基于无线网桥的“枪球联动”水文监测系统

陈 愚，冷建伟，沈芳婷

（1.天津中德职业技术学院 天津300350；2.天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室 天津300384；3.天津理工大学 自动化学院，天津300384）

基于无线网桥的“枪球联动”水文监测系统

陈 愚1，冷建伟2，沈芳婷3

（1.天津中德职业技术学院 天津300350；2.天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室 天津300384；3.天津理工大学 自动化学院，天津300384）

针对野外河流水文监测的恶劣工作环境，及对现有的运用无线传感器传输河流湿度、温度等数据的不直观的改进，一种基于嵌入式Linux的水文监测系统被提出。该系统基于B/S架构系统，前端摄像机采用"枪球联动"系统，用户可依据需求定时通过无线网桥采集视频图像数据，实现了全天不间断地监控，不仅减少了人力资本的投入，直观地得到现场视频图像和数据，而且缩短了河道突发事件的发现和排除时间，切实提高了工作效率和管理水平。

无线网桥；枪球联动；嵌入式；水文监测；采集存储

随着信息技术的不断发展，水文监测系统向信息化方向的迈进越来越重要，它集成了无线传感技术，数字信息的采集、存储、传输、处理等技术[1-2]。在近几年的研究中，我国的科学家及研究学者已经陆续提出了基于无线网络传输或基于卫星的远程水文监测方式，将河道流域架设的传感器所接收到的数据传输至用户机中，不仅节约了人力资本，并且大大地提高了防汛及水利调度的效率，减小了洪涝灾害发生的可能性。但现有的传输方式成本过高，且野外环境复杂多变，不仅信号稳定性差，甚至在某些空间接收不到GPRS网络信号，影响数据采集的实时性，并产生无法估量的严重后果。

文中所采用的方案则是通过无线网桥，结合现场摄像头的“枪球联动”系统，将监测现场的实时影像传输到控制室，采用图像识别的方法，得到现场的相关数据组，不仅可以直观的看到现场环境情况还能采集数据进行分析。将现场高质量视频通过无线网桥来传输，这一传输方式在5.8 G的免申请无线执照的频段可以实现“零资费”传输，从长远角度考虑，大大降低了成本。视频监控系统的监控管理机制主要是通过对监测现场的视频图像的采集、调用，录像、回放所实现的[3]，运用搭载了Linux嵌入式系统的ARM板作为数据处理核心器件，管理维护人员能够在第一时间知晓现场所发生的特殊情况，控制前端摄像机姿态，跟踪并持续捕捉特写，从而有效地做出快速反应，同时也可以记录事件发生的全过程，对影像资料及数据进行备份，提高管理效率，是一种有效的安全管理的辅助手段。

1 系统硬件的搭建

系统硬件搭建示意图如图1所示。

1.1 “枪球联动”的采用

前端现场的视频采集过程借助于无线网桥传输。摄像头采用“枪球联动”系统进行监测，其中所采用的枪型摄像机为海康威视DS-2CD2T20FD-I3红外网络摄像机，负责全景监控；球型摄像机为海康威视DS-2DE4220IW-D智能球型摄像机，负责在锁定目标后继续捕捉跟踪。这两款摄像机内置视频编码器完成A/D转换，通过网线将数字视频码流传输至网络硬盘录像机（Network Video Recorder，简称NVR），NVR内置有ARM芯片处理器及存储器，可以对视频数字信号进行存储、管理，并且可以控制视频图像的观看、浏览和回放（NVR可以同时管理多个网络摄像机，只需将摄像机连接至交换机，再由交换机将信号传输至NVR即可）。由于无线传输信道带宽有限，需要采用先进的视频压缩技术，减小信号带宽，节省无线资源，压缩后的数字信号再通过配合具有以太网输出功能的编码器，传送到无线网桥的传输系统中，实现与无线网桥的连接[4-5]。

图1 系统硬件搭建示意图

河道边现场的视频采集设备由摄像机（“枪球联动”系统）、无线网桥、防护罩、支架等组成。由于现场环境恶劣，风吹日晒、湿度大，整个系统应结构简单，更要保证系统可靠地长期稳定工作。为摄像机、网桥等一系列相关设备增加防护罩不仅可以减小自然因素的侵蚀，也增加了设备的防盗系数，降低财产损失的概率。

