微功耗高清信息采集系統(tǒng)在ITS中的應(yīng)用

摘要：微功耗高清信息采集系統(tǒng)在ITS（智能交通系統(tǒng)）中有著廣闊的應(yīng)用前景。首先描述了微功耗高清信息采集系統(tǒng)的使用場(chǎng)景，其次對(duì)系統(tǒng)的組成、技術(shù)特點(diǎn)、性能優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了闡述，隨后對(duì)微功耗高清信息采集系統(tǒng)的應(yīng)用情況進(jìn)行發(fā)舉例分析，最后對(duì)微功耗智能電池監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：微功耗高清信息采集系統(tǒng);電池監(jiān)測(cè);ITS（智能交通系統(tǒng)）

中圖分類(lèi)號(hào)：U491.5;TP391.41? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）03-0048-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.03.014

0? ? 引言

傳統(tǒng)的視頻監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，都集中在城鎮(zhèn)以及其他方便取電和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膮^(qū)域，已經(jīng)初步形成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘的運(yùn)算體系，為城市交通、居民消費(fèi)、市政設(shè)施和城市管理等做出了積極的貢獻(xiàn)。但是，這些數(shù)據(jù)采集僅限于城鎮(zhèn)，城鎮(zhèn)以外廣闊區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)匱乏，使人工智能和大數(shù)據(jù)服務(wù)無(wú)用武之地。本文介紹的微功耗高清信息采集系統(tǒng)讓數(shù)據(jù)采集不再受環(huán)境限制，能夠更主動(dòng)、更廣泛、更深入地獲取豐富的數(shù)據(jù)。

1? ? 微功耗高清信息采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，微功耗高清信息采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)主要包括三部分：前端監(jiān)控設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)和中心平臺(tái)。其中，前端監(jiān)控設(shè)備主要由微功耗云臺(tái)高清攝像機(jī)、小功率（60 W）太陽(yáng)能電池板和一體化控制主機(jī)組成;傳輸網(wǎng)絡(luò)主要設(shè)計(jì)采用運(yùn)營(yíng)商的4G或5G通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)將視頻信號(hào)傳輸?shù)焦芾碇行?中心平臺(tái)主要由視頻分析、識(shí)別、管理軟件及配套的服務(wù)器和存儲(chǔ)硬件組成。

2? ? 微功耗高清信息采集系統(tǒng)前端

如圖2所示，微功耗高清信息采集系統(tǒng)前端主要由微功耗云臺(tái)高清攝像機(jī)、小功率（60 W）太陽(yáng)能電池板和一體化控制主機(jī)組成。

其中，微功耗云臺(tái)高清攝像機(jī)主要負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)視頻信息，其功能組件如圖3所示。

微功耗高清IPC部分采用200萬(wàn)/300萬(wàn)像素CMOS圖像傳感器;匹配20/30倍光學(xué)變倍的自動(dòng)和手動(dòng)對(duì)焦鏡頭，快門(mén)速度為1/30 000～1/3 s;用于實(shí)現(xiàn)彩色圖像采集環(huán)境下≤0.05 Lux@F1.6低照度性能并支持日夜轉(zhuǎn)換功能。微功耗全方位智能云臺(tái)采用PELCO-P/D協(xié)議3D智能云臺(tái)解碼器，預(yù)置位為255，支持巡視軌跡、花樣掃描、水平掃描、自動(dòng)掃描等。視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)為H.264/H.265/M-JPEG，最大分辨率為1 920×1 080@H.264/M-JPEG，圖像最大幀率為25 fps（PAL）、30 fps（NTSC），固定碼率為256 kb/s～4 Mb/s或可變碼率，碼流種類(lèi)為主碼流、副碼流和第三碼流。通信接口為10/100M Base-T自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，支持組播（多播）功能，平臺(tái)協(xié)議為ONvif/GB 28181—2011/2016。由于微功耗高清IPC部分采用微功耗技術(shù)，該部分平均功率不大于2 W，只有一般高清IPC的1/10，配合智能主控一體機(jī)，即使是在無(wú)任何供電電源的場(chǎng)合也能實(shí)現(xiàn)視頻輸出15天。

