农村供水站管理中图像抓拍装置的设计与实现

屠佳佳，李 莎，宋立松，刘 锋

（1.浙江机电职业技术学院电气电子技术系，浙江 杭州 310053；2.杭州定川信息技术有限公司，浙江 杭州 310020；3.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 问题的提出

随着浙江省水利工程标准化管理工作的推进，农村供水站作为千万农民饮水工程的关键组成部分，也纳入了标准化管理体系。同时在各县市区选取试点并安装了信息化监测与管理系统，其中图像抓拍是此次农村供水站信息化建设的重要功能之一。图像抓拍功能利用遥测终端采集摄像头数据并实时上传监控中心来实现，摄像机安装于农村供水站室内正对大门处，用于抓拍进入农村供水站人员的图像[1-2]。

农村供水站标准化建设前期，在少数已经安装信息化管理系统的农村供水站中，图像抓拍主要利用移动侦测和定时抓拍2种方式来实现。其中移动侦测技术先进，抓拍灵敏度高，图像质量也较高，然而在管理人员进入农村供水站室内后，需要对供水站进行安全检查和打扫卫生，摄像头仍然会进行图像抓拍，导致每天抓拍大量图像，一方面增加用户查看有效图像数据的难度，另一方面也导致使用运营商流量增大，增加不必要的流量费用。定时抓拍方式根据预估的管理人员进入农村供水站时间设置抓拍时间，然而管理人员并非专职人员，往往不能准时到达供水站，导致经常无法抓拍到管理人员图像,抓拍效果较差。因此，提出并设计了一种基于门磁开关的农村供水站图像抓拍装置。

2 工作原理

门磁开关由磁铁和开关2部分组成，磁铁部分由对应的磁场强度的磁铁封装于塑胶或合金壳体内；开关部分由磁簧开关经引线连接，定型封装而成，磁簧开关又称干簧管，因其具有结构简单、体积小、重量轻、灵敏度高、吸合功率小等突出优点，应用范围很广，成为自动控制中的重要元件，尤其在安防报警领域广泛采用[3]。当两者分开或接近至一定距离后，会引起开关的通断。门磁开关示意见图1。

图1 门磁开关示意图

农村供水站图像抓拍系统由门磁开关、可调节安装支架、图像采集设备、摄像头等组成，图像抓拍系统基本结构见图2。

图2 图像抓拍系统基本结构图

农村供水站图像抓拍系统利用门磁开关动作触发数据采集设备，发送指令给摄像头进行图像抓拍。门磁开关通过可调节支架安装于摄像头正对的大门上，利用2根导线连接至图像采集设备。当管理人员开门进入或者关门离开农村供水站时，大门开启或关闭到一定幅度，门磁开关的磁铁部分与磁簧开关必定会在某一时刻基本处于重合状态，使得门磁开关立即动作，图像采集终端检测到电平变化后，马上向摄像头发送指令实现图像抓拍。

正常情况下，管理人员开门进入后会对供水站进行巡查和打扫，结束工作后才会关上大门，期间大门保持静止，没有电平变化不会触发图像抓拍。因此，理论上每次只会在开门和关门时各抓拍1张照片，可以有效解决移动侦测、人体感应触发造成的图像抓拍次数过多的问题，以及定时抓拍经常无法抓拍到有效图像的问题。

3 选型与设计

图像抓拍装置主要由门磁开关、可调节安装支架组成，门磁开关按照实际功能需求选型购买，可调节支架须按照农村供水站实际情况自行设计。

3.1 门磁开关选型

为了保证图像抓拍的稳定性，门磁开关的选型也很重要，考虑到农村供水站室内环境潮湿、工作状态以及抓拍灵敏度、稳定性等要求，本装置选用的门磁开关特性参数见表1。

表1 门磁开关特性参数

由于农村供水站数量多、站点分散、又地处偏远，装置的可靠性至关重要，因此在使用前须对门磁开关进行测量与测试，保证其安全可靠。常用测量测试方法如下：

（1）电路测量：对磁簧开关电路进行测量，一般测量干簧管开关吸合或断开的常用电路见图3。

图3 磁簧开关测量常用电路图

图3中，CJ为采集端，最大接触电阻Rs大约200 mΩ，Rp一般选取1 ～ 10 kΩ。根据图3有：Vcj = VpRs/(Rs + Rp)。当Rs变大时，Vcj也随之趋大：当Vcj ＜ 2.4 V(CJ采用TTL电平标准时)，或Vcj ＜ 0.7 V(CJ采用CMOS电平标准时)，则干簧管的通断会改变进入CJ的电平特性[4-5]，正常可用，反之虽然能产生通断但不能改变CJ的电平特性，则可判断干簧管其实已不可用。此方法虽然较为复杂，但效果最好。

（2）磁力参数测量：利用磁力参数测试仪测量磁力进行判断，此方法需要准备专用的测试仪。

（3）通断测量：接连好门磁开关电路后，让磁铁和磁簧开关分开或接近，直接利用万用表测量通断情况来分辨。此方法简单易用，一般情况下采用较多，但也存在缺陷。

3.2 支架设计

由于门磁开关安装孔中心距为1.50 cm左右，可调节支架选用宽度为3.00 cm，厚度为2 mm的铝制材料制作，由门梁侧固定面板、固定螺丝、固定段、调节螺丝、调节段、磁簧开关固定面板组成，侧视见图4。

