一種遠程光纖供能的視頻監控系統構建

龐曉玲，馮帥，閆午陽，王瑾，劉志忠，曹珊珊，蔣新力

（1.南京郵電大學光電工程學院，江蘇 南京 210046; 2.中天科技光纖有限公司，江蘇 南通 226009；3.江蘇中天科技股份有限公司，江蘇 如東 226463）

一種遠程光纖供能的視頻監控系統構建

龐曉玲1，馮帥1，閆午陽1，王瑾1，劉志忠2，曹珊珊2，蔣新力3

（1.南京郵電大學光電工程學院，江蘇 南京 210046; 2.中天科技光纖有限公司，江蘇 南通 226009；3.江蘇中天科技股份有限公司，江蘇 如東 226463）

本文提出并實現了一套遠程光纖供能的視頻監控系統。這套系統包括遠端單元﹑基站單元和上位機軟件。遠端單元以OV2640 CMOS為圖像傳感器﹑STM32為主控芯片采集數據，同時遠端集成有光伏電池，將基站提供的光能經光電轉換后給后級供電。基站單元采用輸出激光束波長為810nm的高功率激光器提供能量，并將接收到的數據通過FT232RL接口轉換芯片發送到PC端。基站和遠端之間通過兩根光纖連接，一根是傳輸波長為1310nm的單模光纖，用來傳輸視頻數據，另一根是傳輸波長為810nm的多模光纖，用來傳輸能量。上位機軟件選用可以進行實時圖像信號接收的串口調試助手。

光纖供能；視頻監控；激光器；光伏電池

0 引言

由于光纖通信技術的發展，激光供能系統在電力特別是光電式電流互感器中得到越來越廣泛的應用[1]。隨著激光能量的不斷提高，光纖傳輸激光能量并通過光電轉化供應直流電，到達特定難以鋪設電力線的場所，是一種應用前景廣闊的技術。傳統上使用電纜進行供能和通信，但在如礦井﹑森林等特殊場合，電力系統易受停電﹑雷擊等突發災害影響[2]，同時也增加了發生安全事故的危險，在上述場合中，一種新型的光纖傳能視頻監控系統，因為不產生任何火花，所以具有甚高的實用性[3]。

光纖供能的概念最早在1978年由貝爾實驗室Miller等人提出，他們建立了第一套光纖傳能系統[4]。至20世紀80年代末，一套基于光纖傳能的波分復用單向光互聯系統[5]已實現，然而該系統有效的電能相對較低，僅可用于低功耗器件。德國卡爾斯魯厄大學已實現一套100Mbps﹑30萬像素的遠程光纖供能視頻傳感系統，使用62.5微米的多模玻璃光纖傳輸，有效功率達到了2W。

綜上所述，光纖傳能技術近幾年來已經有了較為深入的研究和應用，目前的研究重點是：使光電傳輸系統的功耗達到最小。一方面，要降低光電傳輸系統本身消耗的功耗。另一方面，要降低用于信號處理的電子器件功耗。基于此，本文選用發射波長為810 nm的高功率激光器供能，同時設計了基于單片機的視頻圖像采集模塊，以STM32芯片為核心，以OV2640為視頻傳感器，并將接收到的信號上傳至上位機并顯示。最終構建出了一套低功耗的基于遠程光纖傳能的視頻監控系統。

1 視頻監控系統設計

本文提出并實現了一套遠程光纖供能的視頻監控系統，工作實物圖如圖1所示。

圖1 系統工作實物圖Fig.1 Real figure of the video surveillance system

該系統主要由三部分組成：遠端單元﹑基站單元和上位機軟件。本系統的系統框圖如圖2所示。遠端單元主控芯片STM32控制CMOS傳感器OV2640采集圖像，壓縮編碼后圖像格式為JPEG，輸出圖片大小為320*240，通信協議采用SCCB[6-7]。遠端單元消耗的所有能量是通過高功率激光器提供的，選用波長為810nm的激光器供應能量。遠端單元和基站單元通過單模數據光纖連接，攝像頭采集到的數據以光信號傳至基站。基站收到的光信號經光電轉換模塊轉化為電信號，并通過串口轉USB線發送至上位機。上位機的串口調試助手將視頻通過圖像界面顯示。

