基于低功耗圖像采集的藍藻在線監測裝置

胡明東 ，黃 磊 ，陳向飛 ，王 磊

（1.南京南瑞集團公司，江蘇 南京 210003；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210003）

隨著工業化進程的進一步加大以及人們環保意識的淡薄，世界各地的內陸水庫、湖泊都相繼出現了藍藻大規模暴發的事件。據文獻記載，世界上最大規模的藍綠藻水體暴發于1991年發生在澳大利亞達令河系，綿延1 000 km以上，花費了上億美元的治理，收效甚微。太湖藍藻暴發，在歷史上已有多次，但2007年5月底太湖無錫流域突然大面積藍藻暴發，供給全市市民的飲水源也迅速被藍藻污染，現場雖然進行了打撈，無奈藍藻暴發太嚴重而無法控制，遭到藍藻污染的、散發濃濃腥臭味的水進入了自來水廠，然后通過管道流進了千家萬戶，其造成的社會影響是全國歷年所有湖泊藍藻事件所無法比擬的。因此，對藍藻生長程度進行在線實時監測具有深遠意義。

1 常見藍藻監測技術及其缺陷

為把握水質狀況，我國每年都要在太湖實地檢測水質，這種人工采樣、過濾、萃取的監測方法對于大區域的水環境監測而言極費人力、物力和時間，也不可能對全湖水質分布作全面的調查。目前應用較多的是采用衛星遙感監測技術進行藍藻監測，該方法監測范圍廣、速度快、成本低，且便于長期動態監測，因此在各氣象局得到了較為廣泛的應用。然而采用衛星監測藍藻也有一定的局限性，只能拍攝大體的藍藻分布圖，無法得到清晰的藍藻實況圖，衛星每隔8 d才繞過太湖區一次，而且在陰天的時候，衛星可能什么圖像都拍不到。太湖流域管理局還結合人工巡查拍攝圖片和手機彩信的方式實現了一定的太湖藍藻實時監測，但這種方式費時費力。

本系統采用實時拍攝圖像并通過CDMA或GPRS信道遠程傳輸到中心站的方式對藍藻進行在線監測，具有直觀有效的特點。

2 基于低功耗圖像采集的藍藻在線監測裝置

在線監測裝置集成方式如圖1所示。監測裝置采用南京南瑞集團公司的ACS300-MM數據采集器作為核心低功耗采集控制器，ACS300-MM控制圖像編碼器將攝像機輸出的視頻信息壓縮處理為JPEG格式的文件，將采集的圖像文件轉存在內部FLASH中，并根據需要通過GPRS或CDMA信道將JPEG文件傳送到遠程中心站。

該系統的主要特點如下：

1）系統采用太陽能/交流電+蓄電池浮充供電工作方式。采用24 Ah蓄電池時，系統可保證30 d無日照或交流停電時穩定可靠工作。

2）支持定時抓拍、遠程抓拍等多種取圖方式。

3）象素可根據現場需求提供30，100，200W等各種清晰度級別。

圖1 低功耗圖像在線監測裝置集成方式

4）圖像分辨率支持 160×120，320×240，640×480，1 024×768等，可現場設置，也可遠程設置。

5）圖像采集頻率與發送頻率可分別設置。

6）系統最多可以接入四路攝像機，從而滿足同一地點不同方位的圖像監測；系統還可以配置云臺實現攝像機的控制，從而滿足360°全方位圖像監測。

7）系統可增加水位、雨量等傳感器，從而實現水文與藍藻信息一體化觀測。系統還可根據藍藻生長特點結合水文信息，實現智能化按需觀測（如水位較高時藍藻不容易爆發，此時可適當降低圖像采集與傳輸頻率），減少不必要的圖像傳輸，從而在滿足監測需求的前提下節省通信費用，并進一步降低系統功耗。

8）在通訊發生異常能存儲在本地保存大于80張現場照片（分辨率為640×480），通訊恢復后，能自動重新上傳到遠程中心站。

9）提供USB HOST接口，現場保存的圖像文件還可以通過U盤導出。

10）系統提供遠程程序升級功能，用戶可以不用去現場就可以方便地實現應用系統升級。

11）針對在GPRS/CDMA等帶寬有限的信道條件下進行大數據量的圖像文件傳輸，系統優化設計了遠程文件傳輸協議，在做到穩定、可靠、快速傳輸文件的同時，降低了對信道帶寬的要求。

3 關鍵技術及難點

3.1 低功耗設計

由于藍藻在線監測裝置一般沿湖安裝，絕大部分安裝點沒有有效的交流供電，基本采取太陽能+蓄電池浮充供電的工作方式，為了降低系統中的蓄電池容量和太陽能板功率，方便系統安裝與維護，降低系統成本，在線監測裝置的功耗是系統設計的關鍵性指標。

在線監測裝置的低功耗設計主要體現在3個方面：

1）采用低功耗采集控制器。采用的ACS300-MM靜態功耗僅為 50 uA，因此非常適用于太陽能+蓄電池浮充供電的工作方式。

2）通過低功耗采集控制器實現攝像機、圖像編碼器的供電與采集的本地與遠程控制。

3）GPRS/CDMA通信終端采用 MODEM 模塊，模塊平時處于掉線狀態（功耗僅為10 mA），只有在需要傳輸圖像文件（主動上報或遠程抓拍圖片）時才通過撥號上線（功耗約為30 mA），從而使系統靜態功耗降低了60%。此外，通過這種方式實現的GPRS/CDMA數據傳輸系統還具有占用信道帶寬少、通信費用低、通信方式靈活的優點。

3.2 圖像文件在窄帶信道中的快速可靠傳輸

為了在GPRS/CDMA等窄帶信道中傳輸較大的圖像文件，監測裝置將圖像文件分成了若干個適應于窄帶信道傳輸的分包，從而降低了系統對傳輸信道的要求。

由于GPRS/CDMA無線通信系統及網絡數據傳輸的特點，數據傳輸會有一定的延時，如果采用傳統的可靠文件傳輸方式，文件傳輸時間過長，從而勢必增大圖像傳輸失敗的概率。為了降低信道延時對多包數據傳輸帶來的延時累積問題，監測裝置設計了以UDP傳輸協議為基礎的圖像文件傳輸控制協議。其工作流程如圖2所示。

首先，監測裝置通過向遠程中心平臺發送圖像傳輸請求,一方面建立可靠通信通道，另一方面將文件傳輸的總包數、每包的大小及其它圖像相關信息告知遠程中心平臺。可靠通道建立后開始文件傳輸，裝置一次性將所有文件分包（包含了包序號信息）傳輸至遠端，遠程中心平臺根據收到的總包數和包序號重新組包，并進行查缺補包，一方面實現了圖像文件在窄帶信道中的快速傳輸，另一方面保證了圖像文件傳輸的可靠性。

采用這種文件傳輸方式，解決了信道固有的數據延時問題，將整個文件的數據傳輸延時縮短為一個文件包的傳輸延時，協議同時設計了補包流程和超時流程，從而解決了文件傳輸高效和可靠之間的矛盾。

4 結語

圖2 工作流程圖

本文設計的太湖藍藻在線監測裝置已在太湖藍藻監測系統中應用，應用效果良好。該監測裝置采取的低功耗圖像采集技術方案具有一定的通用性，可以在水文圖像監測系統、輸電線路圖像監測系統中使用，具有較好的推廣意義。

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