浮標(biāo)應(yīng)用圖像采集與無線傳輸集成系統(tǒng)的研究

梁德榮

摘 要：伴隨著通信技術(shù)的發(fā)展，無線通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益成熟與可靠，“高速運(yùn)動(dòng)中”和“非視通條件下”實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量實(shí)時(shí)圖像和數(shù)據(jù)傳輸已變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。為提高航標(biāo)維護(hù)管理能力，豐富海上船舶實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控手段，推進(jìn)航標(biāo)智能化、可視化是航標(biāo)管理者努力的方向和目標(biāo)；本文在不改變浮標(biāo)助航效能的基礎(chǔ)上，根據(jù)復(fù)雜多變的海上環(huán)境，研究一套具備圖像采集、圖像處理、圖像的傳輸、本地存儲(chǔ)調(diào)用等主要功能，并可拓展航道監(jiān)測(cè)、海況數(shù)據(jù)采集、航標(biāo)燈器管理、能源管理等功能的有機(jī)融合體，實(shí)現(xiàn)一套遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、圖像采集傳輸?shù)裙δ苡谝惑w的無線監(jiān)控指揮管理系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：浮標(biāo)；圖像；無線傳輸；集成系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TN914 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2018）7-0045-03

1研究的背景

背景一：隨著向海經(jīng)濟(jì)和航運(yùn)發(fā)展，船舶通航流量增多，密度增大，加上港口航道新建、擴(kuò)建，海上作業(yè)活動(dòng)頻繁，海上浮標(biāo)在提供導(dǎo)助航服務(wù)的同時(shí)，遭遇碰撞、損壞的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增多。由于事發(fā)地點(diǎn)在海上，航標(biāo)船舶難以快速到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，導(dǎo)致肇事船舶抱有僥幸心理，不報(bào)告、逃逸現(xiàn)象常態(tài)化，給航標(biāo)的索賠、取證工作帶來困難，一直缺少有效的辦法解決，只能利用AIS軌跡回放估斷嫌疑船只，證據(jù)并不充分、徹底。

背景二：海上浮標(biāo)大多處于開闊水域，面積廣、風(fēng)浪大、海況惡劣，航標(biāo)管理者難以全面、準(zhǔn)確掌握海上實(shí)際情況。航標(biāo)船和航標(biāo)員出航作業(yè)效率不高，甚至有時(shí)候無功而返。如果出航前能準(zhǔn)確掌握海上作業(yè)條件，判斷是否適合作業(yè)要求，這不但提高效率和安全性，而且節(jié)約成本。

背景三：隨著“海洋強(qiáng)國(guó)”和“一帶一路”國(guó)家戰(zhàn)略實(shí)施，新形勢(shì)下，航海保障工作面臨新機(jī)遇，以創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)力，突破傳統(tǒng)思維，拓展和豐富助導(dǎo)航服務(wù)功能，推動(dòng)航海保障事業(yè)向智能化、信息化的科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，具有重要的意義。近年來，海事、海洋、海警、港口管理等單位都在加強(qiáng)海上交通安全監(jiān)管力量，提出能否借用助海上浮標(biāo)，拓展視頻或圖像功能，實(shí)現(xiàn)“所見所得”快捷、便利、高效的監(jiān)管目標(biāo)。

2研究的思路

（1）引入陸上智能交通的視頻（圖像）監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，在水上浮動(dòng)標(biāo)志上安裝固定的攝像（圖像）設(shè)備，對(duì)浮動(dòng)標(biāo)志周邊水上環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)或定時(shí)影像（圖像）數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過內(nèi)置集成的單片微型計(jì)算機(jī)處理后，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存和調(diào)用，并借助于移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)用傳輸數(shù)據(jù)，達(dá)到監(jiān)控目的。

（2）居于陸上視頻（圖像）監(jiān)控系統(tǒng)與海上浮動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)所處外部環(huán)境的差異性，并考慮有線傳輸和無線傳輸成本，本研究著重解決的問題，一是利用浮標(biāo)自帶的太陽(yáng)能和蓄電池供電，本系統(tǒng)耗電要低于普通視頻監(jiān)控；二是圖像具有一定的清晰度，采集數(shù)字圖像后能充分處理壓縮，在保證圖像質(zhì)量的前提下盡可能縮小數(shù)據(jù)儲(chǔ)存容量；三是保證在“高速運(yùn)動(dòng)中”拍攝的圖像處于平衡狀態(tài)；四是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠。