智能主控一體機(jī)按功能可劃分為蓄能控制模塊、充放電管理模塊和傳輸模塊三部分，如圖4所示。其中，蓄能控制模塊以工業(yè)鋰電池組為主，容量36～72 Ah可選配，采用合理嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟季趾屯晟频亩嘀乇Ｗo(hù)功能，保證蓄能控制模塊的各個(gè)組成部分在惡劣條件下仍具有良好的工作狀態(tài)，在太陽(yáng)能電池板供電的條件下，該系統(tǒng)能夠全年不間斷工作。充放電管理模塊能夠高效地將太陽(yáng)能板的電能轉(zhuǎn)化到蓄能電池組中，具備多重充放電保護(hù)，包括過(guò)充、過(guò)放、短路、超載和超溫等保護(hù)，保證了蓄能模塊的長(zhǎng)壽命以及蓄能控制模塊的經(jīng)久耐用，并能高效地為各個(gè)部件分配電能，提供穩(wěn)定可靠的內(nèi)部供電環(huán)境;同時(shí)，該組件具有一鍵電量、電壓顯示和一鍵安全放電功能，方便在安裝和維護(hù)過(guò)程中保障蓄能模塊的安全。傳輸模塊主要采用4G或5G模組實(shí)現(xiàn)高清攝像機(jī)視頻信息的數(shù)據(jù)傳送，也可以根據(jù)用戶的需要采用光纖或數(shù)字微波方式。這三部分模塊有機(jī)地集成在一個(gè)整體單元中，形成高度集成的集蓄能、控制和傳輸于一體的智能化控制設(shè)備。

該組件在設(shè)計(jì)上采用MPPT智能高效充放電控制技術(shù)，陰雨天也可以充電;采用TI專用充放電管理芯片，將充電、放電和使用過(guò)程中的電量轉(zhuǎn)換效率提高到95%，再小的電量都能夠存儲(chǔ)和供應(yīng)。同時(shí)，采用BMS框架標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合光伏供電的特點(diǎn)，應(yīng)用自主研發(fā)的智能均衡技術(shù)，延長(zhǎng)模塊的壽命，提高其環(huán)境適應(yīng)能力。另外，使用新能源動(dòng)力的電量回收技術(shù)，將云臺(tái)運(yùn)行中極小的反向能量轉(zhuǎn)化回收存儲(chǔ)，提高微功耗設(shè)備的續(xù)航能力。在工業(yè)化生產(chǎn)方面，采用絕熱效果最好的氣凝膠保溫層，對(duì)電池組的6個(gè)面進(jìn)行無(wú)縫保護(hù)，同時(shí)采用動(dòng)態(tài)恒溫的控制方式，讓每個(gè)鋰電池的溫度都保證均衡，處于完全的充放電環(huán)境中，有利于延長(zhǎng)模塊的使用壽命;并采用一體化防撞防沖擊內(nèi)架，能夠保證蓄能模塊在沖擊和碰撞的條件下不發(fā)生意外，配合主控一體機(jī)上的“安全放電”按鈕，保證了存儲(chǔ)、運(yùn)輸和使用過(guò)程中不會(huì)對(duì)蓄能模塊有影響。

3? ? 傳輸網(wǎng)絡(luò)

傳輸網(wǎng)絡(luò)主要設(shè)計(jì)采用運(yùn)營(yíng)商的4G或5G通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)將視頻信號(hào)傳輸?shù)焦芾碇行?，并接收管理中心下發(fā)的調(diào)焦、轉(zhuǎn)向、雨刮運(yùn)行等控制命令。在有特定需求的情況下，也可采用光纖或數(shù)字微波傳輸?shù)姆绞健?/p>

4? ? 中心平臺(tái)

