基于視頻網(wǎng)絡服務多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與設計

唐躍平，褚澤帆，符偉杰，諸 杰，尹新沆，王亮亮，孫 奕

（1. 水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；

2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術研究中心，江蘇 南京 210012；

3. 河海大學，江蘇 南京 210098）

基于視頻網(wǎng)絡服務多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與設計

唐躍平1,2，褚澤帆1,2，符偉杰1,2，諸 杰1,2，尹新沆1,2，王亮亮1,2，孫 奕3

（1. 水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；

2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術研究中心，江蘇 南京 210012；

3. 河海大學，江蘇 南京 210098）

現(xiàn)有水文遙測終端無法實現(xiàn)包括視頻信號在內(nèi)的多通道數(shù)據(jù)采集，傳統(tǒng)的視頻網(wǎng)絡監(jiān)控也不能很好滿足水利水文行業(yè)的遙測需求，通過利用信息融合技術，提出一種基于嵌入式 ARM 系統(tǒng)的水利水文多通道數(shù)據(jù)采集控制方案。該多通道系統(tǒng)終端軟件部分采用嵌入式 Linux 系統(tǒng)編程，硬件部分控制多通道信息的采集。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)終端采集通道具有很強可擴展性，并且實現(xiàn)基于嵌入式終端的視頻圖像、圖片采集，具有很好的技術先進性和良好的應用前景。

水文儀器；視頻監(jiān)控；無線通信；多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

隨著我國自然氣候環(huán)境的變化，泥石流、山體滑坡及洪澇災害嚴重影響著我國的經(jīng)濟發(fā)展，這就對水位、流速等傳統(tǒng)水文監(jiān)測及遠程視頻監(jiān)控提出了更高要求。根據(jù)《關于加快應急產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見》[1]，水文信息化多通道數(shù)據(jù)采集可以提高信息采集、傳輸?shù)臅r效性和自動化水平，是水文現(xiàn)代化建設的基礎和重要標志。為適應國家信息化建設、信息技術發(fā)展趨勢、流域和區(qū)域管理的要求，大力推進水文信息化的進程，全面提高水文工作科技含量，是保障水文與國民經(jīng)濟發(fā)展相適應的必然選擇。目前，不間斷監(jiān)測各種條件下的水情變化，多樣化信息采集（尤其是視頻信號采集）、數(shù)據(jù)通信和功耗問題成為水文信息化改革中亟需解決的難題。現(xiàn)有水文遙測終端設備只能單獨進行水文信息采集，無法實現(xiàn)對多通道數(shù)據(jù)的采集，尤其無法進行視頻信息的統(tǒng)一控制管理，遇到通信干擾情況則無法進行信息傳輸，會延誤預警及防范的時間。

水文行業(yè)目前的視頻圖像、圖片傳輸未能和其他水文要素傳感器結(jié)合在一起，是通過嵌入式 ARM處理器形成具有視頻網(wǎng)絡服務特色的多通道遙測終端設備。因此，水文水利領域特別需要一款終端設備能夠具有支持特定事件觸發(fā)網(wǎng)絡攝像機的視頻圖像、圖片采集傳輸?shù)墓δ?，即在雨量、水位或其他傳感器采集到的信號達到設定警戒值或者人工實時觸發(fā)時，使得網(wǎng)絡攝像機按照特定指令響應不同的動作，從而在水利水文領域?qū)崿F(xiàn)及時、智能化遙測監(jiān)控。

為此，研制一種基于多通道數(shù)據(jù)采集的水文信息智能遙測終端系統(tǒng)（以下簡稱采集終端系統(tǒng)），在多種無線通信模式支持下，能夠兼容多種水文傳感器與視頻信息的采集，并利用太陽能對信息采集提供電力支持，常規(guī)無線通訊模式與衛(wèi)星通訊模式協(xié)同運行，提高信息傳輸效率。

1 設計原則

按照全國水文科技發(fā)展規(guī)劃的要求，多通道信息采集終端系統(tǒng)遵循以下設計原則：1）先進性。整個采集終端系統(tǒng)采用的設備和技術滿足一定的先進性。2）實用性。采集終端系統(tǒng)性價比高，維護簡單，功耗低，費用低。3）擴展性。采集終端系統(tǒng)能實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集，預留擴展口，以便擴展其他信息采集。4）實時性。采集終端系統(tǒng)圖像、圖片及水文數(shù)據(jù)信息通過多通道并發(fā)實時傳輸，安全可靠性高，適合野外無人值守特點。6）獨立性。采集終端各功能通道模塊之間相互獨立。

