基于视频网络服务多通道数据采集系统的研究与设计

唐跃平，褚泽帆，符伟杰，诸 杰，尹新沆，王亮亮，孙 奕

（1. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；

2. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012；

3. 河海大学，江苏 南京 210098）

基于视频网络服务多通道数据采集系统的研究与设计

唐跃平1,2，褚泽帆1,2，符伟杰1,2，诸 杰1,2，尹新沆1,2，王亮亮1,2，孙 奕3

（1. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；

2. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012；

3. 河海大学，江苏 南京 210098）

现有水文遥测终端无法实现包括视频信号在内的多通道数据采集，传统的视频网络监控也不能很好满足水利水文行业的遥测需求，通过利用信息融合技术，提出一种基于嵌入式 ARM 系统的水利水文多通道数据采集控制方案。该多通道系统终端软件部分采用嵌入式 Linux 系统编程，硬件部分控制多通道信息的采集。实验结果表明，该系统终端采集通道具有很强可扩展性，并且实现基于嵌入式终端的视频图像、图片采集，具有很好的技术先进性和良好的应用前景。

水文仪器；视频监控；无线通信；多通道数据采集系统

随着我国自然气候环境的变化，泥石流、山体滑坡及洪涝灾害严重影响着我国的经济发展，这就对水位、流速等传统水文监测及远程视频监控提出了更高要求。根据《关于加快应急产业发展的意见》[1]，水文信息化多通道数据采集可以提高信息采集、传输的时效性和自动化水平，是水文现代化建设的基础和重要标志。为适应国家信息化建设、信息技术发展趋势、流域和区域管理的要求，大力推进水文信息化的进程，全面提高水文工作科技含量，是保障水文与国民经济发展相适应的必然选择。目前，不间断监测各种条件下的水情变化，多样化信息采集（尤其是视频信号采集）、数据通信和功耗问题成为水文信息化改革中亟需解决的难题。现有水文遥测终端设备只能单独进行水文信息采集，无法实现对多通道数据的采集，尤其无法进行视频信息的统一控制管理，遇到通信干扰情况则无法进行信息传输，会延误预警及防范的时间。

水文行业目前的视频图像、图片传输未能和其他水文要素传感器结合在一起，是通过嵌入式 ARM处理器形成具有视频网络服务特色的多通道遥测终端设备。因此，水文水利领域特别需要一款终端设备能够具有支持特定事件触发网络摄像机的视频图像、图片采集传输的功能，即在雨量、水位或其他传感器采集到的信号达到设定警戒值或者人工实时触发时，使得网络摄像机按照特定指令响应不同的动作，从而在水利水文领域实现及时、智能化遥测监控。

为此，研制一种基于多通道数据采集的水文信息智能遥测终端系统（以下简称采集终端系统），在多种无线通信模式支持下，能够兼容多种水文传感器与视频信息的采集，并利用太阳能对信息采集提供电力支持，常规无线通讯模式与卫星通讯模式协同运行，提高信息传输效率。

1 设计原则

按照全国水文科技发展规划的要求，多通道信息采集终端系统遵循以下设计原则：1）先进性。整个采集终端系统采用的设备和技术满足一定的先进性。2）实用性。采集终端系统性价比高，维护简单，功耗低，费用低。3）扩展性。采集终端系统能实现多通道数据采集，预留扩展口，以便扩展其他信息采集。4）实时性。采集终端系统图像、图片及水文数据信息通过多通道并发实时传输，安全可靠性高，适合野外无人值守特点。6）独立性。采集终端各功能通道模块之间相互独立。

2 设计构架

伴随着计算机及网络技术的飞速发展，视频编解码技术的日益成熟，计算机处理能力的快速提高及宽带的逐渐普及，基于 3G 无线网的视频遥测终端系统显得越来越重要。根据采集终端系统设计流程及原则，将视频网络服务遥测终端系统分为水文数据采集、信息数据处理、无线通信、电源控制、数据接收及 Web 展示 6 个子系统。各子系统相互协调运作，构成整个视频网络服务遥测终端产品，构架如图 1 所示。

图1 采集终端系统设计构架图

根据采集终端系统的需求与功能设计，主要进行基于视频网络服务的遥测终端设备研制，实现遥测站与控制中心的大数据量传输，实现监测数据和图像信息的 Web 远程查询功能。