圖2 遠程光纖供能視頻監控系統框圖Fig.2 Diagram of the video surveillance system powered by distance fiber

圖3 主函數流程圖Fig.3 Flowchart of the main function

1.1 遠端單元電路

遠端單元主要包含STM32主控芯片﹑CMOS圖像傳感器和光發送模塊，利用STM32F103單片機控制OV2640 CMOS傳感器采集數據，OV2640可以直接輸出壓縮的JPEG格式圖像，大大降低了傳送圖像文件的大小。主函數流程圖如圖3，STM32串口有三種工作模式，在本系統中，選用靈活﹑高效的中斷方式。遠端單元原理圖如圖4所示，STM32通過串口3（UART3-TX和UART3-RX，分別對應圖4中P5的18和17管腳）控制攝像頭，通信協議采用SCCB（Serial Camera Control Bus），采用兩線工作方式，依靠SID_C（時鐘線）和SID_D（數據線）電平狀態實現。程序下載端口為JTMS﹑JTDI和JTCK。PC0-7為攝像頭數據輸出控制口，輸出八位數據。PB8和PB15用于控制SYNC和PCLK，數據在采集一幀圖片信號完畢時傳出。STM32的TX﹑RX端口分別連接光發送模塊的RX﹑TX端口，光發送模塊（同光接收模塊）原理圖如圖5。

圖4 遠端單元原理圖Fig.4 Schematic diagram of the remote unit

圖5 光收發模塊原理圖Fig.5 Schematic diagram of the optical transceiver module

1.2 基站單元電路

基站單元的主要功能有兩點：(1)將光信號轉化為電信號；(2)將光電轉化后的串行UART接口信號轉化為USB接口信號，并傳輸至上位機。基站與遠端之間的數據傳輸選用傳輸波長為1310 nm的單模光纖。本文中基站單元使用FT232RL接口轉換芯片，可以實現串行UART接口到USB的轉換。最后信號從Mini USB 2.0端口輸出至PC機，由上位機接收并顯示視頻數據。基站原理圖如圖6。

1.3 上位機軟件介紹

為了使光纖傳輸過來的圖像數據可以顯示在PC端，本系統使用了可以進行實時圖像信號接收的串口調試助手作為上位機軟件。

上位機軟件是硬件與PC端信息交流的界面化顯示方式，常用的上位機軟件通常具有串口調試功能，如更改數據傳輸串口號﹑傳輸波特率﹑數據位﹑停止位﹑傳輸幀率﹑傳輸格式等等。本系統所采用的上位機功能屬于圖像傳輸調試，其工作流程如圖7。

本系統所用的上位機軟件主要由三個部分構成[8]：圖像數據的接收﹑圖像數據的顯示﹑圖像數據的刷新。

圖像數據的接收部分使用MSCOMM控件實現，該控件是MFC中常用的串口數據接收工具，可以很方便的設置接收數據的串口端號﹑波特率等參數。由于下位機傳輸過來的圖像是JPEG格式的壓縮數據，所以在接收部分要進行圖像數據識別，一個完整的JPEG圖像數據結構由0XFF﹑0XD9表示圖像頭，由0XFF﹑0XD8表示圖像尾，所以上位機圖像接收部分要先進行圖像頭和圖像尾的識別，然后獲取一幀完整的圖像數據才進行顯示。在圖像進行顯示的過程中下位機也在不斷地傳送新的數據到上位機，所以還需要進行數據的緩存。

