水文信息化智能遥测终端的研究与设计

唐跃平,符伟杰,褚泽帆,尹新沆,王亮亮

(水利部南京水利水文自动化研究所 江苏 南京 210036)

水文信息化智能遥测终端的研究与设计

唐跃平,符伟杰,褚泽帆,尹新沆,王亮亮

(水利部南京水利水文自动化研究所 江苏 南京 210036)

按照全国水文科技发展规划的要求,为了实现水利水文行业要求多通道水文传感器以及视频、图片信息采集的目的,将视频监控和无线通信网技术结合,提出一种基于嵌入式系统的水利水文通信控制方案。该系统的软件部分采用Linux系统编程,硬件部分实现信息的采集、处理以及传输。实际应用表明,该智能终端系统具有低功耗、带宽利用率高、远程大数据量通信以及高性能实时遥测遥控的特点,达到了设计的要求。

水文传感器；视频监控；无线通信；智能终端

随着水文遥测技术的发展,各种带宽数据通信技术也不断得到发展,尤其是无线宽带技术的飞速发展,无线3G、4G网络也在各领域推广应用,这些技术的发展给水文遥测大数据量传输控制带来条件。现如今水文遥测的需求不断提高,尤其是山洪灾害监测,对大数据量以及实时图像信息传输提出了更高的要求。一旦出现突发事件,不但需要掌握当前水情信息,还需及时了解当地现场实际情况,但现阶段,国内外在水情遥测方面还没有专门的基于视频网络服务的水利水文信息化智能遥测终端系统。因此,通过本项目的研究设计,可使我国的水文遥测技术处于国际领先水平。现阶段有线、无线带宽视频网络服务器主要用于视频图像的实时传输和监视,但如何将这项技术应用到水文遥测中还有很多关键技术需要研究,尤其将水情信息的采集纳入到视频图像终端中,且视频图像终端应具备低功耗、高通信率、宽工作环境、稳定性可靠以及能够实现图片控制传输的特点,必须适应各种条件下的应用。

ARM构架是一个32位精简指令集（RISC）处理器架构,具有体积小、低功耗、高性能等特点［1］。基于嵌入式ARM系统的通信控制方案,适应水利水文行业特点,能够满足项目设计需求,完全适应野外无人值守条件。

1 总体设计

本项目主要研究设计的终端设备利用现有无线视频服务器的图像采集传输技术与水文信息采集技术相结合,基于高速数字图像处理能力及相应处理软件,实现远程水文信息和图像、图片信息的实时查询功能。该设备主要包括视频信息采集子系统、水文数据采集子系统、信息数据处理子系统、无线通信子系统、电源控制子系统等,终端设备基本结构如图1所示。

2 设计思路

为了降低研发成本和周期,尽快实现系统的整体功能,采用模块化设计思想。模块是构成产品的一部分,具有独立功能和一致的几何连接接口和一致的输入、输出接口,相同种类的模块在产品族中可以重用和互换,相关模块的排列组合就可以形成最终的产品。模块化设计具有如下优势:

1）模块的组合配置,就可以创建不同需求的产品,满足客户的定制需求；

2）相似性的重用,既可以重用已有零部件和已有设计经验,也可以重用整个产品生命周期中的采购、物流、制造和服务资源；

3）减少产品工程复杂程度,因为模块是产品部分功能的封装,产品设计人员使用具体模块时根本不用关心内部实现,使研发人员更加关注顶层逻辑,提高产品工程管可靠性。

在实现系统整体功能基础上,根据系统自身的特点,包括低功耗和其他方面等要求,对各模块进行优化,除去不需要的部分,实现模块之间的整合,开发具有水文特色并且具有市场竞争力的产品。该系统在硬件方面涉及网络摄像机、水文要素传感器、ARM开发板以及3G无线传输等模块［2］,软件方面是以数据采集和Linux嵌入式操作系统为主的独立模块。

图1 终端系统总体设计图Fig.1 Structure diagram of the terminal system

3 分项设计

3.1 视频信息采集子系统

视频信息采集子系统实现H.264压缩的视频图像的实时采集［3］。网络摄像机采集到的视频码流支持RTSP（实时流媒体协议）。RTSP是TCP/IP协议体系中的一个应用层协议［4-5］,可通过ffmpeg对其帧解析,ffmpeg是一个开源免费跨平台的视频和音频流方案,属于自由软件,采用LGPL或GPL许可证（依据你选择的组件）,提供录制、转换以及流化音视频的完整解决方案,包含非常先进的音/视频编解码库libavcodec,保证高可移植性和编解码质量。

3.2 水文数据采集子系统

水文数据采集为水文要素传感器获得水文信息传输至ARM开发板,对水文信息数据的采集必须充分考虑到可能用到的各种传感器输出信号和接口形式,以预留充分的采集接口。本设备主要用到的传感器和输出信号如表1所示。

表1 传感器信号格式Tab.1 Sensor signal format

对于各种信号输出可以采用不同的方式采集:

1）脉冲信号:接至单片机外部中断I/O口,设为脉冲触发,每产生一次中断信号计数一次,存到内存中；

2）并行数字信号:数据经过74LS373锁存器接至单片机I/O口处理；

3）4～20 mA电流输出:后面接精密电阻到地,将电流信号转为大电压信号,经过滤波和AD转换,送给单片机处理；

4）RS-232信号:接至单片机串口直接采集,该单片机具有两个串口,一个已用于和mini2440通信,只能外接一路传感器；

5）RS-485信号:通过RS-485转RS-232模块送给单片机串口。

3.3 信息数据处理子系统

在系统中,信息数据处理子系统主要包括mini2440的ARM开发板、外部接口控制电路、外部存储卡控制电路及相应的控制电路等组成。硬件方面根据网络摄像机的数据处理流程以及嵌入式系统设计方法学的原则,分析各信号流程和速率,完成PCB设计,最终完成硬件系统设计,软件方面主要用于图像、图片以及水文信息的获取转发处理,并且控制各电源模块,实现低功耗的设计。