图4 可调节支架侧视图

磁簧开关通过螺丝安装于右侧固定面板上，两者底部基本处于同一平面。整个支架通过螺丝固定于门梁上，使得支架垂直于门梁，门扇打开至设定角度，利用调节螺丝使调节段与门扇垂直，保持磁簧开关与门扇3 ～ 5 mm的距离，磁铁部分则在此状态时安装于磁簧开关正下方，与门扇上方基本处在同一平面。门扇旋转到设定位置时，磁铁部分和磁簧开关处于基本正对状态，产生可靠信号，确保门磁开关动作的稳定性。

由于农村供水站数量众多，门扇种类也多，可调节支架在设计过程中考虑支架的通用性和稳定性，两者与支架尺寸的相关性较大。尺寸太长会影响支架的稳定性和触发的可靠性，太短则会影响通用性。支架的尺寸取决于它的安装位置和门磁开关动作时门扇的打开角度，因此需要对安装位置和设定的门扇角度进行分析获得合适的支架尺寸。

根据上述分析以及实际安装情况画出门梁、支架、门扇组成的四边形示意见图5。其中ACB为支架，OA为门梁侧属于固定段，OB为门扇侧属于调节段，以及AC与OA垂直，BC与OB垂直。

图5 门梁、支架、门扇组成的四边形示意图

设门扇开度∠AOB为α，α≤90.00°，∠AOC为α1，∠BOC为α2，考虑到安装稳定性，一般固定段不小于调节段，即有AC≥BC，α1≥α2，根据图5可知：

即要取ACB的最小值，由式（1）～（4）可得：

所以只有当OA = OB时，ACB的值最小，此时α1 = α2，ACB = 2OA×tan(α/2) ，OABC组成的四边形以OC对称。

分别取 α 为 30.00°，45.00°，60.00°，75.00°，90.00°，门扇宽为1 m左右，故OA取10.00，20.00，30.00，40.00，50.00 cm计算支架长度，具体数据见表2。

表2 不同安装位置和门扇开度下的支架长度表cm

由于支架太短影响通用性且不方便制作，支架太长影响稳定性，一般选择30.00 ～ 60.00 cm比较合适。另外由于门扇开度太小拍不到全身，太大可能错过拍摄，一般选择45.00° ～ 75.00°比较合适。从表2可以得出，安装位置为40.00 cm，门扇开度为60°时，支架长度为46.16 cm，如果选取此长度的支架，基本可以满足门扇开度为45.00° ～75.00°的安装尺寸，此时适用范围最大，安装时最灵活，可将此长度及附近的值作为最佳选项。根据以上计算分析，以及考虑到门扇存在约5.00 cm的厚度，设计安装时，将门扇开度设置为60.00°左右，支架长度设置为50.00 cm左右，此时AC = BC = 25.00 cm，基本可以满足农村供水站图像抓拍的各项条件。如果想让支架更加稳定不下垂，在不改变支架总长的情况下可适当增加固定段长度，减小调节段长度。

4 现场测试

基于门磁开关的图像抓拍装置在设计完成后，选取余姚市1#村供水站进行现场安装试验，该水站大门向外开，抓拍装置安装在大门外侧。试验中进行了50次开门、关门实验，抓拍50组图像，每组只有2张图像，成功率100%，而且抓拍效果良好，提高有效图片概率的同时节约了流量成本。

选取其中一组图像与2#村供水站移动侦测、3#村供水站定时抓拍方式进行对比，3种方式抓拍获得的农村供水站图像见图6。门磁开关方式见图6（a），可以看到抓拍效果良好，开门时能够抓拍到管理人员全身，同时只在关门时才进行第2次抓拍，实现1次开门或关门只抓拍1次的效果；移动侦测抓拍图像见图6（b），该方式一般情况下能够抓拍到管理人员全身图像，但是一次日常巡查管理拍摄图像太多；定时抓拍图像见图6（c），该方式根据管理人员巡查时间设置抓拍时间，偶尔才能抓拍到开门图像，大部分时间只能拍到紧闭的大门，无法获取有效图像，而且抓拍图像同样过多。通过图6的对比，可知本文设计的基于门磁开关的图像抓拍装置的实际试验效果良好。

图6 农村供水站图像抓拍效果图

另外，对该装置的防振动性能进行了测试，用明显大于一般开门、关门的力量进行测试，同样测试50次，测试结束检查发现装置未出现明显移位，查看抓拍的图像效果与之前并无两样，证明该装置防振动性能良好，维护需求低，能够满足农村供水站日常管理需求。

5 结 语

随着社会经济的发展，国家对农村的各项工作越来越重视，特别是农村饮水安全建设、农村供水工程运行管理等方面投入巨大。农村供水站作为农村饮水安全建设、农村供水工程运行管理的关键组成部分，存在数量繁多、分布较散、地处偏远、现场管理人员综合素质低等特点[6-8]。结合农村地区运营商网络信号不太稳定以及流量资费高等原因，图像监控无法用实时视频的方式来实现，采用无线图像抓拍是比较好的方法。然而合适的抓拍方式是实现农村供水站监管的重要一步。本文通过计算分析设计的基于门磁开关的农村供水站图像抓拍装置结构合理、成本低廉、安装简单、运行稳定、抓拍效果良好、寿命长，维护需求低，在农村供水站的标准化建设和安全管理中具有较好的推广价值。