基于遥测终端机的图像监测系统设计

熊启龙

（水利部淮河水位委员会水文局，安徽 蚌埠 233001）

基于遥测终端机的图像监测系统设计

熊启龙

（水利部淮河水位委员会水文局，安徽 蚌埠 233001）

为了解决偏远地区的图像监测问题，提出一种基于遥测终端机的图像监测系统设计方案。通过设计合理的供电系统方案，根据无线移动通信网络环境选择适当的链路传输模式，优化图片数据传输的效率，解决图像监测系统实际应用中所遇到的问题。

图像监测系统；2.5 G/3 G 移动通信网络；链路传输模式；多线程接收

0 引言

随着社会的不断进步、经济快速发展和信息技术的突飞猛进，水情自动测报系统在防汛抗旱中起到越来越重要的作用，传统遥测系统主要的采集参数都是以数字量进行展示，随着人们对信息展示的需求越来越高，图像化、视频化成为遥测站点新的需求和趋势，使得现场水情信息不仅仅能测得准，而且现场情况要能看得清。

水情自动测报系统很多遥测站点地处偏远山区、荒郊野外，有些站点仅能提供 2.5 G 的移动通信网络信号，铺设有线线路代价太高，因此，在这些地点应用传统的视频监控系统存在很大限制。鉴于此，通过遥测终端机采集现场图像，并利用 2.5 G/3 G移动通信网络传输到中心站，是对水情自动测报系统功能的很重要扩展，对遥测系统的多样化应用有着很重要的意义。

1 系统结构与设计

图像监测系统要实现的功能主要是将现场的图像采集后，通过移动通信网络将图片发送到中心站，因此，系统的功能定位为

1）图像监测和视频监控系统两者之间不是替代的关系，而是相互补充，在不适合建设视频监控的地方，图像监测站是一个很好的补充。

2）图像监测站和传统的遥测站点一样，适用在环境条件比较恶劣的场所，对系统供电和通信网络的要求不高。

3）图像监测站适用在有移动通信网络 2.5 G/3 G信号的地方。

4）图像监测站易于安装，建设投资少，维护简单，运行成本低。

图像监测系统由前端测站和中心站监控 2 部分组成，测站安装在需要拍摄图片的现场，中心站安装在管理机房[1]。

1.1 图像监测站部分

图像监测站部分由电源系统、摄像头、遥测终端机和通信模块组成。由于图像监测站适用在偏远地区，因此系统的各部分设计和传统的视频监控侧重点不同。

1）电源系统。由于图像监测站安装地点一般比较偏远，交流电一般得不到保证，因此，设计图像监测站的供电来源为太阳能。从功能逻辑上来分，系统电源部分由太阳能板、太阳能充电控制器和蓄电池组成，采用太阳能板将能量存储在蓄电池中，由太阳能充电控制模块控制蓄电池的充电和放电。

2）摄像头。由于遥测终端机的接口和性能限制，相比较传统的视频摄像头，图像监测站的摄像头要求有串行 RS-232/RS-485 通信接口，能通过该接口与遥测终端机相连进行信息交互，摄像头清晰度要达到 130 W 像素以上，分辨率最高能达到 1 280 ×1 024，具有夜视功能，图片存储格式一般为 JPEG格式。

3）遥测终端机。遥测终端机要求有 RS-232/ RS-485 通信接口，配置至少 4 MB 的 Flash 非易失存储器，用以暂存图片，同时要求遥测终端机自身功耗要比较低，集成度高。

遥测终端机要能同时支持 2 路摄像头，实现信号采集和传输。

4）通信模块。根据实际需要，通信模块要内嵌TCP/IP 协议栈，支持高速串口通信，支持休眠唤醒功能，支持标准 AT 指令，值守功耗要低。

1.2 中心站部分

中心站主要由服务器计算机和图像接收监控软件构成，服务器计算机需要接入互联网，并配置有1 个公网 IP 地址的 TCP 端口映射，图像接收监控软件通过该网络端口接收各图像监测站通过移动通信网络发送的图像数据包。系统结构如图1 所示。

由于图像监测站拍摄的 1 幅图像一般在 30 k～1 M 字节之间，分包发送，因此中心站图像接收监控软件要具有如下功能：

1）对 1 个图像监测站来说，1 幅图像不可能以1 包数据通过 2.5 G/3 G 移动网络发送完成，要分成数包数据进行发送，因此中心站图像接收监控软件要具有能接收到多个图像分包，并能将多个分包数据拼装成 1 幅完整图片的能力。

