基于嵌入式 Linux 的水位视频在线监测系统设计

陈 城 ，孙 峰 ，曲金秋 ，吴 婷 ，褚泽帆

（1. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012；3. 江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012）

0 引言

当前水文工作主要矛盾是新时代水利和经济社会发展对水文服务的需求与水文基础支撑能力不足之间的矛盾，水利部按照“有针对性地固底板、补短板、锻长板”的要求，通过深化改革和技术创新，全面推进水文现代化建设加以解决，其中，通过视频在线监测水位是一项重要指标，建设水位数据自动化监测具有重要的现实意义[1]。

目前大多数水文监测设备采用的微控制器是C51，MSP430 及 STM32 等控制器，存在主频低、智能性低、接口少，难以满足水文现代化发展的需求等问题。随着 5G 网络的快速发展，数据通信技术的普及，进一步推动水利行业朝着网络化、智能化的方向发展。由于嵌入式 Linux 系统具有能很好地支持 4G/5G 通信、处理速度快及多个任务同时进行等特点，因此符合水文现代化建设要求[2-3]。

因此，急需开发一种基于嵌入式平台的水位视频在线监测设备实现水位自动化监测，并可以进一步地推广到全国各地水文站。

1 水位视频在线监测流程

水位视频在线监测系统分为以下 2 种：1）基于前端的识别系统，前端摄像机直接识别水尺的水位数据；2）基于后端的识别系统，前端摄像机采集图像，再由后端设备对图像进行识别。本研究重点介绍基于前端识别系统，该系统由嵌入式 Linux 系统（U-boot，Kernerl 及 Yaffs2 文件系统）、图像处理及无线传输技术组成。首先，嵌入式 Linux 系统按设置定时控制高清摄像机抓取图片，然后，对抓取的图片进行图形识别并本地保存，通信模块将识别出的水位数据及图片传输到中心站，其流程图如图1 所示。

1.1 网络摄像机控制

网络摄像机图片获取及时间校准技术采用通用规范的 ISAPI 的协议，并进行二次开发。ISAPI 协议是一类基于 HTTP 协议的编程接口，通过动态链接库（DLL）可以被 HTTP 协议服务器加载和调用，ISAPI 应用的应用程序在运行时同 HTTP 服务器位于相同的进程空间，从而实现透明访问 HTTP输出的资源。根据水利水文行业特点，同时考虑到带宽流量，要求数据采集及控制终端每间隔一定时间采集并发送 1 幅图片，摄像机控制流程如图 2所示。

图 1 水位视频在线监测流程

图 2 摄像机定时抓拍处理流程

1.2 水位数据计算

水位视频图像的计算一般包括监测水尺定位高程、倾斜式水尺校正和水位识别 3 个算法步骤[4-8]，其流程图如图 3 所示。

1.3 水位数据及图像无线传输

图 3 水位数据计算流程图

采用高性能的工业级无线模块，以嵌入式 Linux系统为软件支平台，在服务器和 4G 无线通信子系统间搭建 VPN 通道，视频图像和水位等水文要素信息由信息采集与处理模块统一管理与控制，然后将相关数据按照相应要求传输至服务器，服务器以Web 形式实现远程数据实时查询调度及下载等功能，同时服务器端可远程操作控制数据采集及终端。

1.4 中心控制

设计驱动控制程序实现网络摄像机视频采集及继电器的控制功能。应用程序实现时间函数及驱动的初始化，循环开始后进入休眠模式，当设定的采集时间到来后，开始采集图片信息及进行水位识别，并将数据信息处理后按照规定的格式存储至本地 SD 卡。当设定的发送时间到来后，唤醒嵌入式微处理器，通过 TCP/IP 协议将相关数据按照规定的帧格式传输至中心站服务器，程序设计流程图如图 4 所示。

图 4 程序设计流程图

2 系统数据分析

实验现场将分别取福建尤溪和滁州汊河集水文站多支水尺数据进行分析，两者都采用基于前端识别系统在线监测水位。

2.1 福建尤溪水位数据分析

随机抽取全天数据，所测数据基本与实际水位结果保持一致，其中有 1 组数据出现由波浪引起的5 cm 误差，如图 5 所示。通过定制水尺和优化图像处理及水位修正算法，数据误差基本保持在 2 cm内，其中为了消除波浪影响，采取多次求取平均值，水位数据误差如图 6 所示。

图 6 改进后的水位数据误差

2.2 汊河集水位数据分析

随机抽取几组数据，将图像识别的水位数据与人工观察图像水位数据相比较，水位误差在 ± 2 cm范围内，如图 7 所示。

图 7 滁州汊河集实验数据

3 结语

本研究采用的基于嵌入式 Linux 系统的水位视频在线监测，由嵌入式 Linux 系统（U-boot，Kernerl及 Yaffs2 文件系统）网络摄像机及无线模块组成。利用嵌入式 Linux 系统定时控制网络摄像机并结合图像处理技术识别水尺的刻度，从而计算水位数据，这种水位监测方式具有适用范围广、成本低、观测方便直观、实时在线监测及易维护等优点，实验结果表明水位误差精度控制在 ±2 cm，能满足水位观测规范的要求，可取代人工观测。