海洋监测浮标上的3G无线视频监控系统设计

郭发东，刘海丰，李麟，李选群，李民，刘世萱，李效东

（1.山东省海洋环境监测技术重点实验室，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266001；2.福建省大气探测技术保障中心，福建 福州 350001）

海洋监测浮标上的3G无线视频监控系统设计

郭发东1，刘海丰1，李麟2，李选群1，李民1，刘世萱1，李效东2

（1.山东省海洋环境监测技术重点实验室，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266001；2.福建省大气探测技术保障中心，福建 福州 350001）

设计了一种应用在无人值守的大型海洋资料浮标上的3G无线视频传输系统。系统采用值班电路对无线视频传输模块进行功耗控制，降低了系统的功耗。同时，对普通摄像头进行了防水工艺设计，可以有效耐受海上恶劣的使用环境。该系统已经在海上业务运行的浮标上安装应用，近两年的视频数据表明，监控效果良好，可有效地发现涉及浮标安全和海洋污染等问题。

3G无线视频系统；监控；浮标

在大型海洋浮标上安装视频传输系统可以实时观察浮标布放海域的真实场景，比如过往船只、海水污染、海上漂浮物、实时海况和浮标受到的船只碰撞或人为破坏等情况，对浮标的安全运行发挥着非常重要的作用［1］。因此，无线视频监控传输系统在大型海洋资料浮标上的应用研究，对于浮标的业务运行、故障判断以及赤潮、溢油等海洋环境灾害的观测具有重要意义。

由于海洋监测浮标在无人值守、由太阳能供电、高湿高盐以及温度跨度大等环境条件下工作，因此浮标上的供电能力有限，环境恶劣。当前工业或民用的视频监控系统大都采用220 V交流供电，不需要考虑供电能力的问题，应用场合环境相对较好，对摄像头外壳材质防水防盐雾等工艺要求也不高［2］。而在浮标上应用实时视频监控系统，亟需解决系统功耗控制及摄像头在恶劣环境下的防护问题。到目前为止，国内外的浮标受电源容量、摄像头在海上的使用寿命和数据传输带宽等因素的制约，基本没有安装视频传输系统，有的也只是安装了本地录像系统，没有实现视频或图片的实时传输。随着当前网络通信、安防和太阳能供电等技术的发展［3］，使得在大型海洋监测浮标上安装视频监控系统成为可能。

针对视频监控系统在无人值守的海洋监测浮标上应用存在的问题，本文设计了一种应用在大型海洋资料浮标上的无线视频传输系统。目前，该系统已经在我国近海的赤潮浮标上安装应用两年多，取得了较好的实际应用效果。

1 总体设计

图1 浮标无线视频监控系统示意图Fig.1 Illustration of buoy wireless videomonitoring system

无线视频监控系统由供电系统、3G无线视频传输模块、视频传输控制模块、防水摄像头、外置天线以及视频接收客户端组成［4］，系统组成示意图如图1所示。依据海洋监测浮标上的特殊使用环境，主要进行了视频系统供电的电源管理设计与摄像头的防护与水密设计。电源管理模块主要以单片机为处理平台，与高精度时钟芯片接口，按照用户设定的工作时序和模式，通过微处理器的I／O口控制电子开关的方式实现对视频系统定时加断电的自动控制。

视频监控系统由浮标上的配电箱提供一路具有过流保护功能的独立的电源进行供电。视频监控控制箱内由视频传输电源控制板实现对视频传输模块的电源控制。视频传输电源控制板可以按照用户设定好的工作模式，分别控制3G无线视频传输模块和最多四路摄像头的加断电。视频传输电源控制板为无线视频传输模块上电后便启动视频采集过程，控制各摄像头加电工作，然后将视频数据处理后通过3G无线传输模块上网将视频数据传送到指定IP或域名的安装了客户端软件的电脑上。这样就实现了对浮标周围海域的实时监控。

2 系统硬件设计

图2 视频控制模块硬件结构原理示意图Fig.2 Illustration of the hardware structure of video controlmodule

视频控制模块硬件结构见图2所示。

2.1 浮标供电系统简介

为了防止功耗较大的视频监控系统对浮标采集控制系统造成干扰，视频监控系统由浮标上的配电箱提供一路独立的开关进行单独供电。浮标供电系统采用太阳能电池板与免维护蓄电池组合方式供电［5］。

2.2 3G无线视频传输模块

本设计中的3G无线视频传输模块采用市面上成熟的3G无线视频模块。这类模块一般采用高性能的32位嵌入式处理器，内嵌完备的TCP／IP协议栈，可适应不同的行业应用需求和运营商的网络环境［6］。

2.3 视频系统电源管理模块设计

视频控制模块的主要功能是将输入的宽范围的电压（9～18 V）转换为满足视频传输模块和摄像头的工作电压（12 V），并可用于控制视频传输模块的加断电时间［7］，例如可以设置系统只在白天加电工作或者每个小时只工作几分钟的工作模式，这样既能保证图片质量，还可以节约浮标系统的耗电量。