1）水文数据采集子系统。不同传感器采集获得水文要素的信号方式是不同的，如 LS20B 型流速仪的信号是由磁钢和干簧管产生的，旋浆旋转 1 圈，干簧管产生 2 个接触信号，流速仪型号不同，其旋转 1 圈产生的信号数量也不同[2]；WFH-2 型浮子式水位计通过轴角编码器将水位模拟量转换为 12 路并行数字信号[3]。水文数据采集子系统主要实现视频图像、图片、流速（流量）及水位等数据的采集，根据不同水文要素传感器设计相应的接口电路函数，形成不同传感器统一管理控制，不仅降低投入经费、系统功耗及产品维护费用，还极大地节省流量开销，实现远程大数据量通信及高性能实时遥测遥控，是符合水利水文行业特色的视频网络服务遥测终端设备。

2）信息数据处理子系统。信息数据处理子系统根据不同水文传感器信号及服务器发来的指令做相应的程序响应，是整个采集终端系统的核心。

3）无线通信子系统。无线通信子系统选用联通 3G 无线通信模块，采用 32 位通信处理器及无线模块，自带 WIFI 功能，方便后期多点组网，并且支持定时上下线，降低功耗。在服务器和 3G 无线通信子系统之间搭建 VPN 通道，视频、图片、流速（流量）及水位等数据由微处理器处理控制，然后传输至服务器，服务器以 Web 形式实现远程数据查看、实时查询调度及远程数据下载等功能，同时服务器端可远程操作控制终端设备。

4）电源控制子系统。因水利水文行业特点限制，要设法降低系统运行功耗，尽量保证设备在长时间没有太阳能的情况下持续工作，电源控制子系统在微处理器控制下可单独管理各独立子系统供电。

5）数据接收子系统。自报模式下，数据接收子系统将终端设备发来的雨量、水位信息数据存储到数据库中，将图片信息存储到服务器相应文件夹中。实时查询模式下，数据接收子系统解析 Web端发来的指令，并将指令信息发送至终端设备，同时监听终端设备响应的信息，将响应信息传送至 Web 端。

6）Web 展示子系统。根据采集终端系统的设计原则与总体设计的要求，Web 展示子系统既要实现水位、雨量、视频、图片的实时采集，存储，展示等功能，又要保证系统良好的扩展性、独立性。因此，Web 展示子系统采用 MVC（Model－View－Controller）设计模式，利用业务逻辑、数据、界面显示分离的方法进行系统的设计与开发。根据 Web 展示子系统的总体架构设计，并遵循采集终端系统设计的原则和方法，Web 展示子系统采用结构化的设计方法，主要包括以下 3 个功能模块：

a. 视频在线监测模块。视频在线监测模块通过RTSP 协议进行视频数据的实时在线播放，实现视频的播放、停止、全屏等功能。

b. 水文信息监测模块。主要实现水文信息数据的实时与定时获取功能，定时获取功能主要包括日期的选择、监测站点的选择、数据的查询、数据下载、数据打印等功能，实时获取功能主要实现水文信息数据的实时获取。

c. 图像信息采集模块。主要实现图像的定时与实时获取功能，图像的定时获取功能主要包括日期的选择、图像的查询、图像的显示、图像的自动播放等功能，实时获取功能主要实现获取当前时间的实时图像。

3 视频采集设计

数据采集终端系统包括视频图像、流速（流量）数据、水位数据等采集通道及其他信息采集预留接口通道，其中视频图像、图片的采集是设计的重点。

网络摄像机由网络编码模块和模拟摄像机组合而成，采集终端系统选用的枪型网络摄像机分辨率达 140 万像素（1 280×1 024），采用 H.264 编码输出 1 280×1 024 @ 30 fps 实时图像，监控距离远，适合野外无人值守。根据水利水文行业特点，同时考虑到带宽流量，要求终端系统每间隔一定时间采集发送 1 幅图片。遇到突发事故可传输实时视频，及时了解当地现场实际情况，便于远程调度，实现防灾减灾。平常情况下根据图片观察野外现场，既降低流量开销，又减少摄像机工作时间，从而降低功耗，满足水利水文行业特点。但网络摄像机提供的设备网络 SDK 只支持 X86 构架下的 Windows 及Linux 系统平台，不支持 ARM 构架的嵌入式操作系统，因此，不能直接根据设备网络 SDK 编程实现图片的获取。由于输出的视频码流支持 RTSP（实时流媒体协议），该协议是 TCP/IP 协议体系中的一个应用层协议，定义了一对多应用程序如何有效地通过 IP 网络传送多媒体数据。FFmpeg 是一套可以用来记录、转换数字音频和视频，并能将其转化为流的开源计算机程序，包含 libavformat，libavcodec，libavutil，libswscale 及 libpostproc 音频/视频编解码库，并且支持 HTTP，RTP 及 RTSP 等协议，通过FFmpeg 对 RTSP 视频抓图，获取图片。标准协议没有平台限制，在由嵌入式 ARM 构架组成的多通道数据采集终端中，可通过 FFmpeg 得到图片，相关功能函数如下：

