一種遠(yuǎn)程光纖供能的視頻監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建

龐曉玲，馮帥，閆午陽(yáng)，王瑾，劉志忠，曹珊珊，蔣新力

（1.南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，江蘇 南京 210046; 2.中天科技光纖有限公司，江蘇 南通 226009；3.江蘇中天科技股份有限公司，江蘇 如東 226463）

一種遠(yuǎn)程光纖供能的視頻監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建

龐曉玲1，馮帥1，閆午陽(yáng)1，王瑾1，劉志忠2，曹珊珊2，蔣新力3

（1.南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，江蘇 南京 210046; 2.中天科技光纖有限公司，江蘇 南通 226009；3.江蘇中天科技股份有限公司，江蘇 如東 226463）

本文提出并實(shí)現(xiàn)了一套遠(yuǎn)程光纖供能的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。這套系統(tǒng)包括遠(yuǎn)端單元﹑基站單元和上位機(jī)軟件。遠(yuǎn)端單元以O(shè)V2640 CMOS為圖像傳感器﹑STM32為主控芯片采集數(shù)據(jù)，同時(shí)遠(yuǎn)端集成有光伏電池，將基站提供的光能經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后給后級(jí)供電?；締卧捎幂敵黾す馐ㄩL(zhǎng)為810nm的高功率激光器提供能量，并將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)FT232RL接口轉(zhuǎn)換芯片發(fā)送到PC端?；竞瓦h(yuǎn)端之間通過(guò)兩根光纖連接，一根是傳輸波長(zhǎng)為1310nm的單模光纖，用來(lái)傳輸視頻數(shù)據(jù)，另一根是傳輸波長(zhǎng)為810nm的多模光纖，用來(lái)傳輸能量。上位機(jī)軟件選用可以進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像信號(hào)接收的串口調(diào)試助手。

光纖供能；視頻監(jiān)控；激光器；光伏電池

0 引言

由于光纖通信技術(shù)的發(fā)展，激光供能系統(tǒng)在電力特別是光電式電流互感器中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。隨著激光能量的不斷提高，光纖傳輸激光能量并通過(guò)光電轉(zhuǎn)化供應(yīng)直流電，到達(dá)特定難以鋪設(shè)電力線(xiàn)的場(chǎng)所，是一種應(yīng)用前景廣闊的技術(shù)。傳統(tǒng)上使用電纜進(jìn)行供能和通信，但在如礦井﹑森林等特殊場(chǎng)合，電力系統(tǒng)易受停電﹑雷擊等突發(fā)災(zāi)害影響[2]，同時(shí)也增加了發(fā)生安全事故的危險(xiǎn)，在上述場(chǎng)合中，一種新型的光纖傳能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，因?yàn)椴划a(chǎn)生任何火花，所以具有甚高的實(shí)用性[3]。

光纖供能的概念最早在1978年由貝爾實(shí)驗(yàn)室Miller等人提出，他們建立了第一套光纖傳能系統(tǒng)[4]。至20世紀(jì)80年代末，一套基于光纖傳能的波分復(fù)用單向光互聯(lián)系統(tǒng)[5]已實(shí)現(xiàn)，然而該系統(tǒng)有效的電能相對(duì)較低，僅可用于低功耗器件。德國(guó)卡爾斯魯厄大學(xué)已實(shí)現(xiàn)一套100Mbps﹑30萬(wàn)像素的遠(yuǎn)程光纖供能視頻傳感系統(tǒng)，使用62.5微米的多模玻璃光纖傳輸，有效功率達(dá)到了2W。

綜上所述，光纖傳能技術(shù)近幾年來(lái)已經(jīng)有了較為深入的研究和應(yīng)用，目前的研究重點(diǎn)是：使光電傳輸系統(tǒng)的功耗達(dá)到最小。一方面，要降低光電傳輸系統(tǒng)本身消耗的功耗。另一方面，要降低用于信號(hào)處理的電子器件功耗?；诖耍疚倪x用發(fā)射波長(zhǎng)為810 nm的高功率激光器供能，同時(shí)設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的視頻圖像采集模塊，以STM32芯片為核心，以O(shè)V2640為視頻傳感器，并將接收到的信號(hào)上傳至上位機(jī)并顯示。最終構(gòu)建出了一套低功耗的基于遠(yuǎn)程光纖傳能的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出并實(shí)現(xiàn)了一套遠(yuǎn)程光纖供能的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，工作實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作實(shí)物圖Fig.1 Real figure of the video surveillance system

