基于低功耗圖像采集的藍(lán)藻在線監(jiān)測(cè)裝置

胡明東 ，黃 磊 ，陳向飛 ，王 磊

（1.南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 210003；2.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210003）

隨著工業(yè)化進(jìn)程的進(jìn)一步加大以及人們環(huán)保意識(shí)的淡薄，世界各地的內(nèi)陸水庫(kù)、湖泊都相繼出現(xiàn)了藍(lán)藻大規(guī)模暴發(fā)的事件。據(jù)文獻(xiàn)記載，世界上最大規(guī)模的藍(lán)綠藻水體暴發(fā)于1991年發(fā)生在澳大利亞達(dá)令河系，綿延1 000 km以上，花費(fèi)了上億美元的治理，收效甚微。太湖藍(lán)藻暴發(fā)，在歷史上已有多次，但2007年5月底太湖無(wú)錫流域突然大面積藍(lán)藻暴發(fā)，供給全市市民的飲水源也迅速被藍(lán)藻污染，現(xiàn)場(chǎng)雖然進(jìn)行了打撈，無(wú)奈藍(lán)藻暴發(fā)太嚴(yán)重而無(wú)法控制，遭到藍(lán)藻污染的、散發(fā)濃濃腥臭味的水進(jìn)入了自來(lái)水廠，然后通過(guò)管道流進(jìn)了千家萬(wàn)戶，其造成的社會(huì)影響是全國(guó)歷年所有湖泊藍(lán)藻事件所無(wú)法比擬的。因此，對(duì)藍(lán)藻生長(zhǎng)程度進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有深遠(yuǎn)意義。

1 常見(jiàn)藍(lán)藻監(jiān)測(cè)技術(shù)及其缺陷

為把握水質(zhì)狀況，我國(guó)每年都要在太湖實(shí)地檢測(cè)水質(zhì)，這種人工采樣、過(guò)濾、萃取的監(jiān)測(cè)方法對(duì)于大區(qū)域的水環(huán)境監(jiān)測(cè)而言極費(fèi)人力、物力和時(shí)間，也不可能對(duì)全湖水質(zhì)分布作全面的調(diào)查。目前應(yīng)用較多的是采用衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行藍(lán)藻監(jiān)測(cè)，該方法監(jiān)測(cè)范圍廣、速度快、成本低，且便于長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，因此在各氣象局得到了較為廣泛的應(yīng)用。然而采用衛(wèi)星監(jiān)測(cè)藍(lán)藻也有一定的局限性，只能拍攝大體的藍(lán)藻分布圖，無(wú)法得到清晰的藍(lán)藻實(shí)況圖，衛(wèi)星每隔8 d才繞過(guò)太湖區(qū)一次，而且在陰天的時(shí)候，衛(wèi)星可能什么圖像都拍不到。太湖流域管理局還結(jié)合人工巡查拍攝圖片和手機(jī)彩信的方式實(shí)現(xiàn)了一定的太湖藍(lán)藻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但這種方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

本系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)拍攝圖像并通過(guò)CDMA或GPRS信道遠(yuǎn)程傳輸?shù)街行恼镜姆绞綄?duì)藍(lán)藻進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，具有直觀有效的特點(diǎn)。

2 基于低功耗圖像采集的藍(lán)藻在線監(jiān)測(cè)裝置

在線監(jiān)測(cè)裝置集成方式如圖1所示。監(jiān)測(cè)裝置采用南京南瑞集團(tuán)公司的ACS300-MM數(shù)據(jù)采集器作為核心低功耗采集控制器，ACS300-MM控制圖像編碼器將攝像機(jī)輸出的視頻信息壓縮處理為JPEG格式的文件，將采集的圖像文件轉(zhuǎn)存在內(nèi)部FLASH中，并根據(jù)需要通過(guò)GPRS或CDMA信道將JPEG文件傳送到遠(yuǎn)程中心站。

該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：

1）系統(tǒng)采用太陽(yáng)能/交流電+蓄電池浮充供電工作方式。采用24 Ah蓄電池時(shí)，系統(tǒng)可保證30 d無(wú)日照或交流停電時(shí)穩(wěn)定可靠工作。

2）支持定時(shí)抓拍、遠(yuǎn)程抓拍等多種取圖方式。

3）象素可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求提供30，100，200W等各種清晰度級(jí)別。

圖1 低功耗圖像在線監(jiān)測(cè)裝置集成方式

4）圖像分辨率支持 160×120，320×240，640×480，1 024×768等，可現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置，也可遠(yuǎn)程設(shè)置。

5）圖像采集頻率與發(fā)送頻率可分別設(shè)置。

6）系統(tǒng)最多可以接入四路攝像機(jī)，從而滿足同一地點(diǎn)不同方位的圖像監(jiān)測(cè)；系統(tǒng)還可以配置云臺(tái)實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的控制，從而滿足360°全方位圖像監(jiān)測(cè)。

