一种远程光纤供能的视频监控系统构建

庞晓玲，冯帅，闫午阳，王瑾，刘志忠，曹珊珊，蒋新力

（1.南京邮电大学光电工程学院，江苏 南京 210046; 2.中天科技光纤有限公司，江苏 南通 226009；3.江苏中天科技股份有限公司，江苏 如东 226463）

一种远程光纤供能的视频监控系统构建

庞晓玲1，冯帅1，闫午阳1，王瑾1，刘志忠2，曹珊珊2，蒋新力3

（1.南京邮电大学光电工程学院，江苏 南京 210046; 2.中天科技光纤有限公司，江苏 南通 226009；3.江苏中天科技股份有限公司，江苏 如东 226463）

本文提出并实现了一套远程光纤供能的视频监控系统。这套系统包括远端单元﹑基站单元和上位机软件。远端单元以OV2640 CMOS为图像传感器﹑STM32为主控芯片采集数据，同时远端集成有光伏电池，将基站提供的光能经光电转换后给后级供电。基站单元采用输出激光束波长为810nm的高功率激光器提供能量，并将接收到的数据通过FT232RL接口转换芯片发送到PC端。基站和远端之间通过两根光纤连接，一根是传输波长为1310nm的单模光纤，用来传输视频数据，另一根是传输波长为810nm的多模光纤，用来传输能量。上位机软件选用可以进行实时图像信号接收的串口调试助手。

光纤供能；视频监控；激光器；光伏电池

0 引言

由于光纤通信技术的发展，激光供能系统在电力特别是光电式电流互感器中得到越来越广泛的应用[1]。随着激光能量的不断提高，光纤传输激光能量并通过光电转化供应直流电，到达特定难以铺设电力线的场所，是一种应用前景广阔的技术。传统上使用电缆进行供能和通信，但在如矿井﹑森林等特殊场合，电力系统易受停电﹑雷击等突发灾害影响[2]，同时也增加了发生安全事故的危险，在上述场合中，一种新型的光纤传能视频监控系统，因为不产生任何火花，所以具有甚高的实用性[3]。

光纤供能的概念最早在1978年由贝尔实验室Miller等人提出，他们建立了第一套光纤传能系统[4]。至20世纪80年代末，一套基于光纤传能的波分复用单向光互联系统[5]已实现，然而该系统有效的电能相对较低，仅可用于低功耗器件。德国卡尔斯鲁厄大学已实现一套100Mbps﹑30万像素的远程光纤供能视频传感系统，使用62.5微米的多模玻璃光纤传输，有效功率达到了2W。

综上所述，光纤传能技术近几年来已经有了较为深入的研究和应用，目前的研究重点是：使光电传输系统的功耗达到最小。一方面，要降低光电传输系统本身消耗的功耗。另一方面，要降低用于信号处理的电子器件功耗。基于此，本文选用发射波长为810 nm的高功率激光器供能，同时设计了基于单片机的视频图像采集模块，以STM32芯片为核心，以OV2640为视频传感器，并将接收到的信号上传至上位机并显示。最终构建出了一套低功耗的基于远程光纤传能的视频监控系统。

1 视频监控系统设计

本文提出并实现了一套远程光纤供能的视频监控系统，工作实物图如图1所示。

图1 系统工作实物图Fig.1 Real figure of the video surveillance system

该系统主要由三部分组成：远端单元﹑基站单元和上位机软件。本系统的系统框图如图2所示。远端单元主控芯片STM32控制CMOS传感器OV2640采集图像，压缩编码后图像格式为JPEG，输出图片大小为320*240，通信协议采用SCCB[6-7]。远端单元消耗的所有能量是通过高功率激光器提供的，选用波长为810nm的激光器供应能量。远端单元和基站单元通过单模数据光纤连接，摄像头采集到的数据以光信号传至基站。基站收到的光信号经光电转换模块转化为电信号，并通过串口转USB线发送至上位机。上位机的串口调试助手将视频通过图像界面显示。

图2 远程光纤供能视频监控系统框图Fig.2 Diagram of the video surveillance system powered by distance fiber