該系統(tǒng)主要由三部分組成：遠(yuǎn)端單元﹑基站單元和上位機(jī)軟件。本系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖2所示。遠(yuǎn)端單元主控芯片STM32控制CMOS傳感器OV2640采集圖像，壓縮編碼后圖像格式為JPEG，輸出圖片大小為320*240，通信協(xié)議采用SCCB[6-7]。遠(yuǎn)端單元消耗的所有能量是通過(guò)高功率激光器提供的，選用波長(zhǎng)為810nm的激光器供應(yīng)能量。遠(yuǎn)端單元和基站單元通過(guò)單模數(shù)據(jù)光纖連接，攝像頭采集到的數(shù)據(jù)以光信號(hào)傳至基站?；臼盏降墓庑盘?hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并通過(guò)串口轉(zhuǎn)USB線(xiàn)發(fā)送至上位機(jī)。上位機(jī)的串口調(diào)試助手將視頻通過(guò)圖像界面顯示。

圖2 遠(yuǎn)程光纖供能視頻監(jiān)控系統(tǒng)框圖Fig.2 Diagram of the video surveillance system powered by distance fiber

圖3 主函數(shù)流程圖Fig.3 Flowchart of the main function

1.1 遠(yuǎn)端單元電路

遠(yuǎn)端單元主要包含STM32主控芯片﹑CMOS圖像傳感器和光發(fā)送模塊，利用STM32F103單片機(jī)控制OV2640 CMOS傳感器采集數(shù)據(jù)，OV2640可以直接輸出壓縮的JPEG格式圖像，大大降低了傳送圖像文件的大小。主函數(shù)流程圖如圖3，STM32串口有三種工作模式，在本系統(tǒng)中，選用靈活﹑高效的中斷方式。遠(yuǎn)端單元原理圖如圖4所示，STM32通過(guò)串口3（UART3-TX和UART3-RX，分別對(duì)應(yīng)圖4中P5的18和17管腳）控制攝像頭，通信協(xié)議采用SCCB（Serial Camera Control Bus），采用兩線(xiàn)工作方式，依靠SID_C（時(shí)鐘線(xiàn)）和SID_D（數(shù)據(jù)線(xiàn)）電平狀態(tài)實(shí)現(xiàn)。程序下載端口為JTMS﹑JTDI和JTCK。PC0-7為攝像頭數(shù)據(jù)輸出控制口，輸出八位數(shù)據(jù)。PB8和PB15用于控制SYNC和PCLK，數(shù)據(jù)在采集一幀圖片信號(hào)完畢時(shí)傳出。STM32的TX﹑RX端口分別連接光發(fā)送模塊的RX﹑TX端口，光發(fā)送模塊（同光接收模塊）原理圖如圖5。

圖4 遠(yuǎn)端單元原理圖Fig.4 Schematic diagram of the remote unit

圖5 光收發(fā)模塊原理圖Fig.5 Schematic diagram of the optical transceiver module

1.2 基站單元電路

基站單元的主要功能有兩點(diǎn)：(1)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；(2)將光電轉(zhuǎn)化后的串行UART接口信號(hào)轉(zhuǎn)化為USB接口信號(hào)，并傳輸至上位機(jī)?；九c遠(yuǎn)端之間的數(shù)據(jù)傳輸選用傳輸波長(zhǎng)為1310 nm的單模光纖。本文中基站單元使用FT232RL接口轉(zhuǎn)換芯片，可以實(shí)現(xiàn)串行UART接口到USB的轉(zhuǎn)換。最后信號(hào)從Mini USB 2.0端口輸出至PC機(jī)，由上位機(jī)接收并顯示視頻數(shù)據(jù)?；驹韴D如圖6。

1.3 上位機(jī)軟件介紹

為了使光纖傳輸過(guò)來(lái)的圖像數(shù)據(jù)可以顯示在PC端，本系統(tǒng)使用了可以進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像信號(hào)接收的串口調(diào)試助手作為上位機(jī)軟件。