3研究系統(tǒng)原理

3.1工作原理

本系統(tǒng)采用嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)和高性能 CPU 處理器，系統(tǒng)調(diào)度效率高，代碼固化在FLASH中，系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。產(chǎn)品集成GPS模塊、3G模塊、圖像采集編碼模塊，溫濕度傳感器等其他多種傳感器模塊，工業(yè)控制模塊，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)圖像傳輸，還具有遠(yuǎn)程控制管理功能。3G圖像采集采用JPEG編碼和先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)丟包容錯(cuò)技術(shù)，確保流暢的效果跟圖片清晰度。數(shù)據(jù)接口采用工業(yè)級(jí)接口設(shè)計(jì)及便捷化安裝方式，防震效果好能適應(yīng)多頻率多方向振動(dòng)。各功能模塊工作原理如下示意圖：

3.2樣品模型

本系統(tǒng)已完成設(shè)計(jì)和樣品試驗(yàn)，為使得產(chǎn)品安裝牢固并確保一定高度，增大拍攝效果，產(chǎn)品設(shè)計(jì)安裝在浮標(biāo)燈器、太陽(yáng)能板的安裝底板，產(chǎn)品的底座與燈器底座基本相同，底座朝上呈倒立安裝，與燈器緊固螺栓共享。樣品模型如下示意圖：

3.3工作特點(diǎn)

（1）本產(chǎn)品采用專用方案，嵌入式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，體積小集成度高，可靠性強(qiáng)，抗摔抗震性能高，功耗低。

（2）高效JPEG壓縮編碼，輕松實(shí)現(xiàn)清晰視頻的低網(wǎng)絡(luò)帶寬傳輸，用于無線傳輸全景拍照。

（3）四位攝像頭全面拍取現(xiàn)場(chǎng)圖片。

（4）智能取景，根據(jù)設(shè)備搖擺狀況，自動(dòng)調(diào)整拍照條件。

（5）網(wǎng)絡(luò)帶寬自適應(yīng)技術(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬自動(dòng)調(diào)整圖片速率。

（6）內(nèi)置硬件狗，異常自動(dòng)恢復(fù)，網(wǎng)絡(luò)中斷后可自動(dòng)連接，保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

（7）平臺(tái)軟件功能強(qiáng)大，集成度高，擴(kuò)展方便。支持分級(jí)用戶權(quán)限管理，可以劃分不同觀看權(quán)限，控制用戶對(duì)圖片資源的觀看數(shù)量。

（8）采用數(shù)據(jù)流加密技術(shù)，保證網(wǎng)絡(luò)通信安全，具有專業(yè)的SSl安全通信服務(wù)，可以定義自己的加密方法。

（9）定時(shí)和短信休眠，心跳數(shù)據(jù)鏈路多方式共存，能有效節(jié)省用戶數(shù)據(jù)流量費(fèi)用。

（10）支持本地TF卡存儲(chǔ)，抗震效果好。TF卡可選用8G、16G、32G。

（11）設(shè)備支持GPS定位功能，定位精度在15m以內(nèi)，支持專業(yè)GIS地圖等。

（12）內(nèi)置溫濕度傳感器，支持溫濕度監(jiān)測(cè)。

（13）內(nèi)置電壓電流監(jiān)測(cè)模塊，支持電壓電流監(jiān)測(cè)功能。

（14）自動(dòng)復(fù)位重連，斷點(diǎn)續(xù)傳。

（15）多種工業(yè)控制接口預(yù)留擴(kuò)展。

（16）軟件及后臺(tái)對(duì)接可擴(kuò)展性強(qiáng)。

4研究系統(tǒng)技術(shù)方案

本集成系統(tǒng)主要包括圖像采集、圖片編碼壓縮、GPS授時(shí)定位、3G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通道、加速度傳感器等功能模塊。

4.1圖像采集

前端設(shè)備對(duì)接4路1000線遠(yuǎn)景USB數(shù)字?jǐn)z像頭采集現(xiàn)場(chǎng)圖片，USB接口攝像頭的傳輸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于串口、并口的速度，因此現(xiàn)在市場(chǎng)熱點(diǎn)主要是USB接口的數(shù)字?jǐn)z像頭。本方案采用高分辨率USB接口數(shù)字?jǐn)z像頭，實(shí)現(xiàn)清晰的D1圖像傳輸。攝像頭參數(shù)如下：

4.2圖片編碼壓縮

JPEG為應(yīng)用最廣的圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。JPEG由于可以提供有損壓縮，因此壓縮比可以達(dá)到其他傳統(tǒng)壓縮算法無法比擬的程度。

