基于3G网络滑坡应急远程监控系统设计

孟庆佳

0 引言

视频监控技术广泛用于资源保护、水利、矿业、交通、安全等，随着通信技术日趋完善[1]，3G网络及嵌入式技术的发展，使得视频监控技术逐步实现低成本、低功耗、智能化、网络化和远程化。现今3G无线网络技术在视频监控系统的应用，节约了人力物力成本，克服了复杂地理环境等问题[2]。视频监控技术正逐渐向泥石流、滑坡等地质灾害监测发展，以便于将监控信息及时的传送到接收终端，并保留宝贵的图像及数据信息。

将视频监测技术应用于野外地质灾害监测中，可实现远距离精确可靠监测预警。为了实现低功耗，位移监测模块监测数据达到设定预警值或者定时器开启，监测终端自动启动，将监测的数据及图像进行叠加处理发送到人机界面接收端。为了提高仪器的灵活性，用户还可以通过Internet远程控制视频监控设备的启动/关闭。本文将远程视频监控技术应用于滑坡地质灾害中，将滑坡地质灾害发生的视频与数据完整过程保存下来，为滑坡地质灾害发生的机理提供直观可靠的研究依据。

1 系统总体设计

滑坡是指斜坡上的土体或者岩体，受河流冲刷、地下水活动、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影响，在重力作用下，沿着一定的软弱面或者软弱带，整体地或者分散地顺坡向下滑动的自然现象[3]。为保护人民的生命和财产安全，为国家地质灾害监测工程提供技术服务，提出数据与图像相结合的监测技术手段，为滑坡地质灾害的研究提供更可靠的研究依据。

整个3G网络视频远程监控系统主要由雨量传感器、拉绳式位移传感器、监控镜头、数据/图像处理模块（字符叠加）、视频处理器、3G模块组成，如图1所示。

图1 系统总体框架图

雨量采集器主要是通过内部设置定量的翻斗计量器获取脉冲信号。同样，位移传感器根据其内部拉绳变阻原理，改变阻值，实现滑坡体相对位移的测量。

将雨量与位移将信号转化成数字信号，与设定的预警值进行对比，大于等于预警值时，开启云台摄像镜头，字符叠加模块对采集的数据集图像进行处理叠加，发送到视频服务器的存储模块，通过3G网络将数据/图像打包传送到接收终端（计算机）。

接收终端配有良好的人机界面，具有数据与图像处理、远程控制（本地存储图像/视频）等功能。为实现低功耗，系统主要采用时钟/远端控制，采用系统结构级、电路级低功耗设计[4-5]。

2 系统硬件设计

2.1 数据采集

2.1.1 前端传感器

（1）采用翻斗式雨量传感器，采用5 V供电及双可触发单稳态触发器CC4098，获取单稳脉冲输出，滤去杂波，翻斗每翻转一次计数降雨量0.5 mm.

（2）采用拉绳式位移传感器，5 V供电，精度能够达到0.05 mm，将传感器放入密封盒中，拉绳端接入耐腐蚀套管，采用深埋式多点式分部监测方法，深度约1 m，点位设置4个。滑坡位移发生并不是单纯一个点，在可能发生相对位移的点位上均设置上位移传感器进行监测，以防滑动位置判断失误而造成监测失败。

2.1.2 数据图像采集模块

2.1 专家的基本信息 本研究共23名专家，年龄(39.50±11.39)岁，工作年限(20.00±6.89)年；文化程度：本科19名(82.61%)，硕士3名(13.04%)，博士1名(4.35%)；职称：副高以下6名(26.09%)，副高及以上17名(73.91%);从事岗位：护理管理18名(78.26%)，临床护理3名(13.04%)，护理教育1名(4.35%)，医疗专家1名(4.35%)；82.61%为康复专科护士，4.35%为康复护理教师，4.35%为康复医师，8.70%为临床康复护士。

（1）数据采集：数据采集传输模块的MCU采用C8051，C8051具有四个定时器，两个UART，外部存储器接口，工作电压在2.7~5.25 V.

