遠程監(jiān)控報警系統(tǒng)在前兆無人值守臺站的應用

郭亞亞，張玉林，孫彭濤，任俊峰

(河北省地震局承德中心臺，河北 承德 067000)

隨著基礎設施建設步伐的加快，越來越多的行業(yè)通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)對無人值守設備進行管理。目前河北省地震前兆臺網(wǎng)無人值守臺站的管理均采用網(wǎng)絡攝像頭實時監(jiān)控，但需要人為定時查看場地現(xiàn)狀，如能實現(xiàn)對場地環(huán)境驟然變化時自動報警，可提高臺站的維護質(zhì)量和維護水平。本文對場地環(huán)境變化自動報警系統(tǒng)進行了初步探索，及時發(fā)現(xiàn)場地異常狀況，以加強對場地環(huán)境安全管理。

1 設計方案

本系統(tǒng)設計是將網(wǎng)絡攝像機的嵌入式操作系統(tǒng)用無線網(wǎng)絡適配器通過HTTP協(xié)議用獨立的IP地址把攝像頭與電腦相鏈接，系統(tǒng)經(jīng)過一定時間間隔(采用0.04 s為時間間隔)采集圖像數(shù)據(jù)，使用PSNR算法，將采集的圖像與設置的標準圖片進行對比，判斷圖像差異，如果圖像變化達到一定閾值則發(fā)出警示。

1.1 系統(tǒng)硬件設備

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

本實驗采用孔徑為4 mm的網(wǎng)絡攝像機一臺，并通過局域網(wǎng)與計算機終端相連(見圖1)。網(wǎng)絡攝像機通過獨立的IP地址和嵌入式操作系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)絡監(jiān)控的智能化，可以通過LAN、DSL連接或者是無線網(wǎng)絡適配器直接連接到網(wǎng)絡上(張莉，2012)。網(wǎng)絡攝像機首先采集圖像(這些圖像可以被視為由不同波段的光組成)，然后將圖像轉(zhuǎn)換成光電信號，隨之從模擬狀態(tài)轉(zhuǎn)換成數(shù)字模式，經(jīng)過壓縮處理后，傳輸?shù)骄W(wǎng)絡上(李廷軍，2004)。局域網(wǎng)由網(wǎng)絡硬件(包括網(wǎng)絡服務器、網(wǎng)絡工作站、網(wǎng)絡打印機、網(wǎng)卡、網(wǎng)絡互聯(lián)設備等)和網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)，以及網(wǎng)絡軟件所組成。計算機終端主要用于接收和查看圖像數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)采用MVC(即模型-視圖-控制器，model-view-controller)架構(gòu)，用業(yè)務邏輯、數(shù)據(jù)、界面顯示分離的方法組織代碼，分為控制模塊、界面模塊、數(shù)據(jù)獲取模塊、數(shù)據(jù)模型。系統(tǒng)中除繪圖模塊設計為界面模塊的子模塊外，其它模塊均在不同的線程運行，它們之間依靠消息傳遞來實現(xiàn)通信與交換數(shù)據(jù)(熊輝,2003)，基本構(gòu)成如圖2。(1)視圖部分(V部分)界面模塊和繪圖模塊屬于繪圖部分，主要用于系統(tǒng)UI界面，包括實時圖像、標準圖像界面以及更改標準圖像。(2)控制器部分(C部分)，即調(diào)度模塊，負責系統(tǒng)運行中邏輯跳轉(zhuǎn)與數(shù)據(jù)的傳送。(3)模型部分(M部分)，即圖像獲取設置，標準圖像設置，實時圖像與標準圖像對比，警告，系統(tǒng)支撐等，均由模型部分來完成的。數(shù)據(jù)模型，對各數(shù)據(jù)進行建模，實現(xiàn)對這類數(shù)據(jù)的存儲、解析、繪制等內(nèi)容。本系統(tǒng)圖像采集時間間隔為0.04 s，與設置的標準圖像進行對比，如果達到一定的閾值，即顯示警告信息。

