無線組網的島礁水域視頻監(jiān)控系統的探討

黃清龍 黃遠

(1.第七一五研究所，杭州，310023；2.杭州防雷安全檢測有限公司，杭州，310023)

我國有著大量的中小型島嶼，這些大小不一的島嶼是藍色國土上一顆顆明珠。其中，邊遠島既是海洋的組成部分，又是國家的領土，在維護我國主權和海洋權益方面具有特殊的意義，在國家轉型為海洋大國、發(fā)展海權方面有著其他戰(zhàn)略資源不可替代的戰(zhàn)略作用[1]。隨著世界各國對海洋權益日益重視，對海洋權益的爭奪日趨激烈，我國與鄰國間也存在著大量對海洋權益的爭議。而這些邊遠島嶼遠離大陸、位置偏僻、交通不便，一直以來就缺乏可靠、有效的手段來對它們進行保護和監(jiān)管。如果可以對小型島礁及周邊海域進行實時全景視頻監(jiān)控，將有助于保護我國的海洋權益，也有助于保護海洋生態(tài)環(huán)境、漁民經濟生產、海上航線及海上旅游的安全[2]。

基于以上背景，以提高我國對邊遠島礁及周邊水域的管理和監(jiān)控能力為目標，探討了一種無線組網的視頻監(jiān)控系統，可對水上目標實時視頻監(jiān)控、也可根據需求擴展其他功能。

1 系統組成及原理

圖1為無線組網視頻監(jiān)控網絡系統構成圖。系統主要由島礁中心主站、無線中繼點、無線節(jié)點構成的。整個系統的無線中繼點和無線節(jié)點都可以設置全景攝像頭。由于無線節(jié)點無法直達島礁中心主站，需要通過無線中繼點轉發(fā)方可實現全程數據傳輸，且中繼節(jié)點也可根據要求掛載監(jiān)控攝像頭。而島礁中心主站則負責對所有下屬節(jié)點和中繼點的視頻數據進行接收存儲處理，也可以通過客戶端對視頻數據進行實時顯示或對歷史監(jiān)控數據進行回放。圖2為無線組網視頻監(jiān)控系統組成示意圖。

圖1 無線組網視頻監(jiān)控網絡構

圖2 無線組網視頻監(jiān)控系統組成示意圖

對于島礁中心主站，應設置于基礎設施完善的有人值守的島礁。島礁上設立較高的通信鐵塔基站，以便接收到無線中繼點和節(jié)點的無線信號。一個鐵塔基站可掛載一定數量的中心主站設備，最后匯聚到后臺進行處理。而無線中繼點和無線節(jié)點及視頻監(jiān)控設備則按照實際監(jiān)視范圍設置于海上平臺。無線節(jié)點視頻數據因距離而不能可靠傳輸到中心主站，則需通過無線中繼點進行中繼轉發(fā)。

2 系統關鍵設計

無線組網視頻監(jiān)控系統是一個學科集成的工程，包括海洋平臺技術、視頻采集技術、新能源供電技術和無線組網通信技術和計算機網絡等。

2.1 平臺技術

依據無線中繼點和無線節(jié)點的布設地點可分為固定式平臺和浮標平臺兩種。當安裝地點為深度不大的礁盤時，則可在礁盤上設置固定式基樁，圖 3為固定式基樁平臺示意圖，并在基樁桿上安裝小型風力發(fā)電機和太陽能電池組發(fā)電裝置。自上而下，分別在桿上設置天線、監(jiān)控攝像頭和蓄電池組和控制器等。使用這種平臺的優(yōu)勢可保持無線通信信號的穩(wěn)定，同時攝像頭采集的信號無需傾斜補償。

圖3 固定礁盤平臺

而當無線中繼點及無線節(jié)點設置在深水區(qū)的浮標平臺時，其優(yōu)勢是布設方便，只需將浮標布放完畢并通過錨固定海底；缺點是因為浮標平臺受到浪涌的影響使得無線通信傳輸受到干擾，圖像角度也不完全正直。而這種缺陷則可通過浮標結構的減搖技術來緩解，同時加大全向天線的發(fā)射功率來保持傳輸質量，圖像也可通過特定的補償算法來校正。圖4為浮標平臺示意圖。

圖4 浮標平臺示意圖

2.2 供電技術

無線中繼和節(jié)點所使用的浮標平臺都是通過蓄電池進行供電，傳統的方式是人工定期對蓄電池進行更換，這樣費時費力，且海上作業(yè)非常不安全、不方便。本文闡述的方案中盡可能利用再生能源，就地取材使用風能和太陽能對蓄電池進行充電，即使用風力發(fā)電機和太陽能電池組件來為系統提供電力支持。

