微功耗高清信息采集系统在ITS中的应用

摘要：微功耗高清信息采集系统在ITS（智能交通系统）中有着广阔的应用前景。首先描述了微功耗高清信息采集系统的使用场景，其次对系统的组成、技术特点、性能优势进行了阐述，随后对微功耗高清信息采集系统的应用情况进行发举例分析，最后对微功耗智能电池监测技术进行了研究。

关键词：微功耗高清信息采集系统;电池监测;ITS（智能交通系统）

中图分类号：U491.5;TP391.41  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）03-0048-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.03.014

0    引言

传统的视频监测监控系统，都集中在城镇以及其他方便取电和网络传输的区域，已经初步形成数据存储、数据分析和数据挖掘的运算体系，为城市交通、居民消费、市政设施和城市管理等做出了积极的贡献。但是，这些数据采集仅限于城镇，城镇以外广阔区域内的数据匮乏，使人工智能和大数据服务无用武之地。本文介绍的微功耗高清信息采集系统让数据采集不再受环境限制，能够更主动、更广泛、更深入地获取丰富的数据。

1    微功耗高清信息采集系统整体结构

如图1所示，微功耗高清信息采集系统整体结构主要包括三部分：前端监控设备、传输网络和中心平台。其中，前端监控设备主要由微功耗云台高清摄像机、小功率（60 W）太阳能电池板和一体化控制主机组成;传输网络主要设计采用运营商的4G或5G通信网络，实时将视频信号传输到管理中心;中心平台主要由视频分析、识别、管理软件及配套的服务器和存储硬件组成。

2    微功耗高清信息采集系统前端

如图2所示，微功耗高清信息采集系统前端主要由微功耗云台高清摄像机、小功率（60 W）太阳能电池板和一体化控制主机组成。

其中，微功耗云台高清摄像机主要负责采集现场视频信息，其功能组件如图3所示。

微功耗高清IPC部分采用200万/300万像素CMOS图像传感器;匹配20/30倍光学变倍的自动和手动对焦镜头，快门速度为1/30 000～1/3 s;用于实现彩色图像采集环境下≤0.05 Lux@F1.6低照度性能并支持日夜转换功能。微功耗全方位智能云台采用PELCO-P/D协议3D智能云台解码器，预置位为255，支持巡视轨迹、花样扫描、水平扫描、自动扫描等。视频压缩标准为H.264/H.265/M-JPEG，最大分辨率为1 920×1 080@H.264/M-JPEG，图像最大帧率为25 fps（PAL）、30 fps（NTSC），固定码率为256 kb/s～4 Mb/s或可变码率，码流种类为主码流、副码流和第三码流。通信接口为10/100M Base-T自适应以太网接口，支持组播（多播）功能，平台协议为ONvif/GB 28181—2011/2016。由于微功耗高清IPC部分采用微功耗技术，该部分平均功率不大于2 W，只有一般高清IPC的1/10，配合智能主控一体机，即使是在无任何供电电源的场合也能实现视频输出15天。

智能主控一体机按功能可划分为蓄能控制模块、充放电管理模块和传输模块三部分，如图4所示。其中，蓄能控制模块以工业锂电池组为主，容量36～72 Ah可选配，采用合理严谨的布局和完善的多重保护功能，保证蓄能控制模块的各个组成部分在恶劣条件下仍具有良好的工作状态，在太阳能电池板供电的条件下，该系统能够全年不间断工作。充放电管理模块能够高效地将太阳能板的电能转化到蓄能电池组中，具备多重充放电保护，包括过充、过放、短路、超载和超温等保护，保证了蓄能模块的长寿命以及蓄能控制模块的经久耐用，并能高效地为各个部件分配电能，提供稳定可靠的内部供电环境;同时，该组件具有一键电量、电压显示和一键安全放电功能，方便在安装和维护过程中保障蓄能模块的安全。传输模块主要采用4G或5G模组实现高清摄像机视频信息的数据传送，也可以根据用户的需要采用光纤或数字微波方式。这三部分模块有机地集成在一个整体单元中，形成高度集成的集蓄能、控制和传输于一体的智能化控制设备。