采用“枪球联动”系统后，不仅解决了布控死角和设备防盗的问题，还降低了摄像头费用的支出。“枪球联动”系统通过对接收图像的识别，配合数字图像处理算法，在全景监控的同时，可以对监控范围内的移动目标进行单独的跟踪特写和细节特征捕捉，大大提高了监控系统的实用性和防盗功能，提高整个水文监测系统的效率。“枪球联动”系统采用视频跟踪和图像分析算法，不仅在场景上能“看的全，看的清”而且能够更高效的对可疑事件和可疑人群或个体目标进行捕捉报警，从而弥补人为监控中的漏报现象[6]。控制室的用户机中有存储目标信息的数据库，包括全景图像的录像资料、锁定目标的运动录像。本设计中，根据运动目标与摄像机的距离，划分出普通警戒区和重点警戒区，而当有运动目标出现在警戒区内时，自动跟踪模式开启，并对目标开始记录，用户则可以在自动跟踪的模式下手动干预，从而得到更符合用户需求的影像资料。“枪球联动”系统监测意图如图2所示。

1.2 无线网桥的搭建方案

文中水文监测系统的设计，是将摄像机放在野外河道边，控制室则位于山林外的市郊基地，两点间直线距离超过15 km，期间的自然条件恶劣、环境复杂。但是，我们需要在这两个点间建立通信链路来传输实时监控视频信号，并对传输的数据实施存储和控制，在如此恶劣的自然条件下，采用基于微波扩频技术的无线网桥是最佳选择。无线网桥是以空气为介质，借助电磁波无线传输信号的，这一技术的应用可以使整个系统的安装周期缩短、维护更加方便、扩展性能增强，同时使信息的传输摆脱线缆，速度更快，基本不受复杂的地理环境影响，并且无线网桥技术的开发已经相对成熟，传输设备可靠，由于具有较宽的传输带宽，其传输的图像质量也非常好。

图2 "枪球联动"系统监测示意图

虽然无线网桥的功率大，本方案所采用的设备最大传输距离可达约30 km，但无线网桥的信息传递是依靠电磁波的发射和传播，遇到障碍物时（如山峰）电磁波无法穿透，亦不可能实现无线网络点对点（PTP）的传输，此时，我们就需要在监测点和控制室两点间建立中继站，更改路径，转变为中继方式“间接传播”，增加无线网络的接收和发射点，增大了整个系统的可行性和可靠性，并且通信节点之间传输链路应具有恒定而充足的带宽，保证链路在任何时候都能承载大流量的视频信号流。

在无高大障碍的条件下，一对组网的作用距离取决于环境和天线。一对27 dBi的定向天线可以实现10 km的点对点微波互连；12 dBi的定向天线可以实现2 km的点对点微波互连[7-8]。通过对实际环境的考察，本设计方案中需要建立4个中继站，从而实现稳定的信号传输，其搭建示意图如图3所示。通过无线网桥发射和接收无线信号，河道边的摄像机所摄得的图像通过无线局域网共享至控制室的客户机中，再利用远程图像控制软件，将图像界面完全复制传输到客户机上[9]。

图3 视频网桥搭建方案示意图

由于视频网桥系统建立在野外，供电方式也需要仔细研究。无线网桥的设备支持有源以太网（POE）供电，网线在传输视频信息的同时，也可为无线网桥供电。无线网桥的发射端在河岸边，日光充足，所以决定采用太阳能结合风能蓄电池发电的方式为现场的摄像机、NVR供电，再由NVR与无线网桥发射端相连的网线实现为无线网桥发射端POE供电。但现场的中继器均采用无线方式接收发射信号，使用POE供电不符合实际情况。然而为了接收到更好的信号，中继器都建立在山峰最高处，也是太阳能、风能接收的最佳位置，遂决定采用太阳能结合风能蓄电池发电的方式为4个中继器站点直接直流供电。接收端则与PC网线连接，利用POE供电。

2 视频图像的处理及对摄像机的控制

2.1 嵌入式系统对视频图像的处理

本系统中所采用的枪机为海康威视DS-2CD2T20FD-I3，其分辨率为1 920×1 080，采用RGB三通道输出，若灰度级取256级，则每一帧图片大小为1 920×1 080×24=49 766 400（bit），另外，该摄像机的视频图像刷新速度为24帧/s，那么每秒的信息量是49 766 400*24＝1 194 393 600（bps），或约为1 194 Mbps。同理，海康威视DS-2DE4220IW-D智能球型摄像机的分辨率为1 280×720，则其每秒信息量约为530 Mbps。而经过测试，无线网桥点对点测试带宽可达80 Mbps以上，信号衰减非常低，为使系统满足百万高清摄像机的传输和无线网络桥接等应用需求，采用H.264标准来高度压缩数字视频。经过H.264标准处理后的图像质量很高、容错能力很强、网络适应性很好、数据量非常小。所以采用H.264算法标准压缩后的视频数据在传输时，所需带宽少，也更加经济[10]。

