远程监控报警系统在前兆无人值守台站的应用

郭亚亚，张玉林，孙彭涛，任俊峰

(河北省地震局承德中心台，河北 承德 067000)

随着基础设施建设步伐的加快，越来越多的行业通过远程监控系统对无人值守设备进行管理。目前河北省地震前兆台网无人值守台站的管理均采用网络摄像头实时监控，但需要人为定时查看场地现状，如能实现对场地环境骤然变化时自动报警，可提高台站的维护质量和维护水平。本文对场地环境变化自动报警系统进行了初步探索，及时发现场地异常状况，以加强对场地环境安全管理。

1 设计方案

本系统设计是将网络摄像机的嵌入式操作系统用无线网络适配器通过HTTP协议用独立的IP地址把摄像头与电脑相链接，系统经过一定时间间隔(采用0.04 s为时间间隔)采集图像数据，使用PSNR算法，将采集的图像与设置的标准图片进行对比，判断图像差异，如果图像变化达到一定阈值则发出警示。

1.1 系统硬件设备

图1 系统硬件框图

本实验采用孔径为4 mm的网络摄像机一台，并通过局域网与计算机终端相连(见图1)。网络摄像机通过独立的IP地址和嵌入式操作系统实现网络监控的智能化，可以通过LAN、DSL连接或者是无线网络适配器直接连接到网络上(张莉，2012)。网络摄像机首先采集图像(这些图像可以被视为由不同波段的光组成)，然后将图像转换成光电信号，随之从模拟状态转换成数字模式，经过压缩处理后，传输到网络上(李廷军，2004)。局域网由网络硬件(包括网络服务器、网络工作站、网络打印机、网卡、网络互联设备等)和网络传输介质，以及网络软件所组成。计算机终端主要用于接收和查看图像数据。

1.2 系统架构

图2 系统架构图

系统采用MVC(即模型-视图-控制器，model-view-controller)架构，用业务逻辑、数据、界面显示分离的方法组织代码，分为控制模块、界面模块、数据获取模块、数据模型。系统中除绘图模块设计为界面模块的子模块外，其它模块均在不同的线程运行，它们之间依靠消息传递来实现通信与交换数据(熊辉,2003)，基本构成如图2。(1)视图部分(V部分)界面模块和绘图模块属于绘图部分，主要用于系统UI界面，包括实时图像、标准图像界面以及更改标准图像。(2)控制器部分(C部分)，即调度模块，负责系统运行中逻辑跳转与数据的传送。(3)模型部分(M部分)，即图像获取设置，标准图像设置，实时图像与标准图像对比，警告，系统支撑等，均由模型部分来完成的。数据模型，对各数据进行建模，实现对这类数据的存储、解析、绘制等内容。本系统图像采集时间间隔为0.04 s，与设置的标准图像进行对比，如果达到一定的阈值，即显示警告信息。

1.3 开发环境

软件开发环境如表1。

表1 软件开发环境

1.4 程序算法及主要实现代码

选取一张由网络摄像机拍摄的正常无干扰状态下的场地环境照片作为标准图像，使用PSNR算法，将网络摄像机每隔0.04 s拍摄的照片与标准图像进行对比，判断图像差异，若图像变化达到一定阈值，即视为场地环境发生变化，发出警示。PSNR是个使用“局部均值误差”来判断差异的最简单的方法，假设有这两幅图像I1和I2，它们的行列数分别是i，j，有c个通道(郑远,2014)。PSNR公式如下:

每个像素的每个通道的值占用一个字节，值域[0,255]。每个像素会有1个有效的最大值，注意当两幅图像相同时，MSE值会变成0，这样会导致PSNR的公式变得没有意义。所以需要单独处理这样的特殊情况。此外由于像素的动态范围很广，在处理时会使用对数变换来缩小范围(朱亚辉，2012)。PSNR算法简单，检查的速度也很快。本程序使用C++语言编写，变换的C++代码如下:

double getPSNR(const Mat& I1, const Mat& I2)

{

Mat s1;

absdiff(I1, I2, s1); // |I1 - I2|

s1.convertTo(s1, CV_32F); // 不能在8位矩阵上做平方运算

s1 = s1.mul(s1); // |I1 - I2|^2

Scalar s = sum(s1); // 叠加每个通道的元素

double sse = s.val[0] + s.val[1] + s.val[2]; // 叠加所有通道

if( sse <= 1e-10) // 如果值太小就直接等于0

return 0;

else

{

double mse =sse /(double)(I1.channels() * I1.total());

double psnr = 10.0*log10((255*255)/mse);

return psnr;

}

}

2 成果及应用

本系统软件安装于丰宁地震台业务值班室的一台电脑中，摄像头安装于距丰宁地震台15 km外的达二营无人值守站点，通过地震局内网连接电脑端与摄像头。监控设备直接对准仪器的指示界面，不仅能够监控到是否有人员进出仪器房，还可以对仪器面板的实时数据进行远程监控，具有易于实现、方便使用、低成本等优点。系统界面见图3，本图的背景环境为办公室。实验中，随意抓取一张监控图片作为标准图像，实时采集图像与标准图像进行对比分析，如果实时图像与标准图像差别不足以达到相应阈值，即不报警，显示为标准图像，界面正常，见图3(a)；反之，图像与标准图像之间存在超出阈值的变化，则显示警告信息图3(b)。2016年5月20日工作人员到达二营无人值守台站进行巡检，进入仪器房，导致监控系统出现“警告！！！”。许多无人值守台站都比较偏远，容易有蛇鼠等动物进入，对线路造成破坏，远程监控可以随时了解机房的监测环境。2016年7月28日，监控系统再次发出“警告！！！”，经查看是一只壁虎爬入监控范围。

图3 监控信息实时警示意图

3 结论

本文提出的远程监控报警系统不仅能够监控工作人员进出仪器房的记录，还可以随时了解机房的监测环境，保证监测环境安全，提高无人值守台站的维护效率。如将摄像头直接对准仪器的指示界面，还可以对仪器面板的实时数据进行远程监控。由于数据传输的需要，各站点都具有较好的宽带网络资源，方便远程监控系统的运行，具有易于实现、使用方便和成本低等优点。但由于程序设计简单，监控图像容易失真，如果摄像头安装在室外容易受到大风昼夜转换。蚊虫飞动等因素影响，会对报警系统产生一定影响。在未来优化发展中，无人值守台站，当系统报警时，还可以通过短信链路来实现短信通知，并对报警图像进行存盘，以备值班工作人员查看。