（2）图像采集：图像采集主要采用低功耗VESJ400S1激光云台摄像头，铝合金精铸外壳，不易发热、耐压、防腐蚀、使用寿命长、辐射距离远。激光夜视距离≤400米，自动调焦，较适用于远距离恶劣大范围的野外监控，工作电压在8 V~36 V，功耗60 W。

（3）图像存储：采用SOC处理芯片和音视频压缩算法，支持远程手机监控，具有高性能的操作系统，保证图像传输流畅清晰。

2.2 数据图像叠加模块

采用一款单通道、单色随屏显示（OSD）发生器MAX7456，在动态视频上叠加定制图形，实现同步分离，内部集成视频分离电路，字符存储器，而且可方便以任意字符、尺寸显示所需信息，硬件设计更简单，成本更低，易于满足实际需要不需要添加外部视频驱动器[6-7]。采用MAX7456芯片提高了系统的稳定性，但是该芯片在应用时，散热较差，故在电路设计要增加散热片。

2.3 3G网络传输模块

采用电信3G网络传输模块，支持WIFI无线网络搜索、接入，支持WEP/WPA/WPA2无线加密方式，内置于图像存储模块内，实现图像网络连通性，可通过浏览器对视频监控设备进行远程设置、监控等。

良好的人机界面，可以通过绑定二级动态域名或者调用网络传输系统内部设置IP地址，通过浏览器进行访问，同时将信息存储到本地硬盘中，进行数据及图像分析。

2.5 太阳能供电系统

采用市电互补的方式进行供电，市电200 V正常供电情况下，为系统的主要供电电源，并在2 h内充满蓄电池，停电后，系统外接300 W太阳能供电系统启用，可连续2天阴雨天气正常工作；条件恶劣的情况下，仅采用1 000 W太阳能供电系统，系统安装点必须满足每天光照约6 h，可连续5个阴雨天气正常工作。保证系统正常运行。

整个系统结构如图2所示。

图2 系统结构图

3 软件设计

系统的程序流程如图3所示。主要实现初始化、定时启动、外部唤醒、远程控制功能。

图3 程序初始化流程图

（1）系统初始化：系统上电后，定时器初始化，通过远端控制，发送初始化信息矫正时间、初始值、预警值等，启动摄像镜头，向主机发送处理信号，确定无误，上位机远程发送运行指令，正式启动系统，进入节电休眠模式；

（2）定时启动：初始化后，系统进入休眠模式，每4 h系统启动，从EEProm读取并写入存储值，对数据图像进行处理，通过电信3G模块将处理信息发送到接收终端，运行2 h后，进入休眠状态；

（3）外部唤醒：当外部降雨量或者位移量超过预设报警值时，系统立即被唤醒，启动摄像镜头，通过电信3G模块，传输报警信号及数据图像处理信息，远端进行图像数据处理，提醒终端进行防灾预警（预警值可设置为三个等级：黄色预警、蓝色预警、红色预警）；

（4）远程控制：系统在正常运行状态下，由外部定时器定时启动休眠，也可通过远程控制发送启动信息，调取数据图像。

4 结论

本文设计了基于3G网络滑坡应急远程监控系统，该系统主要用于野外监测，宗旨是低功耗、低成本。采用嵌入式系统，通过3G网络实现远程监控，存储宝贵的监测数据。图像传输过程中采用高性能的操作系统和音视频压缩算法，图像在传输过程中更加流畅，画面连续清晰。可以通过浏览器进行远端控制、管理、配置、监控、存储、数据图像处理等，使得操作更加简便，见图4.

（续上图）

图4 室内测试与野外测试安装

该系统已在四川省、云南省两地进行野外实验，由于野外光照强度、湿度、阴雨天气、野外环境等影响，仪器设备整体运行设计在防潮、防虫蚁、日照强度等方面仍有缺陷，为更好地适应野外各种恶劣环境，该仪器仍需不断改进完善。

[1]樊亚琴.浅谈视频监控系统的应用与发展[J].科技情报开发与经济，2010，20（5）：206-207.

[2]谭骧骏.基于无线网络的视频监控系统的设计与研究[D].武汉：武汉理工大学，2010：5-8.

[3]吴 璋，石智军，董书宁.滑坡灾害与防治技术研究[M].武汉：中国地质大学出版社，2015：10-35.

[4]王青松.DSP低功耗设计技术[D].西安：西安电子科技大学，2007：7-15.

[5]孙世鹏.MCU低功耗设计技术及其功耗分析[D].天津：天津大学，2006：2-10.

[6]汪 辉，王昌明，宋高顺，等.基于MAX7456的字符叠加系统设计[J].电子设计工程，2010，18（7）：181-183.

[7]陈 毅，张殿富.基于MAX7456的视频电子分划叠加系统设计[J].电子科技，2010，23（12）：45-48.