无线组网的岛礁水域视频监控系统的探讨

2018-01-22黄清龙黄远

声学与电子工程 2017年4期

黄清龙黄远

(1.第七一五研究所，杭州，310023；2.杭州防雷安全检测有限公司，杭州，310023)

我国有着大量的中小型岛屿，这些大小不一的岛屿是蓝色国土上一颗颗明珠。其中，边远岛既是海洋的组成部分，又是国家的领土，在维护我国主权和海洋权益方面具有特殊的意义，在国家转型为海洋大国、发展海权方面有着其他战略资源不可替代的战略作用[1]。随着世界各国对海洋权益日益重视，对海洋权益的争夺日趋激烈，我国与邻国间也存在着大量对海洋权益的争议。而这些边远岛屿远离大陆、位置偏僻、交通不便，一直以来就缺乏可靠、有效的手段来对它们进行保护和监管。如果可以对小型岛礁及周边海域进行实时全景视频监控，将有助于保护我国的海洋权益，也有助于保护海洋生态环境、渔民经济生产、海上航线及海上旅游的安全[2]。

基于以上背景，以提高我国对边远岛礁及周边水域的管理和监控能力为目标，探讨了一种无线组网的视频监控系统，可对水上目标实时视频监控、也可根据需求扩展其他功能。

1 系统组成及原理

图1为无线组网视频监控网络系统构成图。系统主要由岛礁中心主站、无线中继点、无线节点构成的。整个系统的无线中继点和无线节点都可以设置全景摄像头。由于无线节点无法直达岛礁中心主站，需要通过无线中继点转发方可实现全程数据传输，且中继节点也可根据要求挂载监控摄像头。而岛礁中心主站则负责对所有下属节点和中继点的视频数据进行接收存储处理，也可以通过客户端对视频数据进行实时显示或对历史监控数据进行回放。图2为无线组网视频监控系统组成示意图。

图1 无线组网视频监控网络构

图2 无线组网视频监控系统组成示意图

对于岛礁中心主站，应设置于基础设施完善的有人值守的岛礁。岛礁上设立较高的通信铁塔基站，以便接收到无线中继点和节点的无线信号。一个铁塔基站可挂载一定数量的中心主站设备，最后汇聚到后台进行处理。而无线中继点和无线节点及视频监控设备则按照实际监视范围设置于海上平台。无线节点视频数据因距离而不能可靠传输到中心主站，则需通过无线中继点进行中继转发。

2 系统关键设计

无线组网视频监控系统是一个学科集成的工程，包括海洋平台技术、视频采集技术、新能源供电技术和无线组网通信技术和计算机网络等。

2.1 平台技术

依据无线中继点和无线节点的布设地点可分为固定式平台和浮标平台两种。当安装地点为深度不大的礁盘时，则可在礁盘上设置固定式基桩，图 3为固定式基桩平台示意图，并在基桩杆上安装小型风力发电机和太阳能电池组发电装置。自上而下，分别在杆上设置天线、监控摄像头和蓄电池组和控制器等。使用这种平台的优势可保持无线通信信号的稳定，同时摄像头采集的信号无需倾斜补偿。

图3 固定礁盘平台

而当无线中继点及无线节点设置在深水区的浮标平台时，其优势是布设方便，只需将浮标布放完毕并通过锚固定海底；缺点是因为浮标平台受到浪涌的影响使得无线通信传输受到干扰，图像角度也不完全正直。而这种缺陷则可通过浮标结构的减摇技术来缓解，同时加大全向天线的发射功率来保持传输质量，图像也可通过特定的补偿算法来校正。图4为浮标平台示意图。

图4 浮标平台示意图

2.2 供电技术

无线中继和节点所使用的浮标平台都是通过蓄电池进行供电，传统的方式是人工定期对蓄电池进行更换，这样费时费力，且海上作业非常不安全、不方便。本文阐述的方案中尽可能利用再生能源，就地取材使用风能和太阳能对蓄电池进行充电，即使用风力发电机和太阳能电池组件来为系统提供电力支持。

海洋环境中，大风和海浪使浮标平台经常性的摇晃，因此应使用加固的太阳能组件和风力发电机组，主要注意点如下：

● 尽可能使用高转换效率的太阳能电池组件提升发电量。

● 太阳能电池组件在低纬度地区可平铺安装，在高纬度地区则应在四个方向根据安装地点纬度计算倾角安装，且需采用四组独立通道的充电控制。

● 设置小型风力发电机组时，条件允许则可同时设置水平轴和垂直轴风力发电机组，保障系统可靠性。

● 合理计算系统发电量配置。

通常海面风力和太阳能资源互补性较强，发电量在经过合理配置后，可以满足负载使用，考虑极端气候无充电情况下，系统蓄电池设计容量为满足三天使用时间即可。

2.3 数据传输

对于视频监控的数据，本系统当中都采用的是无线微波室外基站技术传输，通常基站使用频率分布在2.4 GHz和5 GHz两个频段[7]，以实现点对点、点对多点和室外无线覆盖。频段的选择则主要依据现场的电磁环境，5 GHz频段在海岛上使用较为少，选用此频率设备。依据传输基站工作特性，对于20 km以内的数据传输，理论上无需通过无线中继点的接力传输即可完成，即摄像机所输出的视频监控数据，中心主站信号可直接连接到节点终端设备，将覆盖范围内的节点数据全部回传。

除了近海岛屿和周边海域之外，对于还有大量的远海小型岛屿及海域．其距离大陆均超过20 km[8]，超出了中心基站的覆盖范围，则采用高带宽微波回传的方式。将这些远海节点的视频监控数据回传至中间区域的无线微波中继接收站进行汇总，即微波接力传输，再通过中心主站对无线中继点的覆盖将数据传输回主站。图5为远距离覆盖传输接力原理图。

图5 远距离覆盖传输接力原理图

3 难点及创新

基于无线组网的岛礁视频监控系统解决了无缝隙全景视频监控的问题，系统创新通过在固定基础平台和浮标平台相结合的方式实现了岛礁及周边海域无死角的全方位实时视频监控，通过中继接力的方式将视频数据回传到中心基站。而整个系统还有需要克服的难点，主要表现为：浮标平台在风浪情况下的稳定性和可靠性。该类问题可通过浮标减摇设计及合理的配置来解决；而针对浮标数据传输的稳定性，在浮标平台摇摆减缓的情况，可使用全向天线进行信号传输，提高天线的水平面距离及加大信号的发射功率实现；针对固定式基桩平台施工问题，依托中船重工下属研究院所的丰富经验可以顺利解决。