農村供水站管理中圖像抓拍裝置的設計與實現(xiàn)

屠佳佳，李 莎，宋立松，劉 鋒

（1.浙江機電職業(yè)技術學院電氣電子技術系，浙江 杭州 310053；2.杭州定川信息技術有限公司，浙江 杭州 310020；3.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

隨著浙江省水利工程標準化管理工作的推進，農村供水站作為千萬農民飲水工程的關鍵組成部分，也納入了標準化管理體系。同時在各縣市區(qū)選取試點并安裝了信息化監(jiān)測與管理系統(tǒng)，其中圖像抓拍是此次農村供水站信息化建設的重要功能之一。圖像抓拍功能利用遙測終端采集攝像頭數(shù)據(jù)并實時上傳監(jiān)控中心來實現(xiàn)，攝像機安裝于農村供水站室內正對大門處，用于抓拍進入農村供水站人員的圖像[1-2]。

農村供水站標準化建設前期，在少數(shù)已經安裝信息化管理系統(tǒng)的農村供水站中，圖像抓拍主要利用移動偵測和定時抓拍2種方式來實現(xiàn)。其中移動偵測技術先進，抓拍靈敏度高，圖像質量也較高，然而在管理人員進入農村供水站室內后，需要對供水站進行安全檢查和打掃衛(wèi)生，攝像頭仍然會進行圖像抓拍，導致每天抓拍大量圖像，一方面增加用戶查看有效圖像數(shù)據(jù)的難度，另一方面也導致使用運營商流量增大，增加不必要的流量費用。定時抓拍方式根據(jù)預估的管理人員進入農村供水站時間設置抓拍時間，然而管理人員并非專職人員，往往不能準時到達供水站，導致經常無法抓拍到管理人員圖像,抓拍效果較差。因此，提出并設計了一種基于門磁開關的農村供水站圖像抓拍裝置。

2 工作原理

門磁開關由磁鐵和開關2部分組成，磁鐵部分由對應的磁場強度的磁鐵封裝于塑膠或合金殼體內；開關部分由磁簧開關經引線連接，定型封裝而成，磁簧開關又稱干簧管，因其具有結構簡單、體積小、重量輕、靈敏度高、吸合功率小等突出優(yōu)點，應用范圍很廣，成為自動控制中的重要元件，尤其在安防報警領域廣泛采用[3]。當兩者分開或接近至一定距離后，會引起開關的通斷。門磁開關示意見圖1。

圖1 門磁開關示意圖

農村供水站圖像抓拍系統(tǒng)由門磁開關、可調節(jié)安裝支架、圖像采集設備、攝像頭等組成，圖像抓拍系統(tǒng)基本結構見圖2。

圖2 圖像抓拍系統(tǒng)基本結構圖

農村供水站圖像抓拍系統(tǒng)利用門磁開關動作觸發(fā)數(shù)據(jù)采集設備，發(fā)送指令給攝像頭進行圖像抓拍。門磁開關通過可調節(jié)支架安裝于攝像頭正對的大門上，利用2根導線連接至圖像采集設備。當管理人員開門進入或者關門離開農村供水站時，大門開啟或關閉到一定幅度，門磁開關的磁鐵部分與磁簧開關必定會在某一時刻基本處于重合狀態(tài)，使得門磁開關立即動作，圖像采集終端檢測到電平變化后，馬上向攝像頭發(fā)送指令實現(xiàn)圖像抓拍。

正常情況下，管理人員開門進入后會對供水站進行巡查和打掃，結束工作后才會關上大門，期間大門保持靜止，沒有電平變化不會觸發(fā)圖像抓拍。因此，理論上每次只會在開門和關門時各抓拍1張照片，可以有效解決移動偵測、人體感應觸發(fā)造成的圖像抓拍次數(shù)過多的問題，以及定時抓拍經常無法抓拍到有效圖像的問題。

