一种实时红外监测系统的关键技术研究

唐琪，李慧，李国伟（广东电网公司佛山供电局 广东 佛山528000）

一种实时红外监测系统的关键技术研究

唐琪，李慧，李国伟
（广东电网公司佛山供电局 广东 佛山528000）

通过分析当前电力设备红外监测的不足，提出了研制一种新型在线红外监测系统来对电力设备进行红外监测和诊断。该系统以Filr公司的A615红外摄像头作为红外图像采集模块，以平板电脑作为图像数据的处理模块，以4G网络作为图像数据和控制信息的传输媒介，以PC作为远程显示和诊断终端。然后对采集处理端进行了软件设计，并针对无线4G网络传输将H.264协议运用到红外数据的压缩算法中，从而实现了远程、实时的红外诊断功能。

红外监测；处理器；自组网；图像压缩；H.264；无线通讯

电力系统中大多数运行的电气设备会由于故障导致设备运行温度的异常变化，因此检测电力设备温度或热场分布可为设备故障诊断提供依据。而红外测温故障诊断技术为测量这种温度异常提供了一种方便直观的检测方法，因此在电力行业得到广泛应用。电力部门已普遍采用手持式和便携式红外热像仪器进行巡视和试验，个别变电站也安装了红外热像在线监测系统。便携式的红外测试仪结构轻巧、使用方便、价格较低、使用较为广泛，但便携式的红外测试只能周期性的进行，不能实时对设备工作状态进行监控并诊断设备的故障性质，这往往会造成监视延误而引起损失。而红外成像在线监控系统一般安装变电站场地的构架上，它的监测范围固定，投入及维护成本高，普及率低。而电力生产过程中，存在状态异常的设备、重载设备、保供电设备、关键设备或昂贵的设备等特殊设备，为确保电网的可靠供电，需要对这类设备进行连续实时红外测温。但是这类设备范围包括了输、变、配一次、二次设备、设备类型多样、电压等级跨度大、在电网中的地理分布较随机、空间安装高度及可测距离差别较大、监测时限不确定、监测频率一般要求较高。便携式红外测试设备不能连续实时测量，在线式红外监测仪器成本高、不能灵活选择检测范围。因此设计一种新型的红外在线监测系统，克服当前红外监测手段的不足，实现便携化且保证其图像显示和诊断的实时性对电力设备安全运行具有重要作用[1-6]。

1 系统设计

1.1 系统硬件结构设计

整个在线监测系统可划分为红外图像采集单元、红外图像处理单元、终端显示单元。采集单元和处理单元可置于现场测试设备处，终端显示单元则置于远方。系统之所以在图像采集处理单元和终端显示单元间采用4G无线网络进行通讯，是由现场环境所决定。因为本系统要求能灵活的监测各种电力设备，所以采集单元和处理单元必须能在现场灵活移动，因此如果采用有线方式同终端通讯，则必须在每个可能监测的设备处都铺设网线，这是现场条件所不运行的，因此系统采用无线方式进行远程通讯。

图1 红外监测系统

红外图像采集单元采用的是红外和可见光双通道传感器，这种设计便于在线显示和诊断红外图像时与物体实际图像加以对比。本系统要求红外在线实时监控系统实现红外测温技术与网络技术的有机结合，需要红外传感器具有较强的联网能力，因此必须选用在线型的红外热像仪。而且，本系统要求可以实时传输和显示视频数据，而人眼的视觉停留时间是0.1 s，因此图像帧频不能少于10 Hz，本系统要求在线型红外和可见光传感器的采样帧频均不低于25 Hz，按照这个帧频所传输的图像数据显示出来具备很好的连贯性。同时考虑变电站实际使用情况，有时候可能会因为一枚钢钉接触不良而造成严重后果，所以要求红外热像仪可以在10米距离外准确测量到一枚高度为0.08米的钢钉温度，因此系统选用了选择Filr公司的A615红外热像仪（640*480）。而为了清晰的与红外图像进行对比，本系统选用了1920*1080p的在线型可见光图像传感器。所选的两种传感器都内置有并口转TCP模块，可以将所采集的图像数据通过网口传出，同时外部也可由网口来对两种传感器的运行模式进行设置。