由于视频每一帧图像之间的关联性很好，数据变化量较小，遂采用帧间（Interframe）压缩的方式有效地降低数据量，该方法属于基于时间压缩的范畴。基于复杂的编码算法基础之上，H.264编码标准具有高于普通编码方式50%的编码效率，并且在码率较低的环境下仍可以提供高质量图像。并且目前H.264是主流的监控视频压缩算法，其对不同播放场景的传输速度适应性极高，在实时通信中的网络适应性非常好。

H.264标准压缩视频流程图如图4所示。

图4 H.264标准压缩视频流程图

2.2 嵌入式系统对摄像机的控制

1）云台控制

建立一套主从系统，通过设置账户策略来实现客户端对服务器的不同访问权限，高级用户享有最优先权利，可以通过PC端鼠标点击控制云台旋转、调整摄像头焦距、放大或缩小图像，当高级用户放弃控制后，次级用户才可以对摄像机进行相同的控制。最低级用户仅能实现视频图像的映射，观看视频画面，不能控制前端摄像机的姿态。

2）浏览模式

河道现场共有4组“枪球联动”系统，8台摄像机，用户可以随时切换1路/2路/4路/8路浏览模式进行监视。因此，在局域网内的高级和次级用户机需使用B/S架构方式进行数字图像数据的浏览。B/S架构控制方案如图5所示。

3）视频的存储

前端摄像机所连接的NVR中，自带硬盘设备，技术人员可以设定全天候24小时不间断或间歇式采集视频图像并将数据存储至硬盘中。用户则可以通过局域网访问硬盘，提取数据、调用录像，从而实现对现场的监测，并且可以对图像做适当的数字信号处理，获取感兴趣的水文指标。

图5 B/S架构控制方案

3结 论

随着近几年无线网络及视频监测技术的不断进步，无人值守愈发的智能化。本设计中不仅采用了最先进的“枪球联动”监控技术，更改变了水文监测系统中得到数据的传统方式，同时还运用新能源太阳能为野外整套系统供电，利用现代的高科技打造更便捷、更经济的自然灾害预防监测机制。目前，视频网桥系统通过测试，正在建设当中，即将投入实际应用，产品前景广阔。

[1]舒大兴.水文信息系统现代化研究[D].南京:河海大学水利水电工程学院，2005.

[2]张云飞.基于ZigBee技术的无线水文监测应用研究[D].包头：内蒙古科技大学，2011.

[3]董向华，杨勇.基于网络的视频监控系统的设计与实现[J].通信技术，2013（2）:64-66.

[4]盖锐.一种基于无线网桥实现的井场监控系统[J].电脑知识与技术，2011（6）:1295-1296，1298.

[5]张巍，肖文斌，阎立.无线网桥在视频监控中的研究与应用[J].现代电子技术，2011（17）:47-50.

[6]梁力超，赵亚飞，程海涛.浅谈枪球联动系统在平安城市中的应用[J].城市建设理论研究：电子版，2015（5）:494-495.

[7]吴海峰，王恺.基于无线网桥技术构建五里湖景区水域CCTV系统[J].中国水运，2014（10）:126-127.

[8]杜新征，王爱侠.基于IEEE802.11n的无线网络及其在校园网的应用研究[J].电脑知识与技术，2008（36）:2859-2861，2864.

[9]付红伟，陈厚涛.无线网桥在录井现场的图像传输方法[J].录井工程，2014（2）:70-72，80.

[10]王江涛.滑模摊铺机的动态监控[D].西安：长安大学，2013.

Hydrological monitoring system with the dome camera and bullet camera based on the wireless bridge

CHEN Yu1，LENG Jian-wei2，SHEN Fang-ting3
（1.Tianjin Sino-German Vocational Technical College，Tianjin 300350，China；2.Tianjin Key Laboratory for Control Theory&Applications in Complicated Industry Systems，Tianjin 300384，China；3.College of Automation，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China）

Aiming to poor working conditions of wild river hydrological monitoring and improving the unintuitive transmission of rivers'humidity and temperature data with the use of wireless sensors，a field hydrological monitoring system based on the embedded Linux is proposed.The system based on B/S architecture with the dome camera and bullet camera in the front end，thus the client could acquire and store the video signals whenever they want via the wireless bridge，continuously monitored throughout the day as well.Which not only reduces the investment in human capital as well as intuitively gets live video images and data，but also shortens the discovery and removel of river emergencies，improving the efficiency and management level.

wireless bridge；the dome camera and bullet camera；embedded；hydrological monitoring；acquisition and storage

TN99

A

1674－6236（2016）18-0079-03

2015-11-06 稿件编号：201511061

陈 愚（1968—），男，天津人，副教授。研究方向：电气工程自动化。