海洋環(huán)境中，大風和海浪使浮標平臺經常性的搖晃，因此應使用加固的太陽能組件和風力發(fā)電機組，主要注意點如下：

● 盡可能使用高轉換效率的太陽能電池組件提升發(fā)電量。

● 太陽能電池組件在低緯度地區(qū)可平鋪安裝，在高緯度地區(qū)則應在四個方向根據安裝地點緯度計算傾角安裝，且需采用四組獨立通道的充電控制。

● 設置小型風力發(fā)電機組時，條件允許則可同時設置水平軸和垂直軸風力發(fā)電機組，保障系統可靠性。

● 合理計算系統發(fā)電量配置。

通常海面風力和太陽能資源互補性較強，發(fā)電量在經過合理配置后，可以滿足負載使用，考慮極端氣候無充電情況下，系統蓄電池設計容量為滿足三天使用時間即可。

2.3 數據傳輸

對于視頻監(jiān)控的數據，本系統當中都采用的是無線微波室外基站技術傳輸，通常基站使用頻率分布在2.4 GHz和5 GHz兩個頻段[7]，以實現點對點、點對多點和室外無線覆蓋。頻段的選擇則主要依據現場的電磁環(huán)境，5 GHz頻段在海島上使用較為少，選用此頻率設備。依據傳輸基站工作特性，對于20 km以內的數據傳輸，理論上無需通過無線中繼點的接力傳輸即可完成，即攝像機所輸出的視頻監(jiān)控數據，中心主站信號可直接連接到節(jié)點終端設備，將覆蓋范圍內的節(jié)點數據全部回傳。

除了近海島嶼和周邊海域之外，對于還有大量的遠海小型島嶼及海域．其距離大陸均超過20 km[8]，超出了中心基站的覆蓋范圍，則采用高帶寬微波回傳的方式。將這些遠海節(jié)點的視頻監(jiān)控數據回傳至中間區(qū)域的無線微波中繼接收站進行匯總，即微波接力傳輸，再通過中心主站對無線中繼點的覆蓋將數據傳輸回主站。圖5為遠距離覆蓋傳輸接力原理圖。

圖5 遠距離覆蓋傳輸接力原理圖

3 難點及創(chuàng)新

基于無線組網的島礁視頻監(jiān)控系統解決了無縫隙全景視頻監(jiān)控的問題，系統創(chuàng)新通過在固定基礎平臺和浮標平臺相結合的方式實現了島礁及周邊海域無死角的全方位實時視頻監(jiān)控，通過中繼接力的方式將視頻數據回傳到中心基站。而整個系統還有需要克服的難點，主要表現為：浮標平臺在風浪情況下的穩(wěn)定性和可靠性。該類問題可通過浮標減搖設計及合理的配置來解決；而針對浮標數據傳輸的穩(wěn)定性，在浮標平臺搖擺減緩的情況，可使用全向天線進行信號傳輸，提高天線的水平面距離及加大信號的發(fā)射功率實現；針對固定式基樁平臺施工問題，依托中船重工下屬研究院所的豐富經驗可以順利解決。

4 結論及展望

基于無線組網的島礁視頻監(jiān)控系統，使用浮標平臺技術為依托，創(chuàng)新性的解決了島礁及周邊海域大容量大帶寬的視頻數據傳輸的問題，對維護國家海洋權益、保護海洋生態(tài)環(huán)境和海洋交通安全等都具有極大的作用，另外該系統也適用于內湖內河的特定目標的實時監(jiān)控功能，具有很大的發(fā)展前景。

[1]王世海,萬志坤,王楠. 小型島嶼遠程遙控無線視頻監(jiān)控解決方案[J].設計與實現, 2011, 14:56-57.

[2]史旭峰. 三沙市生態(tài)環(huán)境保護現狀及對策研究[J]. 戰(zhàn)略研究, 2015, (6): 24.

[3]黃清龍, 黃遠, 周曉偉. 海洋浮標供電技術研究[J]. 風能產業(yè), 2015, (6):25-26.

[4]王徽, 黃成力. 海上風力發(fā)電技術[J]. 上海節(jié)能,2007,(1): 23-26.

[5]王俊,李德駿,肖舉林, 等. 海底觀測網水下環(huán)境實時監(jiān)控系統設計與實現[J]. 浙江大學學報, 2016,(2):194-195.

[6]李小毅. 岸基對海智能視頻監(jiān)視技術研究[D]. 廈門大學,2011:20-21.

[7]信息產業(yè)部 [2000]705號. 關于調整 1~30 GHz數字微波接力通信系統容量系列及射頻波道配置的通知[Z], 2000.

[8]唐艷超, 王寶利, 王強錚. WIMAX覆蓋與分析[J]. 通信世界, 2007, (12):1-16.