基于3G網絡滑坡應急遠程監控系統設計

孟慶佳

0 引言

視頻監控技術廣泛用于資源保護、水利、礦業、交通、安全等，隨著通信技術日趨完善[1]，3G網絡及嵌入式技術的發展，使得視頻監控技術逐步實現低成本、低功耗、智能化、網絡化和遠程化。現今3G無線網絡技術在視頻監控系統的應用，節約了人力物力成本，克服了復雜地理環境等問題[2]。視頻監控技術正逐漸向泥石流、滑坡等地質災害監測發展，以便于將監控信息及時的傳送到接收終端，并保留寶貴的圖像及數據信息。

將視頻監測技術應用于野外地質災害監測中，可實現遠距離精確可靠監測預警。為了實現低功耗，位移監測模塊監測數據達到設定預警值或者定時器開啟，監測終端自動啟動，將監測的數據及圖像進行疊加處理發送到人機界面接收端。為了提高儀器的靈活性，用戶還可以通過Internet遠程控制視頻監控設備的啟動/關閉。本文將遠程視頻監控技術應用于滑坡地質災害中，將滑坡地質災害發生的視頻與數據完整過程保存下來，為滑坡地質災害發生的機理提供直觀可靠的研究依據。

1 系統總體設計

滑坡是指斜坡上的土體或者巖體，受河流沖刷、地下水活動、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影響，在重力作用下，沿著一定的軟弱面或者軟弱帶，整體地或者分散地順坡向下滑動的自然現象[3]。為保護人民的生命和財產安全，為國家地質災害監測工程提供技術服務，提出數據與圖像相結合的監測技術手段，為滑坡地質災害的研究提供更可靠的研究依據。

整個3G網絡視頻遠程監控系統主要由雨量傳感器、拉繩式位移傳感器、監控鏡頭、數據/圖像處理模塊（字符疊加）、視頻處理器、3G模塊組成，如圖1所示。

圖1 系統總體框架圖

雨量采集器主要是通過內部設置定量的翻斗計量器獲取脈沖信號。同樣，位移傳感器根據其內部拉繩變阻原理，改變阻值，實現滑坡體相對位移的測量。

將雨量與位移將信號轉化成數字信號，與設定的預警值進行對比，大于等于預警值時，開啟云臺攝像鏡頭，字符疊加模塊對采集的數據集圖像進行處理疊加，發送到視頻服務器的存儲模塊，通過3G網絡將數據/圖像打包傳送到接收終端（計算機）。

接收終端配有良好的人機界面，具有數據與圖像處理、遠程控制（本地存儲圖像/視頻）等功能。為實現低功耗，系統主要采用時鐘/遠端控制，采用系統結構級、電路級低功耗設計[4-5]。

2 系統硬件設計

2.1 數據采集

2.1.1 前端傳感器

（1）采用翻斗式雨量傳感器，采用5 V供電及雙可觸發單穩態觸發器CC4098，獲取單穩脈沖輸出，濾去雜波，翻斗每翻轉一次計數降雨量0.5 mm.

（2）采用拉繩式位移傳感器，5 V供電，精度能夠達到0.05 mm，將傳感器放入密封盒中，拉繩端接入耐腐蝕套管，采用深埋式多點式分部監測方法，深度約1 m，點位設置4個。滑坡位移發生并不是單純一個點，在可能發生相對位移的點位上均設置上位移傳感器進行監測，以防滑動位置判斷失誤而造成監測失敗。

2.1.2 數據圖像采集模塊

2.1 專家的基本信息 本研究共23名專家，年齡(39.50±11.39)歲，工作年限(20.00±6.89)年；文化程度：本科19名(82.61%)，碩士3名(13.04%)，博士1名(4.35%)；職稱：副高以下6名(26.09%)，副高及以上17名(73.91%);從事崗位：護理管理18名(78.26%)，臨床護理3名(13.04%)，護理教育1名(4.35%)，醫療專家1名(4.35%)；82.61%為康復專科護士，4.35%為康復護理教師，4.35%為康復醫師，8.70%為臨床康復護士。

（1）數據采集：數據采集傳輸模塊的MCU采用C8051，C8051具有四個定時器，兩個UART，外部存儲器接口，工作電壓在2.7~5.25 V.