2 設計構(gòu)架

伴隨著計算機及網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，視頻編解碼技術的日益成熟，計算機處理能力的快速提高及寬帶的逐漸普及，基于 3G 無線網(wǎng)的視頻遙測終端系統(tǒng)顯得越來越重要。根據(jù)采集終端系統(tǒng)設計流程及原則，將視頻網(wǎng)絡服務遙測終端系統(tǒng)分為水文數(shù)據(jù)采集、信息數(shù)據(jù)處理、無線通信、電源控制、數(shù)據(jù)接收及 Web 展示 6 個子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)運作，構(gòu)成整個視頻網(wǎng)絡服務遙測終端產(chǎn)品，構(gòu)架如圖 1 所示。

圖1 采集終端系統(tǒng)設計構(gòu)架圖

根據(jù)采集終端系統(tǒng)的需求與功能設計，主要進行基于視頻網(wǎng)絡服務的遙測終端設備研制，實現(xiàn)遙測站與控制中心的大數(shù)據(jù)量傳輸，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)和圖像信息的 Web 遠程查詢功能。

1）水文數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。不同傳感器采集獲得水文要素的信號方式是不同的，如 LS20B 型流速儀的信號是由磁鋼和干簧管產(chǎn)生的，旋漿旋轉(zhuǎn) 1 圈，干簧管產(chǎn)生 2 個接觸信號，流速儀型號不同，其旋轉(zhuǎn) 1 圈產(chǎn)生的信號數(shù)量也不同[2]；WFH-2 型浮子式水位計通過軸角編碼器將水位模擬量轉(zhuǎn)換為 12 路并行數(shù)字信號[3]。水文數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要實現(xiàn)視頻圖像、圖片、流速（流量）及水位等數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)不同水文要素傳感器設計相應的接口電路函數(shù)，形成不同傳感器統(tǒng)一管理控制，不僅降低投入經(jīng)費、系統(tǒng)功耗及產(chǎn)品維護費用，還極大地節(jié)省流量開銷，實現(xiàn)遠程大數(shù)據(jù)量通信及高性能實時遙測遙控，是符合水利水文行業(yè)特色的視頻網(wǎng)絡服務遙測終端設備。

2）信息數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。信息數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)根據(jù)不同水文傳感器信號及服務器發(fā)來的指令做相應的程序響應，是整個采集終端系統(tǒng)的核心。

3）無線通信子系統(tǒng)。無線通信子系統(tǒng)選用聯(lián)通 3G 無線通信模塊，采用 32 位通信處理器及無線模塊，自帶 WIFI 功能，方便后期多點組網(wǎng)，并且支持定時上下線，降低功耗。在服務器和 3G 無線通信子系統(tǒng)之間搭建 VPN 通道，視頻、圖片、流速（流量）及水位等數(shù)據(jù)由微處理器處理控制，然后傳輸至服務器，服務器以 Web 形式實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)查看、實時查詢調(diào)度及遠程數(shù)據(jù)下載等功能，同時服務器端可遠程操作控制終端設備。

4）電源控制子系統(tǒng)。因水利水文行業(yè)特點限制，要設法降低系統(tǒng)運行功耗，盡量保證設備在長時間沒有太陽能的情況下持續(xù)工作，電源控制子系統(tǒng)在微處理器控制下可單獨管理各獨立子系統(tǒng)供電。

5）數(shù)據(jù)接收子系統(tǒng)。自報模式下，數(shù)據(jù)接收子系統(tǒng)將終端設備發(fā)來的雨量、水位信息數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，將圖片信息存儲到服務器相應文件夾中。實時查詢模式下，數(shù)據(jù)接收子系統(tǒng)解析 Web端發(fā)來的指令，并將指令信息發(fā)送至終端設備，同時監(jiān)聽終端設備響應的信息，將響應信息傳送至 Web 端。