微处理器将获取到的图片以当前时间命名，并通过 socket 网络编程经 3G 无线模块发送出去。其中socket 套接字编程包括服务器和客户端，过程如图 2所示。

图2 网络编程

网络摄像机采集到的视频流，通过嵌入式 ARM微处理控制，经过 3G 无线通信模块传输至服务器，服务器端通过多媒体网络视频播放软件 VLC 进行播放。水文要素传感器采集来的水文信息，以及服务器发来的控制指令，经信息处理子系统应用程序综合处理，可按自报式及查询方式实现水文信息数据的上传及交互功能。应用程序设置定时自报，时间事件触发，水文数据自动上传；Web 端发送的指令，经过数据接收子系统解析处理，传输至信息数据处理子系统，应用程序根据 Web 指令信息响应对应的水文数据，呈现至 Web 端。数据上传和交互流程图分别如图 3 和 4 所示。

图3 数据上传流程图

图4 数据交互流程图

4 结语

基于视频网络服务多通道数据采集系统涉及到机械式流速仪、水位传感器、视频采集传感器等多种传感器的数据采集及处理与传输，各个传感器采集到的水文信息数据经过信息数据处理子系统统一控制处理，既可以分别独立定时或者实时采集传输，又可以设置 1 个或多个水文信息数据警戒值，当相应信息数据达到该警戒值，触发网络摄像机采集传输视频图像或者图片，抓拍特定场景及实时观看现场情况，以便管理部门及时做出相应的应急方案，最大程度地减少灾害损失。将基于视频网络服务多通道数据采集终端系统应用到山洪灾害预警系统、中小河流防治预警系统、中小型水库监测及应急监测等方面，可及时掌握监测点的水文和现场图像信息，为防灾减灾、突发事件处理等提供及时有用的技术支持。并且根据应用场景的不同，设置不同传感器的不同警戒值，可以研制一系列的具有视频网络服务功能的智能化遥测终端设备，具有很大的推广应用前景。

通过研究，研制的水情、图像、图片实时采集无线传输的多通道信息采集系统，性能满足GB/T 27994-2011《水文自动测报系统设备通用技术条件》的相关要求[4]，可通过产业化实现批量生产。

[1] 国务院办公厅. 关于加快应急产业发展的意见（国办发〔2014〕63号）[S]. 北京：国务院办公厅，2014: 1-2.

[2] 姚永熙. 水文仪器与水利水文自动化[M]. 南京：河海大学出版社，2001: 74-89.

[3] 林祚顶. 水文现代化与水文新技术[M]. 北京：中国水利水电出版社，2008: 41-46.

[4] 中华人民共和国水利部. GB/T 27994-2011 水文自动测报系统设备通用技术条件[S]. 北京：中国标准出版社，2012: 3-8.

Research and Design of Multi-channel Data Acquisition System based on Video Network Services

TANG Yueping1,2, CHU Zefan1,2, FU Weijie1,2, ZHU jie1,2, YIN Xinhang1,2,WANG Liangliang1,2, SUN Yi3

(1. Nanjing Water Conservancy and Hydrology Automation Institute Engineer, Nanjing 210012, China;
2. Hydrology and Water Resources Monitoring Engineering Technology Research Center, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China;
3. College of Computer and Information, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Existing hydrological RTU can not achieve multi-channel data acquisition including video signals. And traditional video network monitoring can not meet to telemetry demand of water conservancy hydrological industry. Through the use of information fusion technology, the article proposes the multi-channel data acquisition scheme of water conservancy and hydrological based on embedded ARM system. The software part of the system uses embedded Linux programming. And the hardware part is used to control multi-channel information collection. The experiment results show that terminal acquisition channels of the system have strong expansion and can realize collecting of video image and pictures. It has well technical advancement and good application prosect.

hydrological instruments; video surveillance; wireless communication; multi-channel data acquisition system

P335；TN91

A

1674-9405(2015)02-0045-04

2015-01-06

中央级公益性科研院所基本科研业务重点基金项目（Y913016）

唐跃平（1961－），男，江苏丹阳人，高级工程师，研究方向：信号与信息处理、水利信息化。