图3 摄像头不锈钢护罩三维示意图Fig.3 3-D illustration of camera stainless steel shroud

2.4 防腐蚀水密摄像头设计

海上长期暴晒与水雾的长期腐蚀，使得摄像设备材料容易开裂或者受到化学腐蚀，影响摄像头的拍摄，所以对摄像头与防护外壳的材质要求很高，既要考虑防护壳内摄像头的紧固和密封，又要保证拍摄的清晰度。因此本系统在摄像设备外部增加一层专用316不锈钢外壳保护装置（见图3），不锈钢材料抗腐蚀与防暴晒性能良好，外壳的前端放置一层玻璃，玻璃周围不锈钢壳前端凸出一部分，玻璃内嵌在里面，内部采用“O”型圈密封［8］，周边再涂抹906密封胶。这样既考虑了密封，又保证了拍摄清晰度，两层外壳对摄像头起到了双重保护的作用。通信电缆通过由防紫外线、耐腐蚀的尼龙66材质的防水索头引出，外层各连接处再涂抹906密封胶，特别恶劣的环境下还可以在外面刷一层防锈油漆。经过改良的此摄像头装置地达到了防水、防潮、防腐蚀与防暴晒的目的，大大延长了摄像头的使用寿命。不锈钢护罩与浮标采用连杆连接，安装时可以按具体要求去自由调整摄像角度。通过实际应用证明，此设计安装使用方便，能够很好地完成系统所要求的功能。

2.5 天线

由于海洋监测浮标整体是由铁壳构成的封闭屏蔽壳体，普通室内天线放在舱内没有信号，因此天线部分的设计采用视频天线先用馈线引至浮标小平台，然后再连接外置天线的方式。外置天线采用高增益抗恶劣环境的玻璃钢全向天线。

3 视频图像接收软件设计

视频图像接收客户端软件主要功能是将视频图像数据通过可传输大数据量的3G internet网络接收到本地计算机，然后使用该软件进行画面实时监视、本地与远程录像播放、流量管理、系统管理和控制等［9］。视频传输系统通信架构图见图4，视频数据传输软件流程图见图5。

图5 视频数据传输流程图Fig.5 Flowchart of video data transmission

4 实验结果

3G无线视频监控系统已经成功安装在位于黄海海域（日照外海）的十米大型海洋监测浮标上，正常工作近两年。为节约浮标上的电能，监控系统采用每1 h工作10 min的工作模式，期间发现有不明渔船靠近浮标、浒苔路过该浮标站和大浪冲击浮标平台等的情况，截图见图6～9。

图6 可疑渔船靠近浮标截图Fig.6 Intersection figure of suspicious boats approaching a buoy

图7 大片浒苔飘过浮标截图Fig.7 Intersection figure of large enteromorpha drifting a buoy

图8 大浪冲击浮标截图Fig.8 Intersection figure of largewave hitting a buoy

图9 风平浪静的海面截图Fig.9 Intersection figure of calm sea surface

图6是2010年9月13日12：00从浮标上传回的图像，从图中可以看到，有一渔船靠近并登上浮标，并有两人登上浮标活动。图7是2011年7月12日13：00传回的图像，可以明显看到该季节海上已生长了大片浒苔。图8是2011年12月10日9：00传回的图像，图中显示了冬季来临冷空气南下时带来的大浪拍打浮标的情景。图9是2012年4月15日8：00传回的图像，该图像显示海况很好，几乎没有什么波浪，只能看到些许的波纹。

该视频监控系统安装在近海浮标上工作的两年多时间里，整套系统工作稳定可靠，按照程序设定的工作时间传回了大量图像。从浮标上传回的部分图像可以直观有效地帮助用户了解到海洋监测浮标是否有人登标、海面上的海洋生物随季节变化的情况以及在不同季节台风或冷空气影响下对海面的影响情况。同样从图中也可以看到，以目前视频监控系统的配置还存在不少问题，例如图像不能清晰地显示船只的舷号、人员的面部特征；图像受光线影响较大，传回的图片颜色有些失真，中午强光照射时由于镜面反射的原因，图像非常模糊等［10］。另外摄像机所拍摄的图片角度固定，摄像头不能旋转，不能多角度拍摄。

5 结论

本文设计的视频监控系统针对海上特殊的环境条件，重点解决了暴露在露天环境下的视频设备的防水密封、耐盐雾腐蚀以及系统低功耗的问题。视频监控系统的电源控制设计有效地降低了系统的功耗，并且可根据无人平台的电源配置情况使视频系统的功耗变得可控；摄像头的外壳再设计，可以有效耐受海上恶劣的使用环境，不会锈蚀、进水。以上两种设计成功地解决了视频监控系统在无人值守的海洋监测浮标上长期使用的技术难题，但目前视频传输的范围仅限制在3G网络覆盖的区域，有效距离局限于离岸20海里的范围内［11］。由于视频文件通常较大，数据的通信成本较高、通信时消耗的电能较多，因此，以后可通过控制视频传输模块的工作时间和降低画面分辨率以达到节约通信成本和电能的目的。今后，我们将主要研究视频图像在恶劣天气下镜头清理、改善视频图像的分辨率、减小视频图像的色差以及摄像头的多角度旋转等问题的解决方法。

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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

国家高技术研究发展计划（863计划）（2007AA092001-1）；福建省社会发展重点项目（2013Y0020）。

郭发东（1976－），男，高级工程师，研究方向为海洋仪器设备的应用。