6）Web 展示子系統(tǒng)。根據(jù)采集終端系統(tǒng)的設計原則與總體設計的要求，Web 展示子系統(tǒng)既要實現(xiàn)水位、雨量、視頻、圖片的實時采集，存儲，展示等功能，又要保證系統(tǒng)良好的擴展性、獨立性。因此，Web 展示子系統(tǒng)采用 MVC（Model－View－Controller）設計模式，利用業(yè)務邏輯、數(shù)據(jù)、界面顯示分離的方法進行系統(tǒng)的設計與開發(fā)。根據(jù) Web 展示子系統(tǒng)的總體架構(gòu)設計，并遵循采集終端系統(tǒng)設計的原則和方法，Web 展示子系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化的設計方法，主要包括以下 3 個功能模塊：

a. 視頻在線監(jiān)測模塊。視頻在線監(jiān)測模塊通過RTSP 協(xié)議進行視頻數(shù)據(jù)的實時在線播放，實現(xiàn)視頻的播放、停止、全屏等功能。

b. 水文信息監(jiān)測模塊。主要實現(xiàn)水文信息數(shù)據(jù)的實時與定時獲取功能，定時獲取功能主要包括日期的選擇、監(jiān)測站點的選擇、數(shù)據(jù)的查詢、數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)打印等功能，實時獲取功能主要實現(xiàn)水文信息數(shù)據(jù)的實時獲取。

c. 圖像信息采集模塊。主要實現(xiàn)圖像的定時與實時獲取功能，圖像的定時獲取功能主要包括日期的選擇、圖像的查詢、圖像的顯示、圖像的自動播放等功能，實時獲取功能主要實現(xiàn)獲取當前時間的實時圖像。

3 視頻采集設計

數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)包括視頻圖像、流速（流量）數(shù)據(jù)、水位數(shù)據(jù)等采集通道及其他信息采集預留接口通道，其中視頻圖像、圖片的采集是設計的重點。

網(wǎng)絡攝像機由網(wǎng)絡編碼模塊和模擬攝像機組合而成，采集終端系統(tǒng)選用的槍型網(wǎng)絡攝像機分辨率達 140 萬像素（1 280×1 024），采用 H.264 編碼輸出 1 280×1 024 @ 30 fps 實時圖像，監(jiān)控距離遠，適合野外無人值守。根據(jù)水利水文行業(yè)特點，同時考慮到帶寬流量，要求終端系統(tǒng)每間隔一定時間采集發(fā)送 1 幅圖片。遇到突發(fā)事故可傳輸實時視頻，及時了解當?shù)噩F(xiàn)場實際情況，便于遠程調(diào)度，實現(xiàn)防災減災。平常情況下根據(jù)圖片觀察野外現(xiàn)場，既降低流量開銷，又減少攝像機工作時間，從而降低功耗，滿足水利水文行業(yè)特點。但網(wǎng)絡攝像機提供的設備網(wǎng)絡 SDK 只支持 X86 構(gòu)架下的 Windows 及Linux 系統(tǒng)平臺，不支持 ARM 構(gòu)架的嵌入式操作系統(tǒng)，因此，不能直接根據(jù)設備網(wǎng)絡 SDK 編程實現(xiàn)圖片的獲取。由于輸出的視頻碼流支持 RTSP（實時流媒體協(xié)議），該協(xié)議是 TCP/IP 協(xié)議體系中的一個應用層協(xié)議，定義了一對多應用程序如何有效地通過 IP 網(wǎng)絡傳送多媒體數(shù)據(jù)。FFmpeg 是一套可以用來記錄、轉(zhuǎn)換數(shù)字音頻和視頻，并能將其轉(zhuǎn)化為流的開源計算機程序，包含 libavformat，libavcodec，libavutil，libswscale 及 libpostproc 音頻/視頻編解碼庫，并且支持 HTTP，RTP 及 RTSP 等協(xié)議，通過FFmpeg 對 RTSP 視頻抓圖，獲取圖片。標準協(xié)議沒有平臺限制，在由嵌入式 ARM 構(gòu)架組成的多通道數(shù)據(jù)采集終端中，可通過 FFmpeg 得到圖片，相關功能函數(shù)如下：

微處理器將獲取到的圖片以當前時間命名，并通過 socket 網(wǎng)絡編程經(jīng) 3G 無線模塊發(fā)送出去。其中socket 套接字編程包括服務器和客戶端，過程如圖 2所示。