图3 主函数流程图Fig.3 Flowchart of the main function

1.1 远端单元电路

远端单元主要包含STM32主控芯片﹑CMOS图像传感器和光发送模块，利用STM32F103单片机控制OV2640 CMOS传感器采集数据，OV2640可以直接输出压缩的JPEG格式图像，大大降低了传送图像文件的大小。主函数流程图如图3，STM32串口有三种工作模式，在本系统中，选用灵活﹑高效的中断方式。远端单元原理图如图4所示，STM32通过串口3（UART3-TX和UART3-RX，分别对应图4中P5的18和17管脚）控制摄像头，通信协议采用SCCB（Serial Camera Control Bus），采用两线工作方式，依靠SID_C（时钟线）和SID_D（数据线）电平状态实现。程序下载端口为JTMS﹑JTDI和JTCK。PC0-7为摄像头数据输出控制口，输出八位数据。PB8和PB15用于控制SYNC和PCLK，数据在采集一帧图片信号完毕时传出。STM32的TX﹑RX端口分别连接光发送模块的RX﹑TX端口，光发送模块（同光接收模块）原理图如图5。

图4 远端单元原理图Fig.4 Schematic diagram of the remote unit

图5 光收发模块原理图Fig.5 Schematic diagram of the optical transceiver module

1.2 基站单元电路

基站单元的主要功能有两点：(1)将光信号转化为电信号；(2)将光电转化后的串行UART接口信号转化为USB接口信号，并传输至上位机。基站与远端之间的数据传输选用传输波长为1310 nm的单模光纤。本文中基站单元使用FT232RL接口转换芯片，可以实现串行UART接口到USB的转换。最后信号从Mini USB 2.0端口输出至PC机，由上位机接收并显示视频数据。基站原理图如图6。

1.3 上位机软件介绍

为了使光纤传输过来的图像数据可以显示在PC端，本系统使用了可以进行实时图像信号接收的串口调试助手作为上位机软件。

上位机软件是硬件与PC端信息交流的界面化显示方式，常用的上位机软件通常具有串口调试功能，如更改数据传输串口号﹑传输波特率﹑数据位﹑停止位﹑传输帧率﹑传输格式等等。本系统所采用的上位机功能属于图像传输调试，其工作流程如图7。

本系统所用的上位机软件主要由三个部分构成[8]：图像数据的接收﹑图像数据的显示﹑图像数据的刷新。

图像数据的接收部分使用MSCOMM控件实现，该控件是MFC中常用的串口数据接收工具，可以很方便的设置接收数据的串口端号﹑波特率等参数。由于下位机传输过来的图像是JPEG格式的压缩数据，所以在接收部分要进行图像数据识别，一个完整的JPEG图像数据结构由0XFF﹑0XD9表示图像头，由0XFF﹑0XD8表示图像尾，所以上位机图像接收部分要先进行图像头和图像尾的识别，然后获取一帧完整的图像数据才进行显示。在图像进行显示的过程中下位机也在不断地传送新的数据到上位机，所以还需要进行数据的缓存。

图像数据的显示部分使用PICTURE控件实现，该控件用于显示位图。当上位机软件图像数据接收部分接收到一帧完整的图像信息之后，就要将图像数据由缓存中取出并绘制在图像控件上进行显示，由于图像数据使用JPEG格式接收，所以位图绘制部分需要进行JPEG格式的解压缩编码操作。

图像数据的刷新部分则是通过不断读取新接收到的数据来覆盖旧的数据实现。当一个图像帧进行完整的获取之后就要读取下一个完整的图像帧，从而刷新缓存部分来进行图像显示区域的重绘，最后实现图像显示的刷新。

上位机软件实现实时视频数据显示的工作窗口如图8。

图6 基站原理图Fig.6 Schematic diagram of the base station

图7 上位机工作流程图Fig.7 Flowchart of the upper computer software

图8 上位机软件工作窗口Fig.8 Run window of the upper computer software

2 光纤供能技术及其在本系统中的应用

光纤供能技术就是通过光纤给远端设备提供能量。由于传输媒介是光纤，系统具有抗电磁干扰﹑耐腐蚀﹑体积小﹑不受高频信号影响﹑不产生任何电火花等电缆不具备的特点，因此适合于电荷敏感的特殊场合。