上位機(jī)軟件是硬件與PC端信息交流的界面化顯示方式，常用的上位機(jī)軟件通常具有串口調(diào)試功能，如更改數(shù)據(jù)傳輸串口號(hào)﹑傳輸波特率﹑數(shù)據(jù)位﹑停止位﹑傳輸幀率﹑傳輸格式等等。本系統(tǒng)所采用的上位機(jī)功能屬于圖像傳輸調(diào)試，其工作流程如圖7。

本系統(tǒng)所用的上位機(jī)軟件主要由三個(gè)部分構(gòu)成[8]：圖像數(shù)據(jù)的接收﹑圖像數(shù)據(jù)的顯示﹑圖像數(shù)據(jù)的刷新。

圖像數(shù)據(jù)的接收部分使用MSCOMM控件實(shí)現(xiàn)，該控件是MFC中常用的串口數(shù)據(jù)接收工具，可以很方便的設(shè)置接收數(shù)據(jù)的串口端號(hào)﹑波特率等參數(shù)。由于下位機(jī)傳輸過(guò)來(lái)的圖像是JPEG格式的壓縮數(shù)據(jù)，所以在接收部分要進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)識(shí)別，一個(gè)完整的JPEG圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由0XFF﹑0XD9表示圖像頭，由0XFF﹑0XD8表示圖像尾，所以上位機(jī)圖像接收部分要先進(jìn)行圖像頭和圖像尾的識(shí)別，然后獲取一幀完整的圖像數(shù)據(jù)才進(jìn)行顯示。在圖像進(jìn)行顯示的過(guò)程中下位機(jī)也在不斷地傳送新的數(shù)據(jù)到上位機(jī)，所以還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的緩存。

圖像數(shù)據(jù)的顯示部分使用PICTURE控件實(shí)現(xiàn)，該控件用于顯示位圖。當(dāng)上位機(jī)軟件圖像數(shù)據(jù)接收部分接收到一幀完整的圖像信息之后，就要將圖像數(shù)據(jù)由緩存中取出并繪制在圖像控件上進(jìn)行顯示，由于圖像數(shù)據(jù)使用JPEG格式接收，所以位圖繪制部分需要進(jìn)行JPEG格式的解壓縮編碼操作。

圖像數(shù)據(jù)的刷新部分則是通過(guò)不斷讀取新接收到的數(shù)據(jù)來(lái)覆蓋舊的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)一個(gè)圖像幀進(jìn)行完整的獲取之后就要讀取下一個(gè)完整的圖像幀，從而刷新緩存部分來(lái)進(jìn)行圖像顯示區(qū)域的重繪，最后實(shí)現(xiàn)圖像顯示的刷新。

上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)顯示的工作窗口如圖8。

圖6 基站原理圖Fig.6 Schematic diagram of the base station

圖7 上位機(jī)工作流程圖Fig.7 Flowchart of the upper computer software

圖8 上位機(jī)軟件工作窗口Fig.8 Run window of the upper computer software

2 光纖供能技術(shù)及其在本系統(tǒng)中的應(yīng)用

光纖供能技術(shù)就是通過(guò)光纖給遠(yuǎn)端設(shè)備提供能量。由于傳輸媒介是光纖，系統(tǒng)具有抗電磁干擾﹑耐腐蝕﹑體積小﹑不受高頻信號(hào)影響﹑不產(chǎn)生任何電火花等電纜不具備的特點(diǎn)，因此適合于電荷敏感的特殊場(chǎng)合。

本系統(tǒng)的光纖供能單元包含激光器﹑傳能光纖﹑光伏電池三部分。相比氣體激光器﹑固體激光器﹑液體激光器而言，半導(dǎo)體激光器具有高光電轉(zhuǎn)換效率﹑超小型﹑高速工作的優(yōu)點(diǎn)，并且可以滿(mǎn)足光伏電池吸收峰800nm左右的激光，因此本系統(tǒng)選用波長(zhǎng)為810nm的半導(dǎo)體激光器作為高功率光源。傳能光纖為810nm的多模光纖，芯徑為105um，數(shù)值孔徑為0.22。在遠(yuǎn)端，光伏電池是把光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置[9]。本系統(tǒng)選用多節(jié)GaAs光伏電池，同時(shí)集成了超級(jí)電容儲(chǔ)存能量。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 系統(tǒng)功耗測(cè)試

