基于低功耗图像采集的蓝藻在线监测装置

2011-04-02胡明东陈向飞

东北水利水电 2011年8期

胡明东，黄磊，陈向飞，王磊

（1.南京南瑞集团公司，江苏南京 210003；2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京 210003）

随着工业化进程的进一步加大以及人们环保意识的淡薄，世界各地的内陆水库、湖泊都相继出现了蓝藻大规模暴发的事件。据文献记载，世界上最大规模的蓝绿藻水体暴发于1991年发生在澳大利亚达令河系，绵延1 000 km以上，花费了上亿美元的治理，收效甚微。太湖蓝藻暴发，在历史上已有多次，但2007年5月底太湖无锡流域突然大面积蓝藻暴发，供给全市市民的饮水源也迅速被蓝藻污染，现场虽然进行了打捞，无奈蓝藻暴发太严重而无法控制，遭到蓝藻污染的、散发浓浓腥臭味的水进入了自来水厂，然后通过管道流进了千家万户，其造成的社会影响是全国历年所有湖泊蓝藻事件所无法比拟的。因此，对蓝藻生长程度进行在线实时监测具有深远意义。

1 常见蓝藻监测技术及其缺陷

为把握水质状况，我国每年都要在太湖实地检测水质，这种人工采样、过滤、萃取的监测方法对于大区域的水环境监测而言极费人力、物力和时间，也不可能对全湖水质分布作全面的调查。目前应用较多的是采用卫星遥感监测技术进行蓝藻监测，该方法监测范围广、速度快、成本低，且便于长期动态监测，因此在各气象局得到了较为广泛的应用。然而采用卫星监测蓝藻也有一定的局限性，只能拍摄大体的蓝藻分布图，无法得到清晰的蓝藻实况图，卫星每隔8 d才绕过太湖区一次，而且在阴天的时候，卫星可能什么图像都拍不到。太湖流域管理局还结合人工巡查拍摄图片和手机彩信的方式实现了一定的太湖蓝藻实时监测，但这种方式费时费力。

本系统采用实时拍摄图像并通过CDMA或GPRS信道远程传输到中心站的方式对蓝藻进行在线监测，具有直观有效的特点。

2 基于低功耗图像采集的蓝藻在线监测装置

在线监测装置集成方式如图1所示。监测装置采用南京南瑞集团公司的ACS300-MM数据采集器作为核心低功耗采集控制器，ACS300-MM控制图像编码器将摄像机输出的视频信息压缩处理为JPEG格式的文件，将采集的图像文件转存在内部FLASH中，并根据需要通过GPRS或CDMA信道将JPEG文件传送到远程中心站。

该系统的主要特点如下：

1）系统采用太阳能/交流电+蓄电池浮充供电工作方式。采用24 Ah蓄电池时，系统可保证30 d无日照或交流停电时稳定可靠工作。

2）支持定时抓拍、远程抓拍等多种取图方式。

3）象素可根据现场需求提供30，100，200W等各种清晰度级别。

图1 低功耗图像在线监测装置集成方式

4）图像分辨率支持 160×120，320×240，640×480，1 024×768等，可现场设置，也可远程设置。

5）图像采集频率与发送频率可分别设置。

6）系统最多可以接入四路摄像机，从而满足同一地点不同方位的图像监测；系统还可以配置云台实现摄像机的控制，从而满足360°全方位图像监测。

7）系统可增加水位、雨量等传感器，从而实现水文与蓝藻信息一体化观测。系统还可根据蓝藻生长特点结合水文信息，实现智能化按需观测（如水位较高时蓝藻不容易爆发，此时可适当降低图像采集与传输频率），减少不必要的图像传输，从而在满足监测需求的前提下节省通信费用，并进一步降低系统功耗。

8）在通讯发生异常能存储在本地保存大于80张现场照片（分辨率为640×480），通讯恢复后，能自动重新上传到远程中心站。

9）提供USB HOST接口，现场保存的图像文件还可以通过U盘导出。

10）系统提供远程程序升级功能，用户可以不用去现场就可以方便地实现应用系统升级。

11）针对在GPRS/CDMA等带宽有限的信道条件下进行大数据量的图像文件传输，系统优化设计了远程文件传输协议，在做到稳定、可靠、快速传输文件的同时，降低了对信道带宽的要求。

3 关键技术及难点

3.1 低功耗设计

由于蓝藻在线监测装置一般沿湖安装，绝大部分安装点没有有效的交流供电，基本采取太阳能+蓄电池浮充供电的工作方式，为了降低系统中的蓄电池容量和太阳能板功率，方便系统安装与维护，降低系统成本，在线监测装置的功耗是系统设计的关键性指标。

在线监测装置的低功耗设计主要体现在3个方面：

1）采用低功耗采集控制器。采用的ACS300-MM静态功耗仅为 50 uA，因此非常适用于太阳能+蓄电池浮充供电的工作方式。

2）通过低功耗采集控制器实现摄像机、图像编码器的供电与采集的本地与远程控制。

3）GPRS/CDMA通信终端采用 MODEM 模块，模块平时处于掉线状态（功耗仅为10 mA），只有在需要传输图像文件（主动上报或远程抓拍图片）时才通过拨号上线（功耗约为30 mA），从而使系统静态功耗降低了60%。此外，通过这种方式实现的GPRS/CDMA数据传输系统还具有占用信道带宽少、通信费用低、通信方式灵活的优点。

3.2 图像文件在窄带信道中的快速可靠传输

为了在GPRS/CDMA等窄带信道中传输较大的图像文件，监测装置将图像文件分成了若干个适应于窄带信道传输的分包，从而降低了系统对传输信道的要求。

由于GPRS/CDMA无线通信系统及网络数据传输的特点，数据传输会有一定的延时，如果采用传统的可靠文件传输方式，文件传输时间过长，从而势必增大图像传输失败的概率。为了降低信道延时对多包数据传输带来的延时累积问题，监测装置设计了以UDP传输协议为基础的图像文件传输控制协议。其工作流程如图2所示。

首先，监测装置通过向远程中心平台发送图像传输请求,一方面建立可靠通信通道，另一方面将文件传输的总包数、每包的大小及其它图像相关信息告知远程中心平台。可靠通道建立后开始文件传输，装置一次性将所有文件分包（包含了包序号信息）传输至远端，远程中心平台根据收到的总包数和包序号重新组包，并进行查缺补包，一方面实现了图像文件在窄带信道中的快速传输，另一方面保证了图像文件传输的可靠性。

采用这种文件传输方式，解决了信道固有的数据延时问题，将整个文件的数据传输延时缩短为一个文件包的传输延时，协议同时设计了补包流程和超时流程，从而解决了文件传输高效和可靠之间的矛盾。