7）系統(tǒng)可增加水位、雨量等傳感器，從而實(shí)現(xiàn)水文與藍(lán)藻信息一體化觀測(cè)。系統(tǒng)還可根據(jù)藍(lán)藻生長(zhǎng)特點(diǎn)結(jié)合水文信息，實(shí)現(xiàn)智能化按需觀測(cè)（如水位較高時(shí)藍(lán)藻不容易爆發(fā)，此時(shí)可適當(dāng)降低圖像采集與傳輸頻率），減少不必要的圖像傳輸，從而在滿足監(jiān)測(cè)需求的前提下節(jié)省通信費(fèi)用，并進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。

8）在通訊發(fā)生異常能存儲(chǔ)在本地保存大于80張現(xiàn)場(chǎng)照片（分辨率為640×480），通訊恢復(fù)后，能自動(dòng)重新上傳到遠(yuǎn)程中心站。

9）提供USB HOST接口，現(xiàn)場(chǎng)保存的圖像文件還可以通過(guò)U盤導(dǎo)出。

10）系統(tǒng)提供遠(yuǎn)程程序升級(jí)功能，用戶可以不用去現(xiàn)場(chǎng)就可以方便地實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)升級(jí)。

11）針對(duì)在GPRS/CDMA等帶寬有限的信道條件下進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的圖像文件傳輸，系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程文件傳輸協(xié)議，在做到穩(wěn)定、可靠、快速傳輸文件的同時(shí)，降低了對(duì)信道帶寬的要求。

3 關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)

3.1 低功耗設(shè)計(jì)

由于藍(lán)藻在線監(jiān)測(cè)裝置一般沿湖安裝，絕大部分安裝點(diǎn)沒(méi)有有效的交流供電，基本采取太陽(yáng)能+蓄電池浮充供電的工作方式，為了降低系統(tǒng)中的蓄電池容量和太陽(yáng)能板功率，方便系統(tǒng)安裝與維護(hù)，降低系統(tǒng)成本，在線監(jiān)測(cè)裝置的功耗是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性指標(biāo)。

在線監(jiān)測(cè)裝置的低功耗設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：

1）采用低功耗采集控制器。采用的ACS300-MM靜態(tài)功耗僅為 50 uA，因此非常適用于太陽(yáng)能+蓄電池浮充供電的工作方式。

2）通過(guò)低功耗采集控制器實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)、圖像編碼器的供電與采集的本地與遠(yuǎn)程控制。

3）GPRS/CDMA通信終端采用 MODEM 模塊，模塊平時(shí)處于掉線狀態(tài)（功耗僅為10 mA），只有在需要傳輸圖像文件（主動(dòng)上報(bào)或遠(yuǎn)程抓拍圖片）時(shí)才通過(guò)撥號(hào)上線（功耗約為30 mA），從而使系統(tǒng)靜態(tài)功耗降低了60%。此外，通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)的GPRS/CDMA數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)還具有占用信道帶寬少、通信費(fèi)用低、通信方式靈活的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 圖像文件在窄帶信道中的快速可靠傳輸

為了在GPRS/CDMA等窄帶信道中傳輸較大的圖像文件，監(jiān)測(cè)裝置將圖像文件分成了若干個(gè)適應(yīng)于窄帶信道傳輸?shù)姆职?，從而降低了系統(tǒng)對(duì)傳輸信道的要求。

由于GPRS/CDMA無(wú)線通信系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸會(huì)有一定的延時(shí)，如果采用傳統(tǒng)的可靠文件傳輸方式，文件傳輸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而勢(shì)必增大圖像傳輸失敗的概率。為了降低信道延時(shí)對(duì)多包數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái)的延時(shí)累積問(wèn)題，監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)了以UDP傳輸協(xié)議為基礎(chǔ)的圖像文件傳輸控制協(xié)議。其工作流程如圖2所示。

首先，監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)向遠(yuǎn)程中心平臺(tái)發(fā)送圖像傳輸請(qǐng)求,一方面建立可靠通信通道，另一方面將文件傳輸?shù)目偘鼣?shù)、每包的大小及其它圖像相關(guān)信息告知遠(yuǎn)程中心平臺(tái)。可靠通道建立后開(kāi)始文件傳輸，裝置一次性將所有文件分包（包含了包序號(hào)信息）傳輸至遠(yuǎn)端，遠(yuǎn)程中心平臺(tái)根據(jù)收到的總包數(shù)和包序號(hào)重新組包，并進(jìn)行查缺補(bǔ)包，一方面實(shí)現(xiàn)了圖像文件在窄帶信道中的快速傳輸，另一方面保證了圖像文件傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

采用這種文件傳輸方式，解決了信道固有的數(shù)據(jù)延時(shí)問(wèn)題，將整個(gè)文件的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)縮短為一個(gè)文件包的傳輸延時(shí)，協(xié)議同時(shí)設(shè)計(jì)了補(bǔ)包流程和超時(shí)流程，從而解決了文件傳輸高效和可靠之間的矛盾。

4 結(jié)語(yǔ)

圖2 工作流程圖

本文設(shè)計(jì)的太湖藍(lán)藻在線監(jiān)測(cè)裝置已在太湖藍(lán)藻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用，應(yīng)用效果良好。該監(jiān)測(cè)裝置采取的低功耗圖像采集技術(shù)方案具有一定的通用性，可以在水文圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、輸電線路圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中使用，具有較好的推廣意義。

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