIO.output(Relay_Ch1,GPIO.LOW)

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

極低頻遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)分服務器端和客戶端。其中，客戶端軟件通過模擬Http請求、AForge.NET、Socket通信等技術實現(xiàn)。服務器端由硬件部分樹莓派、繼電器模塊、攝像頭及運行于樹莓派中的繼電器控制服務器程序和Motion視頻監(jiān)視軟件組成。服務器端和客戶端通過網(wǎng)絡形成統(tǒng)一整體。

2.1 客戶端

客戶端軟件應用C#語言進行開發(fā)，儀器狀態(tài)界面包括系統(tǒng)狀態(tài)區(qū)、時鐘狀態(tài)區(qū)、存儲狀態(tài)區(qū)、總體狀態(tài)區(qū)、信息提示區(qū)及錯誤信息列表區(qū)(見圖4)。

圖4 儀器狀態(tài)界面Fig.4 Instrument status interface

監(jiān)控控制界面包含視頻監(jiān)視區(qū)、信息顯示區(qū)及重啟控制區(qū)。其中，客戶端的監(jiān)控功能主要使用AForge.NET框架實現(xiàn)。AForge.NET基于C#語言設計，在計算機視覺和人工智能方面擁有強大功能的開源框架[3](見圖5)；設置界面提供聯(lián)系人編輯功能，當出現(xiàn)異常時，軟件向聯(lián)系人列表發(fā)送郵件(見第32頁圖6)。

圖5 監(jiān)控控制界面Fig.5 Monitoring control interface

圖6 設置界面及收到的報警郵件Fig.6 Setting interface and received alarm mail

2.2 服務器端

服務器端由樹莓派、繼電器、攝像頭組成(見圖7)。樹莓派型號為樹莓派3B型，博通BCM2837B0芯片組，集成四核ARM Cortex-A53(ARMv8)64位@1.4 GHz CPU，集成博通Videocore-IV GPU，內(nèi)存為1 GB LPDDR2 SDRAM；有線網(wǎng)絡為千兆以太網(wǎng)(通過USB2.0通道，最大吞吐量300 Mbps)，無線網(wǎng)絡為2.4 GHz和5 GHz雙頻Wi-Fi，支持802.11 b/g/n/ac。攝像頭選用的是樹莓派攝像頭，具有500萬像素，感光芯片OV5647。攝像頭參數(shù)CMOS，尺寸1/4英寸，光圈(F)2.9，焦距3.51 mm，對角視場角(FOV)69.1度，傳感器像素1 080 p,該攝像頭可直接連接樹莓派進行使用；繼電器為微雪三路繼電器擴展板，采用優(yōu)質繼電器，負載達交流250 V/(5 A)，直流30 V/(5 A)。帶光耦隔離，避免高壓電路干擾。帶繼電器指示燈，方便查看繼電器的工作狀態(tài)。通過控制兩路繼電器的閉合及打開，完成主機的斷電及重啟。

圖7 樹莓派、繼電器及攝像頭Fig.7 Raspberry pi,relay and camera

服務器端的軟件使用python編寫TCP服務器程序[4]，用于接收客戶端發(fā)送的控制命令。

3 系統(tǒng)測試

為減少對極低頻主機的影響，采用一個工作電壓12 V的電燈泡進行繼電器控制測試，電路連接方式與極低頻主機電路方式一致(見第33頁圖8、圖9)。正常情況下，供電電路處于閉合狀態(tài)，燈泡亮(極低頻主機通電中)；當通過客戶端點擊“斷電”按鈕，供電線路處于打開狀態(tài)，燈泡滅(極低頻主機斷電中)。

圖8 通電界面Fig.8 Power on interface

圖9 斷電界面Fig.9 Power off interface

2018年12月7日07:25(世界時)，極低頻主機的GPS狀態(tài)出現(xiàn)異常，軟件開始報警。通過視頻監(jiān)視功能，查看到當時GPS燈處于閃爍狀態(tài)，說明GPS未能完全同步(見第33頁圖10)。

圖10 GPS異常界面Fig.10 GPS abnormality interface

4 結語

極低頻ADU-07e主機遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)可自動定時查看主機狀態(tài)，出現(xiàn)異常時進行報警；配合網(wǎng)絡攝像頭和遠程電路控制器，實現(xiàn)對極低頻主機遠程斷電重啟，實時觀察重啟后儀器面板的狀態(tài)。該系統(tǒng)有助于提高觀測資料的連續(xù)率和觀測質量，節(jié)約臺站運維成本，提高工作效率。