中心平臺(tái)主要由視頻分析、識(shí)別、管理軟件及配套的服務(wù)器和存儲(chǔ)硬件組成。其主要作用是對(duì)前端傳送過(guò)來(lái)的車(chē)輛運(yùn)行視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行行為分析與識(shí)別，準(zhǔn)確判斷在定向車(chē)道管理區(qū)域內(nèi)行駛的車(chē)輛是否存在違法行為，若發(fā)現(xiàn)相關(guān)違法車(chē)輛，則對(duì)車(chē)輛相關(guān)信息（如車(chē)牌號(hào)碼、號(hào)牌顏色、車(chē)輛類(lèi)型、車(chē)身顏色、車(chē)輛品牌等）進(jìn)行提取，并上傳給交通管理的執(zhí)法平臺(tái)。同時(shí)，中心平臺(tái)還具備對(duì)設(shè)備的管理和控制功能，能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的登記、操控、監(jiān)測(cè)、刪除等的應(yīng)用。圖5為使用微功耗高清信息采集系統(tǒng)采集的違章車(chē)輛合成信息。

5? ? 智能電池監(jiān)測(cè)技術(shù)

電池動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試如圖6所示。根據(jù)圖6（a）可知，當(dāng)電池容量低于80%時(shí)，電池不可用;當(dāng)每次放電深度為10%時(shí)，電池的循環(huán)壽命高于9 000次;當(dāng)每次放電深度達(dá)25%時(shí)，電池的循環(huán)壽命低于3 500次。因此，每次放電深度越低，電池循環(huán)壽命就越長(zhǎng)。

結(jié)合光伏供電的特點(diǎn)，該系統(tǒng)前端采用智能電池監(jiān)測(cè)技術(shù)（監(jiān)控器），監(jiān)控器有助于監(jiān)測(cè)計(jì)準(zhǔn)確測(cè)量各種化合物（如鋰離子、磷酸鐵鋰和鎳氫）的荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)，在每個(gè)單獨(dú)的電池上實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步測(cè)量，可實(shí)時(shí)提供電池電壓、溫度和電流的精確讀數(shù)，精確的監(jiān)控可提高電源使用效率，從而延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間并減小電池尺寸和降低電池成本。系統(tǒng)還集成了噪聲濾除功能，無(wú)須外部噪聲濾除即可提高測(cè)量完整性和精度，改善通道間測(cè)量同步并縮短所有測(cè)量值返回主機(jī)的時(shí)間，具有集成式可編程保護(hù)功能的監(jiān)控器可全面控制電壓、電流和溫度，自動(dòng)觸發(fā)保險(xiǎn)絲和板載診斷功能，從而實(shí)現(xiàn)出色的系統(tǒng)性能，延長(zhǎng)模塊壽命，提高其環(huán)境適應(yīng)能力。

該系統(tǒng)前端設(shè)計(jì)的蓄能模塊每天放電深度<6.6%，比10%放電深度線更為平坦，如圖6（b）所示，根據(jù)積累的數(shù)據(jù)和趨勢(shì)推測(cè)，循環(huán)放電9 000次以后的容量仍然大于90%，按每天一次6.6%的放電深度來(lái)推算，9 000次循環(huán)壽命，合計(jì)約24年，還能保持90%的容量。

6? ? 結(jié)語(yǔ)

本文所述微功耗高清信息采集系統(tǒng)在ITS中有著廣闊的應(yīng)用前景，本系統(tǒng)與市場(chǎng)現(xiàn)有的監(jiān)控設(shè)備相比，減少了實(shí)施中的很多環(huán)節(jié)，例如無(wú)須敷設(shè)專用管道，無(wú)須專用市電接入等，無(wú)須光纖通信接入等，設(shè)備安裝極其簡(jiǎn)化，設(shè)備的維護(hù)、拆卸和位移都非常便捷，同時(shí)先進(jìn)的微功耗及蓄能控制技術(shù)還能保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定的不間斷工作。

收稿日期：2021-11-04

作者簡(jiǎn)介：成晟（1979—），男，江蘇南京人，高級(jí)工程師，研究方向：嵌入式開(kāi)發(fā)、智能交通信息化。