圖像數據的顯示部分使用PICTURE控件實現，該控件用于顯示位圖。當上位機軟件圖像數據接收部分接收到一幀完整的圖像信息之后，就要將圖像數據由緩存中取出并繪制在圖像控件上進行顯示，由于圖像數據使用JPEG格式接收，所以位圖繪制部分需要進行JPEG格式的解壓縮編碼操作。

圖像數據的刷新部分則是通過不斷讀取新接收到的數據來覆蓋舊的數據實現。當一個圖像幀進行完整的獲取之后就要讀取下一個完整的圖像幀，從而刷新緩存部分來進行圖像顯示區域的重繪，最后實現圖像顯示的刷新。

上位機軟件實現實時視頻數據顯示的工作窗口如圖8。

圖6 基站原理圖Fig.6 Schematic diagram of the base station

圖7 上位機工作流程圖Fig.7 Flowchart of the upper computer software

圖8 上位機軟件工作窗口Fig.8 Run window of the upper computer software

2 光纖供能技術及其在本系統中的應用

光纖供能技術就是通過光纖給遠端設備提供能量。由于傳輸媒介是光纖，系統具有抗電磁干擾﹑耐腐蝕﹑體積小﹑不受高頻信號影響﹑不產生任何電火花等電纜不具備的特點，因此適合于電荷敏感的特殊場合。

本系統的光纖供能單元包含激光器﹑傳能光纖﹑光伏電池三部分。相比氣體激光器﹑固體激光器﹑液體激光器而言，半導體激光器具有高光電轉換效率﹑超小型﹑高速工作的優點，并且可以滿足光伏電池吸收峰800nm左右的激光，因此本系統選用波長為810nm的半導體激光器作為高功率光源。傳能光纖為810nm的多模光纖，芯徑為105um，數值孔徑為0.22。在遠端，光伏電池是把光能轉化為電能的裝置[9]。本系統選用多節GaAs光伏電池，同時集成了超級電容儲存能量。

3 實驗數據分析

3.1 系統功耗測試

系統功耗分兩部分，一部分是攝像頭數據采集，另一部分是數據傳輸。圖9是系統功耗分布圖，測試時間共6分鐘，每100ms記錄一次數據，共得到3600個數據點，用散點圖表示。測試可得系統最小功耗為256mW，最大功耗為336mW，分布點最多的功耗是292mW和322mW，對應信息采集和數據傳輸兩個工作狀態。

圖9 系統功耗分布圖Fig.9 Distribution of system power consumption

3.2 傳能光纖損耗測試

在光纖供能系統中，考慮到光纖在傳能過程中會產生一定損耗，我們對傳能光纖的損耗進行了測試。測試六個數據點，具體數據如圖10。線性擬合得到光纖的損耗約為3dB/km，符合實際。

3.3 數據信號波形

本文用示波器分別測試遠端單元發送數據和基站單元接收到數據的實測圖，得到波形如圖11。經過對比可得發送和接收的數據波形除了略有延時外完全相同，可驗證本系統數據具有傳輸的可靠性。

圖10 系統功耗分布圖Fig.10 Distribution of system power consumption

圖11 數據波形實測圖Fig.11 Test pattern of the data waveform

4 總結

本文主要研究在難以鋪設電力線的場合采用光纖傳能的方式遠程提供能量，并且通過開發低功耗的視頻信號處理單元，構建出了一套遠程光纖供能的視頻監控系統。此系統以一種優良的工作模式工作，具有高系統運行能力及持久性。

[1] 邸榮光, 劉仕兵.光電式電流互感器技術的研究現狀與發展[J].電力自動化設備, 2006, 08:98-100.R G Di, S B Liu.Research status quo and development of optical current transducer [J].Electric power automation equipment, 2006, 08:98-100.

[2] 袁季修.保護用電流互感器應用指南[M].北京:中國電力出版社, 2003.J X Yuan.Protective current transformer application guide [M].Beijing:China electric power press, 2003.