该组件在设计上采用MPPT智能高效充放电控制技术，阴雨天也可以充电;采用TI专用充放电管理芯片，将充电、放电和使用过程中的电量转换效率提高到95%，再小的电量都能够存储和供应。同时，采用BMS框架标准，结合光伏供电的特点，应用自主研发的智能均衡技术，延长模块的寿命，提高其环境适应能力。另外，使用新能源动力的电量回收技术，将云台运行中极小的反向能量转化回收存储，提高微功耗设备的续航能力。在工业化生产方面，采用绝热效果最好的气凝胶保温层，对电池组的6个面进行无缝保护，同时采用动态恒温的控制方式，让每个锂电池的温度都保证均衡，处于完全的充放电环境中，有利于延长模块的使用寿命;并采用一体化防撞防冲击内架，能够保证蓄能模块在冲击和碰撞的条件下不发生意外，配合主控一体机上的“安全放电”按钮，保证了存储、运输和使用过程中不会对蓄能模块有影响。

3    传输网络

传输网络主要设计采用运营商的4G或5G通信网络，实时将视频信号传输到管理中心，并接收管理中心下发的调焦、转向、雨刮运行等控制命令。在有特定需求的情况下，也可采用光纤或数字微波传输的方式。

4    中心平台

中心平台主要由视频分析、识别、管理软件及配套的服务器和存储硬件组成。其主要作用是对前端传送过来的车辆运行视频数据进行行为分析与识别，准确判断在定向车道管理区域内行驶的车辆是否存在违法行为，若发现相关违法车辆，则对车辆相关信息（如车牌号码、号牌颜色、车辆类型、车身颜色、车辆品牌等）进行提取，并上传给交通管理的执法平台。同时，中心平台还具备对设备的管理和控制功能，能实现设备的登记、操控、监测、删除等的应用。图5为使用微功耗高清信息采集系统采集的违章车辆合成信息。

5    智能电池监测技术

电池动态应力测试如图6所示。根据图6（a）可知，当电池容量低于80%时，电池不可用;当每次放电深度为10%时，电池的循环寿命高于9 000次;当每次放电深度达25%时，电池的循环寿命低于3 500次。因此，每次放电深度越低，电池循环寿命就越长。

结合光伏供电的特点，该系统前端采用智能电池监测技术（监控器），监控器有助于监测计准确测量各种化合物（如锂离子、磷酸铁锂和镍氢）的荷电状态和健康状态，在每个单独的电池上实现时间同步测量，可实时提供电池电压、温度和电流的精确读数，精确的监控可提高电源使用效率，从而延长运行时间并减小电池尺寸和降低电池成本。系统还集成了噪声滤除功能，无须外部噪声滤除即可提高测量完整性和精度，改善通道间测量同步并缩短所有测量值返回主机的时间，具有集成式可编程保护功能的监控器可全面控制电压、电流和温度，自动触发保险丝和板载诊断功能，从而实现出色的系统性能，延长模块寿命，提高其环境适应能力。

该系统前端设计的蓄能模块每天放电深度<6.6%，比10%放电深度线更为平坦，如图6（b）所示，根据积累的数据和趋势推测，循环放电9 000次以后的容量仍然大于90%，按每天一次6.6%的放电深度来推算，9 000次循环寿命，合计约24年，还能保持90%的容量。

6    结语

本文所述微功耗高清信息采集系统在ITS中有着广阔的应用前景，本系统与市场现有的监控设备相比，减少了实施中的很多环节，例如无须敷设专用管道，无须专用市电接入等，无须光纤通信接入等，设备安装极其简化，设备的维护、拆卸和位移都非常便捷，同时先进的微功耗及蓄能控制技术还能保证系统长期稳定的不间断工作。

收稿日期：2021-11-04

作者簡介：成晟（1979—），男，江苏南京人，高级工程师，研究方向：嵌入式开发、智能交通信息化。