2）对于整个系统多个图像监测站来说，在同一时刻，有多幅图像同时向中心站发起数据传输，每个监测站的图片都是分包传输的，因此中心站要有能分辨每个数据包属于哪幅图片，以及多个分包能拼装成多幅完整图片的能力，并能将多幅图片分类保持在服务器硬盘上。

3）能显示每个图像监测站的状态信息，包括系统电压、太阳能充电电压、GSM MODEM 手机信号场强、最后 1 幅图片的发送接收时间、现场温度等。

4）具有对接收的实时和历史图片分类检索查询的能力。

1.3 终端机及整机功耗

根据以上设计，综合考虑图像监测站的性能，选择 WATER-YDH-2000D 遥测终端机作为图像监测站主控设备，该遥测终端机内嵌容量为 8 MB 的Flash 存储器，内嵌 GSM Modem 通信模块和太阳能充电控制电路，有 3 个独立的 RS-232 串口和 1 个RS-485 串口，该机采用直流 12 V 供电，整机功耗在系统休眠状态下（GSM Modem 常开），值守电流 3～5 mA，支持休眠唤醒功能。

遥测终端机 WATER-YDH-2000D 通过 RS-232/ RS-485 接口与摄像头相连，摄像头电源由终端机控制，当需要拍摄图片时，将摄像头上电，等待其稳定后，发送命令拍摄和获取图片数据，完成后，将摄像头断电，以节省功耗。

与普通的水情遥测站相比，由于图片检测站的传输数据量很大，因此传输过程要长很多，功耗比普通水情遥测站大。

遥测终端机 WATER-YDH-2000D 集成度高，自身功耗比较低，大部分能量都消耗在发送任务上，根据实际功能，考虑到用电功率、续航时间、日照时间等现场环境状况，为每个图像监测站配置 1 块40 W 太阳能板和 1 块 65 A•h 蓄电池，可以使 1 个图像监测站在连续阴雨极端天气下，每天平均发送10 张图片，连续工作超过 14 d[3]。

2 图像传输

2.1 图像传输设计

与传统遥测站点数据传输不同，图像监测站传输的数据量要大很多，对通信的要求高，因此其数据传输需要针对这一特点进行优化。以 GPRS 信道为例，图像监测站发起 1 次 TCP 通信，传输 1 幅100 k 字节大小图片，不可能 1 次将数据全部发送中心站，而是采取“分包传输”。遥测终端机在采集完成 1 幅图片后，等分成数包数据，与中心站建立链接后，分批次将每包数据发送到中心站。

经过测试发现，GPRS 信道空中传输速率受电磁环境、天气变化、在线用户数量等多种因素的影响，是可变的，因此制约数据传输的瓶颈在于 GPRS数据空中传输；同时由于在多包数据的传输过程中，有可能会在中间出现异常导致某一包数据传输失败，需要再次与中心站建立连接进行重传；因此为了提高系统的传输效率，根据《水文检测数据通信规约》规定，报文传输链路模式选择采用 M3 多包发送/单次确认传输模式，也就是终端机将 1 幅图片连续分包发送，中心站在正确接收到全部数据包后，仅仅回答 1 次“确认”报文[2]，如果采用 M2 发送/确认传输模式，终端机每发送 1 帧图片数据包，中心站返回 1 帧“确认”报文，会浪费 1 次数据往返的时间，单计算每包数据传输浪费的时间很小，但是多次报文传输占用时间累加起来，就会出现“时间泡沫”，极大地降低传输效率。

遥测终端机 WATER-YDH-2000D 共有 2 个主要任务：“拍照任务”和“发送任务”。当需要拍照时，终端机启动“拍照任务”，通过串行 RS232/RS485 通信接口控制串口摄像头拍摄和获取照片，并保存在内部 Flash 存储器中；在获取第 1 帧图片数据后，“发送任务”开始启动，将 GSM MODEM 上电，拨号与中心站建立 TCP 链接，从 Flash 中将 1 帧图片数据取出，发送到中心站。由于“拍照任务”获取数据包比“发送任务”发送数据包速度要快，因此这2 个任务能协调一致，类似“流水线”模式，在获取图像数据的同时，暂存后再发送出去，即使发送失败，也会在下一次继续发送。

2.2 中心站图片接收

中心站图片接收监控程序负责图片数据的接收，当 1 个图片检测站发起 TCP 链接时，接收监控程序要为该 TCP 链接创建 1 个独立的进程，以处理该监测站图片发送接收任务，此进程为该任务所独占。当接收图像完成后，按照序号将分包数据拼装成 1 幅图片，保存在硬盘或者数据库中，任务完成后，系统销毁该进程以释放资源[4]。主要特点如下：