1）视频图像信号的采集与处理

网络摄像机用RJ45网线连接至信息数据处理子系统, ARM开发板基于RTSP对网络摄像机传输过来的视频码流取帧,获得一副jpeg格式图片,根据socket套接字编程,将图片经过3G模块传输至中心站。经交叉编译ffmpeg库函数,经取帧函数指令得到的图片分辨率为1 280×1 024,并且根据水文行业规范调用shell脚本以年月日时分秒命名,此shell脚本指令为cp filename.jpeg`date+﹪Y﹪m﹪d﹪H﹪M﹪S`.jpeg。实验结果由图2可见,图片清晰度很高,所识别距离远,满足水利水文行业需求特点。

图2 图像采集实验测试Fig.2 Test of the image acquisition experimental

2）水文要素传感器信号的采集与处理

雨量计输出脉冲信号,ARM开发板在一定时间内 （一个小时）获取此脉冲累加和,将结果通过串口传输至3G模块, 3G无线模块根据TCP/IP协议发送给中心站。数据接收实验可通过串口终端验证,实验结果如图3所示。

图3 雨量计串口接收实验测试Fig.3 Serial port receive test of rain gauge

3.4 无线通信子系统

无线通信子系统为3G无线通信模块,实现监测数据和视频图像信息的实时传输和查询。在中心站和3G模块之间搭建VPN通道,视频图像由ARM开发板控制,经开发板以太网口连接3G模块,将视频图像、图片以及水位信息转发至中心站。

3.5 电源控制子系统

因水利水文行业限制,终端设备工作于偏远地区,不能实现电网供电,采用太阳能蓄电池作为电源就必须考虑到系统的功耗问题,尽量保证设备在长时间没有太阳能的情况下持续工作。电源子系统实现各部分供电控制,为了降低功耗,便于直流供电的要求,需要对各部分电路的供电进行单独控制。不需要采集视频信号时网络摄像机处于关机状态,ARM处理器以及3G无线通信模块处于休眠状态,只有水文数据采集子系统处于正常工作状态,当满足触发条件或远程短信及拨号唤醒时,视频采集部分上电工作,ARM处理器以及3G无线通信模块正常工作。

电源系统应尽量减少不同电压输入数量,并做好模拟电源和数字电源的隔离,防止高频数字信号影响电源的稳定性。系统采用12 V太阳能蓄电池作为电源（由太阳能板将太阳能转换成电能储存）,直接给网络摄像机供电,并通过降压芯片分别转换成5 V和4 V,用于给ARM开发板和3G通信模块供电。

4 实验应用

该智能遥测终端系统应用于水文信息化行业,雨量计、水位计等水文要素传感器和网络摄像机构成信息采集系统。其中,将网络摄像机采集到的图片数据传输至ARM开发板,开发板通过ffmpeg依据视频码流中的RTSP取帧抓图,获得分辨率1 280*1 024的图片,平常每间隔一段时间发送一幅图片,这就极大的控制了3G传输过程中的流量,具有水文行业应用特色。如遇重大灾情,又可调看实时视频,及时获取现场状况,其处理具有实时可操作性。将水文要素传感器采集到的水文信息同样间隔一段时间经3G无线模块传输至中心站,既降低功耗,又能了解现场状况,适合水文行业的应用。

5 结论

通过本项目研究,研制一种可应用紧急情况下使用的无线水情、图像、图片实时采集传输的水利信息化智能遥测设备,其性能满足《GB/T27994-2011水文自动测报系统设备通用技术条件》的相关要求［6］,并通过产业化可实现批量生产。

［1］邱铁.ARM嵌入式系统结构与编程［M］.北京:清华大学出版社,2013.

［2］雷玉堂.安防&智能化:视频监控系统智能化实现方案［M］.北京:电子工业出版社,2013.

［3］滕国伟.H.264/AVC实时编码系统及其相关算法的研究［M］.上海:上海大学出版社,2009.

［4］李峰,陈向益.TCP/IP协议分析与应用编程［M］.北京:人民邮电出版社,2008.

［5］杨延双,张建标,王全民,等.TCP/IP协议分析及应用［M］.北京:机械工业出版社,2007.

［6］GB/T27994-2011,水文自动测报系统设备通用技术条件［S］.2001.

Research and design of hydrological information intelligent telemetry terminal

TANG Yue-ping，FU Wei-jie，CHU Ze-fan，YIN Xin-hang，WANG Liang-liang
（Nanjing Water Conservancy and Hydrology Automation Institute,Nanjing 210036，China）

In accordance with the requirements of the National Hydrology Science and Technology Development Plan，Hydrology Water Conservancy communication control program based on embedded system is proposed combining video surveillance with wireless communication network technology in order to achieve the purpose of Multi-channel hydrological sensor information collection as well as the video and image information acquisition that the Hydrology Water Conservancy Industry requires.The software part of the system uses Linux programming，and the hardware part is used to realize information collection，processing and transmission.The actual application showed that the intelligent terminal system meets the design requirements with the characteristics of low power consumption，high bandwidth utilization，large Amount of remote data communication and high-performance real-time telemetry and remote control.

hydrological sensor；video surveillance；wireless communication；intelligent terminal system

TN99

：A

：1674-6236（2015）18-0009-03

2014-11-25稿件编号：201411218

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,高工。研究方向:信号与信息处理、水利信息化。