红外图像处理单元以平板电脑为数据处理器，以网络交换机来作为数据传输的桥梁，以大容量储存卡来临时存放数据，以4G路由器来实现数据处理单元和远方的终端显示单元的通讯。首先4G路由器接受远程客户端发出的控制指令 （包括图像采集开启，传输模式命令）然后通过交换机发送给平板电脑，处理成红外和可见光传感器TCP模块可识别的指令格式后再回传给交换机，最后分别将指令发送给红外传感器和可见光传感器。两种传感器再根据指令的具体内容采集图像，并将图像数据通过TCP模块传送给交换机，然后再传送给平板电脑。由平板电脑对图像进行压缩和处理后，一方面由存储卡就地保存，另一方面再将压缩处理后的图像数据传送给交换机，并由4G路由器无线传给远程客户端。最后图像数据会在远程客户端以红外和可见光图像的形式予以显示[7-8]。

1.2 系统软件结构设计

采集处理端红外和可见光经处理器压缩编码后的视频流是通过的TCP/IP、UDP、RTMP协议进行传输和控制。红外和可见光数据以二维数组 （时间-温度）的形式被处理器压缩编码为视频流并且打包成数据包的格式，通过RTMP协议发送给远程，同时红外小车可通过RTMP协议来接收远程控制指令。各模块的相互通讯是基于Windows操作系统下Windows socket软件通讯技术。通讯设计中主要包括两个传输类：CTcpSocket和CUdpSocket。通讯流程如图2所示。

图2 采集处理端线程通讯

在采集处理端，利用socket套接字封装并发送UDP数据包，在成功建立套接字之后，根据共有的模式变量，选择要进行的程序分支。就把压缩好的视频数据和同步源信息，序号信息，时间戳信息，温度数据，封装到一个简化RTP包中，然后把RTP封装成一个个UDP包，再应用标准的socket套接字发出，如果停止，则终止编码任务，并终止自身，关闭socket套接字，结束连接。

而TCP链路接收来自监控端的命令并作相应处理。首先建立Socket套接字，与客户端建立TCP链路，如果连通，则开始接受从客户端发送来的数据。监控端的TCP命令包线程在执行TCP套接字初始化后，开启UDP线程等待无线终端发起的UDP的连接，接着就进入了多路复用初始化；通过对应的宏对句柄集进行操作。操作完成后返回多路复用步骤，如果有命令消息，则将命令拼接成一定格式的数据包发送，完成发送以后同样发挥多路复用初始化步骤。

当显示单元的服务器接收到数据包时，进入数据重组线程进行数据重组，为了减小系统开销，UDP接收到的数据报设计为链表形式。当上层程序尝试读取数据来解码时，就把该链表节点的有效数据按照顺序自头到尾地拷贝到解码缓冲区。如果解码程序因为其他原因较长时间没有读走数据，就销毁前面的节点，即序列号最小的节点，而又不断收到新的数据包产生新的节点插入到链表中，这样就可以保证缓冲区是最新的数据，从而保证了实时性。

2 红外数据压缩处理

由于电力系统非常庞大，红外监测的目标设备分布在各处，他们与终端显示单元距离一般很远。因此本系统采用的无线通讯方式为移动4G网络，且能向下兼容。这样一来虽可克服距离远带来的问题，但是如果想要实时的对重点设备进行红外监测，必须考虑通过无线网络的数据流量，这不但关系着红外和可见光图像实时显示是否流畅，还关系着投运成本是否经济。首先根据红外和可见光传感器的参数计算实时采集的数据流量大小。由于前端红外传感器的采样帧频在25 Hz以上，而一帧有640*480个像素点，每个像素点8 bit，采集处理端将传感器的数据由RGB格式转换了YUV格式，这样数据量就扩大了约3倍。计算每秒传输的数据量为1.5*8*640*480*25=176 Mbit而可见光采用的是1920*1080P分辨率，每秒传输的数据量则为1 G以上。如此庞大的数据量如果不予压缩而直接传输原始数据，所需移动带宽非常庞大，流量费用也非常惊人。因此本系统将在采集处理端对数据进行压缩。