1）为每 1 个图像监测站发送数据链接创建 1 个单独的进程，保证了 1 幅图片分成多个数据包发送，中心站接收后，能正确拼装成 1 幅图片。

2）当多个图像监测站同时发送图片数据到中心站，为每 1 幅图像接收单独创建 1 个进程，保证了每 1 幅图片都能正确接收，不会出现分包数据混乱的状况。

3）中心站图像接收的进程是动态创建的，接收任务完成后，立即销毁，以释放资源。

2.3 定时和远程抓拍功能

图像监测站的运行体制采用自报式工作体制[2]，并增加有远程抓拍图片功能。图像监测站每天定时将现场图像发送到中心站，上报次数可调，可以设置为每天 1，2，3，6，8，12 或 24 次。

由于遥测终端机优异的性能及丰富的接口，同时还可以通过以下方式实现远程抓拍图像功能：

1）通过发短信到测站进行图像抓拍；

2）通过远程电话振铃进行图像抓拍；

3）通过遥测终端机 LCD 菜单和按键操作实现图像抓拍；

4）通过触发遥测终端机按钮实现图像抓拍（中断触发）。

3 图像监测系统应用与完善

3.1 系统应用

2014 年 4 月，图像监测系统在安徽省山洪灾害防治非工程措施监测预警系统中投入应用，共建设8 个图像监测点，安装地点涵盖了水库、大坝、河流等偏远地区。现场摄像头图像分辨率设置为 1 280× 1 024，现场运行的图像监测站每天定时 24 次上报，同时根据需要，管理员不定时抓拍现场图像，从实际运行情况看，图像监测站上报图片正常，供电设计达到要求，实现了预期的设计目标。

由于中国移动和中国联通支持的 2.5 G 通信制式是相同的，因此在偏远地区选择手机信号比较强、本地用户数相对比较少的服务商，可以极大的提高整个系统的图像传输效率。

3.2 系统完善

实际应用中发现，有些站点摄像头距离遥测终端机安装处距离比较远，如果铺设有线线路连接摄像头和遥测终端机代价成本比较高，因此在原有系统实现功能的基础上，考虑采用“无线短传”方式实现图像数据的近距离无线传输，无线传输距离在 4 km以内，图像短传结构示意图如图2 所示。在原有系统的基础上，需要完善如下功能：

1）摄像头安装点配置 1 套安装有无线通信电台的遥测终端机，图像采集功能和体制与普通图像监测站一样，采集完成后，通过超短波信道发送至图像监测站主站。

2）图像监测站主站增加配置 1 台无线通信电台，用以接收通过超短波信道发送的图像数据，接收完成后，再通过 2.5 G/3 G 移动通信网络传输至中心站。

采用这种“无线短传”方式，可以不受空间和地域的限制，减少布线所带来的巨大工作量，保证传输的稳定、可靠、及时。

4 结语

基于遥测终端机采集传输现场图片，可以有效地扩展遥测系统的应用范围，其在继承遥测系统低功耗、稳定可靠性高、安装地点偏远等一系列优点的基础上，根据图像采集传输独有的特点，采取的一些特有的措施，特别是在基于移动通信网络进行大数据量传输方式上作出的实践性探索，在目前的移动通信网络条件下，有着很重要的现实意义。

[1] 江玉才，余阳，瞿杨继，等.水资源智能视频监控系统设计[J].水利信息化，2014 (3): 55-59.

[2] 中华人民共和国水利部.SL651-2014 水文检测数据通信规约[S].北京：中国水利水电出版社，2003: 8-11.

[3] 中华人民共和国水利部.SL61-2003 水文自动测报系统技术规范[S].北京：中国水利水电出版社，2003: 8-9.

[4] 熊启龙.基于 Indy 控件的遥测中心 GPRS 数据接收软件应用[J].水利信息化，2012 (5): 49-52.

Design of Image Monitoring System based on Remote Terminal Unit

XIONG Qilong

(Hydrological Bureau of the Huaihe River Commission, Bengbu 233001, China)

In order to solve the problem of image monitoring in remote areas, this paper proposes a design scheme of image monitoring system based on a telemetry terminal.By designing reasonable scheme of power supply system, selecting appropriate link transmission mode based on wireless mobile communication network environment, the system can optimize efficiency of image data transmission and solve problems encountered in practical application of image monitoring system.

image monitoring system; 2.5G/3G mobile communication network; link transmission mode; multithread receive

TP873；TN929.5

A

1674-9405(2014)06-0069-04

2014-04-18

熊启龙（1979－），男，安徽临泉人，高级工程师，主要从事水利水文自动化和水文自动测报系统的研发、管理和应用维护工作。