1.3 開發(fā)環(huán)境

軟件開發(fā)環(huán)境如表1。

表1 軟件開發(fā)環(huán)境

1.4 程序算法及主要實現(xiàn)代碼

選取一張由網(wǎng)絡攝像機拍攝的正常無干擾狀態(tài)下的場地環(huán)境照片作為標準圖像，使用PSNR算法，將網(wǎng)絡攝像機每隔0.04 s拍攝的照片與標準圖像進行對比，判斷圖像差異，若圖像變化達到一定閾值，即視為場地環(huán)境發(fā)生變化，發(fā)出警示。PSNR是個使用“局部均值誤差”來判斷差異的最簡單的方法，假設有這兩幅圖像I1和I2，它們的行列數(shù)分別是i，j，有c個通道(鄭遠,2014)。PSNR公式如下:

每個像素的每個通道的值占用一個字節(jié)，值域[0,255]。每個像素會有1個有效的最大值，注意當兩幅圖像相同時，MSE值會變成0，這樣會導致PSNR的公式變得沒有意義。所以需要單獨處理這樣的特殊情況。此外由于像素的動態(tài)范圍很廣，在處理時會使用對數(shù)變換來縮小范圍(朱亞輝，2012)。PSNR算法簡單，檢查的速度也很快。本程序使用C++語言編寫，變換的C++代碼如下:

double getPSNR(const Mat& I1, const Mat& I2)

{

Mat s1;

absdiff(I1, I2, s1); // |I1 - I2|

s1.convertTo(s1, CV_32F); // 不能在8位矩陣上做平方運算

s1 = s1.mul(s1); // |I1 - I2|^2

Scalar s = sum(s1); // 疊加每個通道的元素

double sse = s.val[0] + s.val[1] + s.val[2]; // 疊加所有通道

if( sse <= 1e-10) // 如果值太小就直接等于0

return 0;

else

{

double mse =sse /(double)(I1.channels() * I1.total());

double psnr = 10.0*log10((255*255)/mse);

return psnr;

}

}

2 成果及應用

本系統(tǒng)軟件安裝于豐寧地震臺業(yè)務值班室的一臺電腦中，攝像頭安裝于距豐寧地震臺15 km外的達二營無人值守站點，通過地震局內(nèi)網(wǎng)連接電腦端與攝像頭。監(jiān)控設備直接對準儀器的指示界面，不僅能夠監(jiān)控到是否有人員進出儀器房，還可以對儀器面板的實時數(shù)據(jù)進行遠程監(jiān)控，具有易于實現(xiàn)、方便使用、低成本等優(yōu)點。系統(tǒng)界面見圖3，本圖的背景環(huán)境為辦公室。實驗中，隨意抓取一張監(jiān)控圖片作為標準圖像，實時采集圖像與標準圖像進行對比分析，如果實時圖像與標準圖像差別不足以達到相應閾值，即不報警，顯示為標準圖像，界面正常，見圖3(a)；反之，圖像與標準圖像之間存在超出閾值的變化，則顯示警告信息圖3(b)。2016年5月20日工作人員到達二營無人值守臺站進行巡檢，進入儀器房，導致監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)“警告?。?！”。許多無人值守臺站都比較偏遠，容易有蛇鼠等動物進入，對線路造成破壞，遠程監(jiān)控可以隨時了解機房的監(jiān)測環(huán)境。2016年7月28日，監(jiān)控系統(tǒng)再次發(fā)出“警告！??！”，經(jīng)查看是一只壁虎爬入監(jiān)控范圍。

圖3 監(jiān)控信息實時警示意圖

3 結(jié)論

本文提出的遠程監(jiān)控報警系統(tǒng)不僅能夠監(jiān)控工作人員進出儀器房的記錄，還可以隨時了解機房的監(jiān)測環(huán)境，保證監(jiān)測環(huán)境安全，提高無人值守臺站的維護效率。如將攝像頭直接對準儀器的指示界面，還可以對儀器面板的實時數(shù)據(jù)進行遠程監(jiān)控。由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，各站點都具有較好的寬帶網(wǎng)絡資源，方便遠程監(jiān)控系統(tǒng)的運行，具有易于實現(xiàn)、使用方便和成本低等優(yōu)點。但由于程序設計簡單，監(jiān)控圖像容易失真，如果攝像頭安裝在室外容易受到大風晝夜轉(zhuǎn)換。蚊蟲飛動等因素影響，會對報警系統(tǒng)產(chǎn)生一定影響。在未來優(yōu)化發(fā)展中，無人值守臺站，當系統(tǒng)報警時，還可以通過短信鏈路來實現(xiàn)短信通知，并對報警圖像進行存盤，以備值班工作人員查看。