H.264协议是当前视频处理常用的压缩编码协议，比起其它压缩技术H.264以其特有的编码方式能够在保证图像质量的情况下将图像数据压缩率提高一倍[9-10]。H.264协议已经广泛运用在多种视频处理中，而本系统则不但用此协议处理可见光视频数据，还创造性的将之应用到红外数据流的处理中。经过该技术的处理可以使视频数据大大压缩，从而可适应无线4G网络的传输，使整个红外监测系统达到实时的目的[11-12]。如图3所示本系统所采用的H.264编码器采用的是变换和预测的混合编码法。首先图像帧Gn以宏块为单位被编码器按帧内预测的方式进行处理。它的预测值P由已编码的参考图像经运动补偿MC后得出，其中参考图像以Gn-1表示。为了提高预测精度，提高压缩比，实际的参考图像在之前重建和滤波的帧中进行选择。预测值P和当前块相减后，产生一个残差块Dn，经块变换、量化后产生一组量化后的变换系数X，再经熵编码，与解码所需的一些边信息（如预测模式量化参数、运动矢量等）一起组成一个压缩后的码流。为了提供进一步预测用的参考图像，编码器具有重建图像的功能。因此必须使残差图像经反量化，反变换后得到的Dn’与预测值P相加，得到uGn（未经滤波的帧）。为了去除编码环路中产生的噪声，提高压缩图像性能，编码设计时设置了环路滤波器，滤波后的输出Gn即重建图像可用作参考图像。

图3 H.264编码流程

视频和图像数据将在终端显示，所以H.264视频解码算法也是在终端显示单元实现的。首先由编码器的NAL输出一个压缩后的H.264压缩比特流。经熵解码得到量化后的一组变换系数X，再经反量化、反变换，得到残差Dn’。利用从该比特流中解码出的头信息，解码器就产生一个预测块PRED，它和编码器中的原始PRED是相同的。当该解码器产生的PRED与残差Dn’相加后，就产生uGn，再经滤波后，最后就得到滤波后的Gn即最后的解码输出图像[13-15]。

图4 H.264解码流程

本系统在具体实现H.264压缩编码时，可通过工程文件中所对应的视频编码代码进行调整，以实现对编码之后的红外和可见光的图像和视频压缩比进行调整。本项目中，将压缩比调整到140:1依然可以清晰的显示出实际图像。如此便将庞大的数据压缩到与4G无线网络带宽适应的数据传输量，保证了系统的实时性和经济性。

3 系统功能验证

完成了系统设计后，对系统功能进行了验证。将采集处理单元置于某220 kV变电站中，通过远程客户端对采集处理单元进行远程控制。首先连通4G无线网络，通过Socket tools检测网络系统通讯情况，在确认系统通讯连接成功后，启动采集处理端软件进行红外及可见光数据压缩及推流。然后打开远程的客户端软件，接收红外和可见光视频流并解码显示。结果如图5所示。系统可以保证红外和可见光视频监测的实时性。

图5 实测结果

4 结 论

文首先分析了当前电力设备红外监测手段的不足，提出一种新型的可实时监测的红外监测系统，接着本文针对电力设备运行的具体条件和测试的需求选取了适当的功能元件并设计了系统的硬件结构，又根据监测系统显示单元和采集处理端的距离选用了无线4G通讯方式，并且对软件设计进行了阐述。然后说明了在采集处理端对数据进行压缩的必要性，本文将H.264这种视频协议运用到可见光及红外两种图像数据的压缩处理上，将采集处理端的数据压缩到140倍从而适应了无线4G网络传输模式，并保证系统的实时性和经济性。本文最后对整个系统进行了功能验证，证明了系统设计的有效性。

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Research on key technology of a real time infrared monitoring system

TANG Qi，LI Hui，LI Guo-wei
（Foshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Corporation，Foshan 528000，China）

Through the analysis of the inadequacy of the current power equipment infrared monitoring，it puts forward a new online infrared monitoring system to the power equipment of infrared monitoring and diagnosis.The device uses A615 infrared camera of Filr company as infrared image acquisition module，and Pad as the image data processing module.The device uses 4G networks as a medium for transmitting the image data and control information，and uses PC as a remote display and diagnosis terminal.Then，the software design of the data acquisition and processing is carried out，and the H.264 protocol is applied to the infrared data compression algorithm for wireless 4G network transmission.

Infrared monitoring；processor；Ad hoc network；image compression；H.264；wireless communication

TN99

A

1674－6236（2017）07-0170-04

2016-03-02稿件编号：201603019

唐 琪（1983—），男，四川阆中人，硕士，工程师。研究方向：高压试验与研究。