（2）圖像采集：圖像采集主要采用低功耗VESJ400S1激光云臺攝像頭，鋁合金精鑄外殼，不易發熱、耐壓、防腐蝕、使用壽命長、輻射距離遠。激光夜視距離≤400米，自動調焦，較適用于遠距離惡劣大范圍的野外監控，工作電壓在8 V~36 V，功耗60 W。

（3）圖像存儲：采用SOC處理芯片和音視頻壓縮算法，支持遠程手機監控，具有高性能的操作系統，保證圖像傳輸流暢清晰。

2.2 數據圖像疊加模塊

采用一款單通道、單色隨屏顯示（OSD）發生器MAX7456，在動態視頻上疊加定制圖形，實現同步分離，內部集成視頻分離電路，字符存儲器，而且可方便以任意字符、尺寸顯示所需信息，硬件設計更簡單，成本更低，易于滿足實際需要不需要添加外部視頻驅動器[6-7]。采用MAX7456芯片提高了系統的穩定性，但是該芯片在應用時，散熱較差，故在電路設計要增加散熱片。

2.3 3G網絡傳輸模塊

采用電信3G網絡傳輸模塊，支持WIFI無線網絡搜索、接入，支持WEP/WPA/WPA2無線加密方式，內置于圖像存儲模塊內，實現圖像網絡連通性，可通過瀏覽器對視頻監控設備進行遠程設置、監控等。

良好的人機界面，可以通過綁定二級動態域名或者調用網絡傳輸系統內部設置IP地址，通過瀏覽器進行訪問，同時將信息存儲到本地硬盤中，進行數據及圖像分析。

2.5 太陽能供電系統

采用市電互補的方式進行供電，市電200 V正常供電情況下，為系統的主要供電電源，并在2 h內充滿蓄電池，停電后，系統外接300 W太陽能供電系統啟用，可連續2天陰雨天氣正常工作；條件惡劣的情況下，僅采用1 000 W太陽能供電系統，系統安裝點必須滿足每天光照約6 h，可連續5個陰雨天氣正常工作。保證系統正常運行。

整個系統結構如圖2所示。

圖2 系統結構圖

3 軟件設計

系統的程序流程如圖3所示。主要實現初始化、定時啟動、外部喚醒、遠程控制功能。

圖3 程序初始化流程圖

（1）系統初始化：系統上電后，定時器初始化，通過遠端控制，發送初始化信息矯正時間、初始值、預警值等，啟動攝像鏡頭，向主機發送處理信號，確定無誤，上位機遠程發送運行指令，正式啟動系統，進入節電休眠模式；

（2）定時啟動：初始化后，系統進入休眠模式，每4 h系統啟動，從EEProm讀取并寫入存儲值，對數據圖像進行處理，通過電信3G模塊將處理信息發送到接收終端，運行2 h后，進入休眠狀態；

（3）外部喚醒：當外部降雨量或者位移量超過預設報警值時，系統立即被喚醒，啟動攝像鏡頭，通過電信3G模塊，傳輸報警信號及數據圖像處理信息，遠端進行圖像數據處理，提醒終端進行防災預警（預警值可設置為三個等級：黃色預警、藍色預警、紅色預警）；

（4）遠程控制：系統在正常運行狀態下，由外部定時器定時啟動休眠，也可通過遠程控制發送啟動信息，調取數據圖像。

4 結論

本文設計了基于3G網絡滑坡應急遠程監控系統，該系統主要用于野外監測，宗旨是低功耗、低成本。采用嵌入式系統，通過3G網絡實現遠程監控，存儲寶貴的監測數據。圖像傳輸過程中采用高性能的操作系統和音視頻壓縮算法，圖像在傳輸過程中更加流暢，畫面連續清晰。可以通過瀏覽器進行遠端控制、管理、配置、監控、存儲、數據圖像處理等，使得操作更加簡便，見圖4.

（續上圖）

圖4 室內測試與野外測試安裝

該系統已在四川省、云南省兩地進行野外實驗，由于野外光照強度、濕度、陰雨天氣、野外環境等影響，儀器設備整體運行設計在防潮、防蟲蟻、日照強度等方面仍有缺陷，為更好地適應野外各種惡劣環境，該儀器仍需不斷改進完善。

[1]樊亞琴.淺談視頻監控系統的應用與發展[J].科技情報開發與經濟，2010，20（5）：206-207.

[2]譚驤駿.基于無線網絡的視頻監控系統的設計與研究[D].武漢：武漢理工大學，2010：5-8.

[3]吳 璋，石智軍，董書寧.滑坡災害與防治技術研究[M].武漢：中國地質大學出版社，2015：10-35.

[4]王青松.DSP低功耗設計技術[D].西安：西安電子科技大學，2007：7-15.

[5]孫世鵬.MCU低功耗設計技術及其功耗分析[D].天津：天津大學，2006：2-10.

[6]汪 輝，王昌明，宋高順，等.基于MAX7456的字符疊加系統設計[J].電子設計工程，2010，18（7）：181-183.

[7]陳 毅，張殿富.基于MAX7456的視頻電子分劃疊加系統設計[J].電子科技，2010，23（12）：45-48.