3 選型與設計

圖像抓拍裝置主要由門磁開關、可調節(jié)安裝支架組成，門磁開關按照實際功能需求選型購買，可調節(jié)支架須按照農村供水站實際情況自行設計。

3.1 門磁開關選型

為了保證圖像抓拍的穩(wěn)定性，門磁開關的選型也很重要，考慮到農村供水站室內環(huán)境潮濕、工作狀態(tài)以及抓拍靈敏度、穩(wěn)定性等要求，本裝置選用的門磁開關特性參數(shù)見表1。

表1 門磁開關特性參數(shù)

由于農村供水站數(shù)量多、站點分散、又地處偏遠，裝置的可靠性至關重要，因此在使用前須對門磁開關進行測量與測試，保證其安全可靠。常用測量測試方法如下：

（1）電路測量：對磁簧開關電路進行測量，一般測量干簧管開關吸合或斷開的常用電路見圖3。

圖3 磁簧開關測量常用電路圖

圖3中，CJ為采集端，最大接觸電阻Rs大約200 mΩ，Rp一般選取1 ～ 10 kΩ。根據(jù)圖3有：Vcj = VpRs/(Rs + Rp)。當Rs變大時，Vcj也隨之趨大：當Vcj ＜ 2.4 V(CJ采用TTL電平標準時)，或Vcj ＜ 0.7 V(CJ采用CMOS電平標準時)，則干簧管的通斷會改變進入CJ的電平特性[4-5]，正?？捎?，反之雖然能產生通斷但不能改變CJ的電平特性，則可判斷干簧管其實已不可用。此方法雖然較為復雜，但效果最好。

（2）磁力參數(shù)測量：利用磁力參數(shù)測試儀測量磁力進行判斷，此方法需要準備專用的測試儀。

（3）通斷測量：接連好門磁開關電路后，讓磁鐵和磁簧開關分開或接近，直接利用萬用表測量通斷情況來分辨。此方法簡單易用，一般情況下采用較多，但也存在缺陷。

3.2 支架設計

由于門磁開關安裝孔中心距為1.50 cm左右，可調節(jié)支架選用寬度為3.00 cm，厚度為2 mm的鋁制材料制作，由門梁側固定面板、固定螺絲、固定段、調節(jié)螺絲、調節(jié)段、磁簧開關固定面板組成，側視見圖4。

圖4 可調節(jié)支架側視圖

磁簧開關通過螺絲安裝于右側固定面板上，兩者底部基本處于同一平面。整個支架通過螺絲固定于門梁上，使得支架垂直于門梁，門扇打開至設定角度，利用調節(jié)螺絲使調節(jié)段與門扇垂直，保持磁簧開關與門扇3 ～ 5 mm的距離，磁鐵部分則在此狀態(tài)時安裝于磁簧開關正下方，與門扇上方基本處在同一平面。門扇旋轉到設定位置時，磁鐵部分和磁簧開關處于基本正對狀態(tài)，產生可靠信號，確保門磁開關動作的穩(wěn)定性。

由于農村供水站數(shù)量眾多，門扇種類也多，可調節(jié)支架在設計過程中考慮支架的通用性和穩(wěn)定性，兩者與支架尺寸的相關性較大。尺寸太長會影響支架的穩(wěn)定性和觸發(fā)的可靠性，太短則會影響通用性。支架的尺寸取決于它的安裝位置和門磁開關動作時門扇的打開角度，因此需要對安裝位置和設定的門扇角度進行分析獲得合適的支架尺寸。

根據(jù)上述分析以及實際安裝情況畫出門梁、支架、門扇組成的四邊形示意見圖5。其中ACB為支架，OA為門梁側屬于固定段，OB為門扇側屬于調節(jié)段，以及AC與OA垂直，BC與OB垂直。

圖5 門梁、支架、門扇組成的四邊形示意圖

設門扇開度∠AOB為α，α≤90.00°，∠AOC為α1，∠BOC為α2，考慮到安裝穩(wěn)定性，一般固定段不小于調節(jié)段，即有AC≥BC，α1≥α2，根據(jù)圖5可知：