系統(tǒng)功耗分兩部分，一部分是攝像頭數(shù)據(jù)采集，另一部分是數(shù)據(jù)傳輸。圖9是系統(tǒng)功耗分布圖，測(cè)試時(shí)間共6分鐘，每100ms記錄一次數(shù)據(jù)，共得到3600個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，用散點(diǎn)圖表示。測(cè)試可得系統(tǒng)最小功耗為256mW，最大功耗為336mW，分布點(diǎn)最多的功耗是292mW和322mW，對(duì)應(yīng)信息采集和數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)工作狀態(tài)。

圖9 系統(tǒng)功耗分布圖Fig.9 Distribution of system power consumption

3.2 傳能光纖損耗測(cè)試

在光纖供能系統(tǒng)中，考慮到光纖在傳能過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定損耗，我們對(duì)傳能光纖的損耗進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試六個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，具體數(shù)據(jù)如圖10。線(xiàn)性擬合得到光纖的損耗約為3dB/km，符合實(shí)際。

3.3 數(shù)據(jù)信號(hào)波形

本文用示波器分別測(cè)試遠(yuǎn)端單元發(fā)送數(shù)據(jù)和基站單元接收到數(shù)據(jù)的實(shí)測(cè)圖，得到波形如圖11。經(jīng)過(guò)對(duì)比可得發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)波形除了略有延時(shí)外完全相同，可驗(yàn)證本系統(tǒng)數(shù)據(jù)具有傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

圖10 系統(tǒng)功耗分布圖Fig.10 Distribution of system power consumption

圖11 數(shù)據(jù)波形實(shí)測(cè)圖Fig.11 Test pattern of the data waveform

4 總結(jié)

本文主要研究在難以鋪設(shè)電力線(xiàn)的場(chǎng)合采用光纖傳能的方式遠(yuǎn)程提供能量，并且通過(guò)開(kāi)發(fā)低功耗的視頻信號(hào)處理單元，構(gòu)建出了一套遠(yuǎn)程光纖供能的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。此系統(tǒng)以一種優(yōu)良的工作模式工作，具有高系統(tǒng)運(yùn)行能力及持久性。

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A Video Surveillance System Powered by Distance Fiber

PANG XiaoLing1, FENG Shuai1, YAN Wuyang1, WANG Jin1, LIU Zhizhong2, CAO Shanshan2, JIANG Xinli3
(1.School of Optoelectronic Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing, China, 210046; 2.Zhongtian Technology Fiber Optic Co., Ltd., Nantong 226009, China; 3.Zhongtian Technology Co., Ltd., Rudong 226463, China)

This paper proposes and implements a video surveillance system powered by distance fiber.This system includes the remote unit, the base station unit, and the upper computer software.The remote unit is mainly combined with an imaging sensor OV2640 CMOS and a control chip STM32.Also, it integrates photovoltaic cell to supply power to other circuits after photovoltaic conversion.The base station unit is used to supply power by a high-power laser in the base station unit transmitting a laser beam wavelength of 810 nm, and to send data to PC ports through interface convention chip FT232RL.The base station unit and the remote unit are connected with two fibers.One is a single mode fiber with 1310 nm transmission wavelength to transmit video data.Another one is a multimode fiber with 810 nm transmission wavelength to transmit energy.A serial debugging assistant is functioned as the upper computer software for real-time data accepting.

powered by fiber; video surveillance; laser device; photovoltaic cell

龐曉玲，馮帥，閆午陽(yáng)，等．一種遠(yuǎn)程光纖供能的視頻監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建[J]．新型工業(yè)化，2015，5(5)：49-54

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.05.07

:PANG XiaoLing, FENG Shuai, YAN Wuyang, et al.A Video Surveillance System Powered by Distance Fiber [J].The Journal of New Industrialization, 2015, 5(5)∶ 49?54.

南京郵電大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（SYB2014004）;江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目（BY2014013）

龐曉玲（1994-），本科，主要研究方向：光電信息處理；王瑾（1973-），男，教授，博士，主要研究方向：光纖通信與光纖傳感，光伏器件及系統(tǒng)