本系統(tǒng)采用單片微型計(jì)算機(jī)，兼有視頻硬件加速引擎的高性能通信媒體處理器，能夠滿足日后拓展軟件應(yīng)用需求；雙DDR架構(gòu)能夠提供更大的數(shù)據(jù)處理帶寬和能力；編解碼性能高，能夠提供最佳的多路編解方案；豐富的視頻輸入輸出接口，最高分辨率1920 x1080p。

4.3 GPS 授時(shí)定位

GPS授時(shí)系統(tǒng)是針對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)、控制裝置等進(jìn)行校時(shí)的高科技產(chǎn)品，GPS授時(shí)產(chǎn)品它從GPS衛(wèi)星上獲取標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間信號(hào)，將這些信息通過各種接口類型來傳輸給自動(dòng)化系統(tǒng)中需要時(shí)間信息的設(shè)備，這樣就可以達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間同步。本方案采用高精度UBLOX GPS方案，可以配合本地RTC管理，結(jié)合GPS 數(shù)據(jù)采集到的經(jīng)緯度信息，時(shí)間信息，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助管理。

4.4網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通道

移動(dòng)傳輸技術(shù)，是基于電信/聯(lián)通/移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，可選擇合適的4G無線模塊，達(dá)到高效傳輸圖片目的。通過網(wǎng)絡(luò)模塊自動(dòng)撥號(hào)活動(dòng)運(yùn)營(yíng)商分配的IP與后臺(tái)服務(wù)器對(duì)接，建立TCP/IP通道，從而建立專有的數(shù)據(jù)傳輸通道?？筛鶕?jù)網(wǎng)絡(luò)狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀況，實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)重聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)空閑自動(dòng)傳輸。通過不斷偵測(cè)3G模塊信號(hào)強(qiáng)度，通過AT命令集建立PPPD網(wǎng)絡(luò)連接，對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀況進(jìn)行初步偵測(cè)。

4.5加速度傳感器

采用加速度傳感器G-sensor，返回x、y、z三軸的加速度數(shù)值。該數(shù)值包含地心引力的影響，單位是m/s^2。傳感器一般提供±2G至±16G的加速度測(cè)量范圍，采用I2C或SPI接口和MCU相連，數(shù)據(jù)精度小于16bit。G-sensor能夠感知到加速力的變化，比如晃動(dòng)、跌落、上升、下降等各種移動(dòng)變化都能被G-sensor轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后通過微處理器的計(jì)算分析后，就能夠完成程序設(shè)計(jì)好的功能。本方案根據(jù)G SENSOR返回的數(shù)據(jù)判斷終端設(shè)備是否處于水平狀態(tài)，用來決定是否進(jìn)行圖像采集操作。

4.6其它

拍照管理。本方案根據(jù)產(chǎn)品功能定義圖像的采集需要結(jié)合GSENSOR數(shù)據(jù)，系統(tǒng)時(shí)間，進(jìn)行定時(shí)或者事件觸發(fā)拍照作業(yè)，并保存到緩存隊(duì)列里。

電源管理。本方案采用先進(jìn)電源管理方案，能實(shí)現(xiàn)寬范圍工作電壓，低功耗省電，智能調(diào)整工作任務(wù)。本設(shè)備靜態(tài)電流0.3A，拍照時(shí)瞬間電流0.5A。白天耗電量5Ah，加上燈器夜間耗電3Ah，對(duì)于200Ah蓄電池，陰天太陽(yáng)能板不充電時(shí)，可維持25天。

天線。3G及GPS天線采用外置方法，高增益吸盤天線，能最大程度保證信號(hào)通道質(zhì)量。

后臺(tái)管理。后臺(tái)管理通過瀏覽器登陸后臺(tái)管理指定網(wǎng)址，實(shí)現(xiàn)可視管理。

5結(jié)論

（1）該系統(tǒng)完成后，可達(dá)到如下的設(shè)計(jì)目的：

（2）減少航標(biāo)工作量，節(jié)約成本，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

（3）為船舶碰撞航標(biāo)事故提供有力證據(jù)，解決海事調(diào)查及損失索賠問題。

（4）當(dāng)船舶進(jìn)港或施工作業(yè)時(shí)，為海事部門海上安全監(jiān)管提高及時(shí)、高效現(xiàn)場(chǎng)情況。

（5）為海洋、海警和港口管理機(jī)構(gòu)提供高效的服務(wù)。

（6）推進(jìn)航標(biāo)數(shù)字化、智能化技術(shù)進(jìn)步。