即要取ACB的最小值，由式（1）～（4）可得：

所以只有當OA = OB時，ACB的值最小，此時α1 = α2，ACB = 2OA×tan(α/2) ，OABC組成的四邊形以OC對稱。

分別取 α 為 30.00°，45.00°，60.00°，75.00°，90.00°，門扇寬為1 m左右，故OA取10.00，20.00，30.00，40.00，50.00 cm計算支架長度，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同安裝位置和門扇開度下的支架長度表cm

由于支架太短影響通用性且不方便制作，支架太長影響穩(wěn)定性，一般選擇30.00 ～ 60.00 cm比較合適。另外由于門扇開度太小拍不到全身，太大可能錯過拍攝，一般選擇45.00° ～ 75.00°比較合適。從表2可以得出，安裝位置為40.00 cm，門扇開度為60°時，支架長度為46.16 cm，如果選取此長度的支架，基本可以滿足門扇開度為45.00° ～75.00°的安裝尺寸，此時適用范圍最大，安裝時最靈活，可將此長度及附近的值作為最佳選項。根據(jù)以上計算分析，以及考慮到門扇存在約5.00 cm的厚度，設計安裝時，將門扇開度設置為60.00°左右，支架長度設置為50.00 cm左右，此時AC = BC = 25.00 cm，基本可以滿足農村供水站圖像抓拍的各項條件。如果想讓支架更加穩(wěn)定不下垂，在不改變支架總長的情況下可適當增加固定段長度，減小調節(jié)段長度。

4 現(xiàn)場測試

基于門磁開關的圖像抓拍裝置在設計完成后，選取余姚市1#村供水站進行現(xiàn)場安裝試驗，該水站大門向外開，抓拍裝置安裝在大門外側。試驗中進行了50次開門、關門實驗，抓拍50組圖像，每組只有2張圖像，成功率100%，而且抓拍效果良好，提高有效圖片概率的同時節(jié)約了流量成本。

選取其中一組圖像與2#村供水站移動偵測、3#村供水站定時抓拍方式進行對比，3種方式抓拍獲得的農村供水站圖像見圖6。門磁開關方式見圖6（a），可以看到抓拍效果良好，開門時能夠抓拍到管理人員全身，同時只在關門時才進行第2次抓拍，實現(xiàn)1次開門或關門只抓拍1次的效果；移動偵測抓拍圖像見圖6（b），該方式一般情況下能夠抓拍到管理人員全身圖像，但是一次日常巡查管理拍攝圖像太多；定時抓拍圖像見圖6（c），該方式根據(jù)管理人員巡查時間設置抓拍時間，偶爾才能抓拍到開門圖像，大部分時間只能拍到緊閉的大門，無法獲取有效圖像，而且抓拍圖像同樣過多。通過圖6的對比，可知本文設計的基于門磁開關的圖像抓拍裝置的實際試驗效果良好。

圖6 農村供水站圖像抓拍效果圖

另外，對該裝置的防振動性能進行了測試，用明顯大于一般開門、關門的力量進行測試，同樣測試50次，測試結束檢查發(fā)現(xiàn)裝置未出現(xiàn)明顯移位，查看抓拍的圖像效果與之前并無兩樣，證明該裝置防振動性能良好，維護需求低，能夠滿足農村供水站日常管理需求。

5 結 語

隨著社會經濟的發(fā)展，國家對農村的各項工作越來越重視，特別是農村飲水安全建設、農村供水工程運行管理等方面投入巨大。農村供水站作為農村飲水安全建設、農村供水工程運行管理的關鍵組成部分，存在數(shù)量繁多、分布較散、地處偏遠、現(xiàn)場管理人員綜合素質低等特點[6-8]。結合農村地區(qū)運營商網(wǎng)絡信號不太穩(wěn)定以及流量資費高等原因，圖像監(jiān)控無法用實時視頻的方式來實現(xiàn)，采用無線圖像抓拍是比較好的方法。然而合適的抓拍方式是實現(xiàn)農村供水站監(jiān)管的重要一步。本文通過計算分析設計的基于門磁開關的農村供水站圖像抓拍裝置結構合理、成本低廉、安裝簡單、運行穩(wěn)定、抓拍效果良好、壽命長，維護需求低，在農村供水站的標準化建設和安全管理中具有較好的推廣價值。