[3] 楊銳文.光供電及光操控傳感系統[D].浙江大學, 2008.R W Yang.Light power and light control censor system[D].Zhejiang University, 2008.

[4] B.C.DeLoach Jr., R.C.Miller, S.Kaufman.Sound Alerter Powered Over an Optical Fiber[J].Bell System Technical Journal, 1978, 57:3309-3316.

[5] Liu Y.Brown J.J., Lo D.C.W., et al.Optically Powered Optical Interconnection System[J].Photonics Technology Letters, IEEE, 1989, 1(1):21-23.

[6] 高強, 王煒, 劉建, 等.SCCB總線配置的FPGA視頻采集與顯示系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用, 2014, 01:73-75.Q Gao, W Wang, J Liu, et al.FPGA video acquisition and display system based on SCCB bus configuration[J].Microcontroller and embedded systems applications, 2014, 01:73-75.

[7] 常志遠.基于自適應EWMA 算法t控制圖檢測能力的研究[J].新型工業化, 2014, 4(6):15-21.Z Y Chang.Research on detection capability of t control chart based on adaptive EWMA algorithm[J].The journey of new industrialization, 2014, 4(6):15-21.

[8] 陳祖尚, 王華闖, 楊洪.利用串口快速傳輸圖像并實時顯示[J].工業控制計算機, 2006, 19(04):11-12.Z S Chen, H C Wang, H Yang.Fast transmit image data using serial port and display in real time[J].Industrial control computer, 2006, 19(04):11-12.

[9] 孔令倩, 雷敏, 鄧昭俊, 等.基于I-V 曲線的光伏電池特性仿真模型研究[J].新型工業化, 2014, 4(7):28-34.L Q Kong, M Lei, Z J Deng, et al.Research on simulation model of photovoltaic cells characteristic based on I-V curve[J].The journey of new industrialization, 2014, 4(7):28-34.

A Video Surveillance System Powered by Distance Fiber

PANG XiaoLing1, FENG Shuai1, YAN Wuyang1, WANG Jin1, LIU Zhizhong2, CAO Shanshan2, JIANG Xinli3
(1.School of Optoelectronic Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing, China, 210046; 2.Zhongtian Technology Fiber Optic Co., Ltd., Nantong 226009, China; 3.Zhongtian Technology Co., Ltd., Rudong 226463, China)

This paper proposes and implements a video surveillance system powered by distance fiber.This system includes the remote unit, the base station unit, and the upper computer software.The remote unit is mainly combined with an imaging sensor OV2640 CMOS and a control chip STM32.Also, it integrates photovoltaic cell to supply power to other circuits after photovoltaic conversion.The base station unit is used to supply power by a high-power laser in the base station unit transmitting a laser beam wavelength of 810 nm, and to send data to PC ports through interface convention chip FT232RL.The base station unit and the remote unit are connected with two fibers.One is a single mode fiber with 1310 nm transmission wavelength to transmit video data.Another one is a multimode fiber with 810 nm transmission wavelength to transmit energy.A serial debugging assistant is functioned as the upper computer software for real-time data accepting.

powered by fiber; video surveillance; laser device; photovoltaic cell

龐曉玲，馮帥，閆午陽，等．一種遠程光纖供能的視頻監控系統構建[J]．新型工業化，2015，5(5)：49-54

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.05.07

:PANG XiaoLing, FENG Shuai, YAN Wuyang, et al.A Video Surveillance System Powered by Distance Fiber [J].The Journal of New Industrialization, 2015, 5(5)∶ 49?54.

南京郵電大學學生創新創業訓練計劃項目（SYB2014004）;江蘇省產學研前瞻性聯合研究項目（BY2014013）

龐曉玲（1994-），本科，主要研究方向：光電信息處理；王瑾（1973-），男，教授，博士，主要研究方向：光纖通信與光纖傳感，光伏器件及系統