圖2 網(wǎng)絡編程

網(wǎng)絡攝像機采集到的視頻流，通過嵌入式 ARM微處理控制，經(jīng)過 3G 無線通信模塊傳輸至服務器，服務器端通過多媒體網(wǎng)絡視頻播放軟件 VLC 進行播放。水文要素傳感器采集來的水文信息，以及服務器發(fā)來的控制指令，經(jīng)信息處理子系統(tǒng)應用程序綜合處理，可按自報式及查詢方式實現(xiàn)水文信息數(shù)據(jù)的上傳及交互功能。應用程序設置定時自報，時間事件觸發(fā)，水文數(shù)據(jù)自動上傳；Web 端發(fā)送的指令，經(jīng)過數(shù)據(jù)接收子系統(tǒng)解析處理，傳輸至信息數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，應用程序根據(jù) Web 指令信息響應對應的水文數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)至 Web 端。數(shù)據(jù)上傳和交互流程圖分別如圖 3 和 4 所示。

圖3 數(shù)據(jù)上傳流程圖

圖4 數(shù)據(jù)交互流程圖

4 結(jié)語

基于視頻網(wǎng)絡服務多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)涉及到機械式流速儀、水位傳感器、視頻采集傳感器等多種傳感器的數(shù)據(jù)采集及處理與傳輸，各個傳感器采集到的水文信息數(shù)據(jù)經(jīng)過信息數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)統(tǒng)一控制處理，既可以分別獨立定時或者實時采集傳輸，又可以設置 1 個或多個水文信息數(shù)據(jù)警戒值，當相應信息數(shù)據(jù)達到該警戒值，觸發(fā)網(wǎng)絡攝像機采集傳輸視頻圖像或者圖片，抓拍特定場景及實時觀看現(xiàn)場情況，以便管理部門及時做出相應的應急方案，最大程度地減少災害損失。將基于視頻網(wǎng)絡服務多通道數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)應用到山洪災害預警系統(tǒng)、中小河流防治預警系統(tǒng)、中小型水庫監(jiān)測及應急監(jiān)測等方面，可及時掌握監(jiān)測點的水文和現(xiàn)場圖像信息，為防災減災、突發(fā)事件處理等提供及時有用的技術支持。并且根據(jù)應用場景的不同，設置不同傳感器的不同警戒值，可以研制一系列的具有視頻網(wǎng)絡服務功能的智能化遙測終端設備，具有很大的推廣應用前景。

通過研究，研制的水情、圖像、圖片實時采集無線傳輸?shù)亩嗤ǖ佬畔⒉杉到y(tǒng)，性能滿足GB/T 27994-2011《水文自動測報系統(tǒng)設備通用技術條件》的相關要求[4]，可通過產(chǎn)業(yè)化實現(xiàn)批量生產(chǎn)。

[1] 國務院辦公廳. 關于加快應急產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見（國辦發(fā)〔2014〕63號）[S]. 北京：國務院辦公廳，2014: 1-2.

[2] 姚永熙. 水文儀器與水利水文自動化[M]. 南京：河海大學出版社，2001: 74-89.

[3] 林祚頂. 水文現(xiàn)代化與水文新技術[M]. 北京：中國水利水電出版社，2008: 41-46.

[4] 中華人民共和國水利部. GB/T 27994-2011 水文自動測報系統(tǒng)設備通用技術條件[S]. 北京：中國標準出版社，2012: 3-8.

Research and Design of Multi-channel Data Acquisition System based on Video Network Services

TANG Yueping1,2, CHU Zefan1,2, FU Weijie1,2, ZHU jie1,2, YIN Xinhang1,2,WANG Liangliang1,2, SUN Yi3

(1. Nanjing Water Conservancy and Hydrology Automation Institute Engineer, Nanjing 210012, China;
2. Hydrology and Water Resources Monitoring Engineering Technology Research Center, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China;
3. College of Computer and Information, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Existing hydrological RTU can not achieve multi-channel data acquisition including video signals. And traditional video network monitoring can not meet to telemetry demand of water conservancy hydrological industry. Through the use of information fusion technology, the article proposes the multi-channel data acquisition scheme of water conservancy and hydrological based on embedded ARM system. The software part of the system uses embedded Linux programming. And the hardware part is used to control multi-channel information collection. The experiment results show that terminal acquisition channels of the system have strong expansion and can realize collecting of video image and pictures. It has well technical advancement and good application prosect.

hydrological instruments; video surveillance; wireless communication; multi-channel data acquisition system

P335；TN91

A

1674-9405(2015)02-0045-04

2015-01-06

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務重點基金項目（Y913016）

唐躍平（1961－），男，江蘇丹陽人，高級工程師，研究方向：信號與信息處理、水利信息化。