本系统的光纤供能单元包含激光器﹑传能光纤﹑光伏电池三部分。相比气体激光器﹑固体激光器﹑液体激光器而言，半导体激光器具有高光电转换效率﹑超小型﹑高速工作的优点，并且可以满足光伏电池吸收峰800nm左右的激光，因此本系统选用波长为810nm的半导体激光器作为高功率光源。传能光纤为810nm的多模光纤，芯径为105um，数值孔径为0.22。在远端，光伏电池是把光能转化为电能的装置[9]。本系统选用多节GaAs光伏电池，同时集成了超级电容储存能量。

3 实验数据分析

3.1 系统功耗测试

系统功耗分两部分，一部分是摄像头数据采集，另一部分是数据传输。图9是系统功耗分布图，测试时间共6分钟，每100ms记录一次数据，共得到3600个数据点，用散点图表示。测试可得系统最小功耗为256mW，最大功耗为336mW，分布点最多的功耗是292mW和322mW，对应信息采集和数据传输两个工作状态。

图9 系统功耗分布图Fig.9 Distribution of system power consumption

3.2 传能光纤损耗测试

在光纤供能系统中，考虑到光纤在传能过程中会产生一定损耗，我们对传能光纤的损耗进行了测试。测试六个数据点，具体数据如图10。线性拟合得到光纤的损耗约为3dB/km，符合实际。

3.3 数据信号波形

本文用示波器分别测试远端单元发送数据和基站单元接收到数据的实测图，得到波形如图11。经过对比可得发送和接收的数据波形除了略有延时外完全相同，可验证本系统数据具有传输的可靠性。

图10 系统功耗分布图Fig.10 Distribution of system power consumption

图11 数据波形实测图Fig.11 Test pattern of the data waveform

4 总结

本文主要研究在难以铺设电力线的场合采用光纤传能的方式远程提供能量，并且通过开发低功耗的视频信号处理单元，构建出了一套远程光纤供能的视频监控系统。此系统以一种优良的工作模式工作，具有高系统运行能力及持久性。

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[2] 袁季修.保护用电流互感器应用指南[M].北京:中国电力出版社, 2003.J X Yuan.Protective current transformer application guide [M].Beijing:China electric power press, 2003.

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A Video Surveillance System Powered by Distance Fiber

PANG XiaoLing1, FENG Shuai1, YAN Wuyang1, WANG Jin1, LIU Zhizhong2, CAO Shanshan2, JIANG Xinli3
(1.School of Optoelectronic Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing, China, 210046; 2.Zhongtian Technology Fiber Optic Co., Ltd., Nantong 226009, China; 3.Zhongtian Technology Co., Ltd., Rudong 226463, China)

This paper proposes and implements a video surveillance system powered by distance fiber.This system includes the remote unit, the base station unit, and the upper computer software.The remote unit is mainly combined with an imaging sensor OV2640 CMOS and a control chip STM32.Also, it integrates photovoltaic cell to supply power to other circuits after photovoltaic conversion.The base station unit is used to supply power by a high-power laser in the base station unit transmitting a laser beam wavelength of 810 nm, and to send data to PC ports through interface convention chip FT232RL.The base station unit and the remote unit are connected with two fibers.One is a single mode fiber with 1310 nm transmission wavelength to transmit video data.Another one is a multimode fiber with 810 nm transmission wavelength to transmit energy.A serial debugging assistant is functioned as the upper computer software for real-time data accepting.

powered by fiber; video surveillance; laser device; photovoltaic cell

庞晓玲，冯帅，闫午阳，等．一种远程光纤供能的视频监控系统构建[J]．新型工业化，2015，5(5)：49-54

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.05.07

:PANG XiaoLing, FENG Shuai, YAN Wuyang, et al.A Video Surveillance System Powered by Distance Fiber [J].The Journal of New Industrialization, 2015, 5(5)∶ 49‒54.

南京邮电大学学生创新创业训练计划项目（SYB2014004）;江苏省产学研前瞻性联合研究项目（BY2014013）

庞晓玲（1994-），本科，主要研究方向：光电信息处理；王瑾（1973-），男，教授，博士，主要研究方向：光纤通信与光纤传感，光伏器件及系统