遠程圖像采集技術在水情測報系統應用研究

郭 易，侯 煜，馬 嵐，于興晗

（北京中水科水電科技開發有限公司，北京100038）

0 引言

水情自動測報系統是一種先進的水情信息實時采集系統，它應用通信、遙測和計算機技術，完成流域內降雨量、水位、流量等參數的實時收集和處理，為防洪、供水、發電等優化調度提供基礎數據支持。隨著技術的不斷進步，水情測報系統的功能日益完善，可監測到的物理參量也越來越豐富，但被監測對象僅能以數值方式呈現，對現場情況缺乏全面的、綜合性的、形象化的展示。

近年來，視頻監控與圖像采集技術發展迅速，以其直觀、方便、信息內容豐富的特點而被廣泛應用于各行業監測系統。對于水情測報系統，獲取現場視頻或圖像信息可以幫助工作人員更直觀的了解現場狀況，獲得除傳感器數據以外的一些有價值的信息。如北方河道冬季冰情，即可通過現場圖像進行了解。考慮水情測報系統安裝環境所限，同時結合具體應用需求，本文提出將圖像采集與2.5 G/3 G/4 G通信技術結合應用于水情測報系統，實現遙測站現場圖像采集與遠程傳輸，為水情測報系統增加一種更為直觀、形象的遠程監測手段。

1 總體方案

本文所做研究內容是在現有的水情測報系統基礎上進行，是在現有結構上的新功能研究應用，因此必須符合現有水情測報系統的應用條件與要求。水情測報系統中遙測站往往地處偏僻山區，安裝環境惡劣，運行條件差。目前大多數視頻監控系統采用基于光纖的有線傳輸方式，也有部分基于衛星或3 G/4 G網絡的無線傳輸方式，圖像采集以實時采集方式為主，約25～30幀/s，在接收端以視頻的形式實時呈現現場狀況。此種工作模式不適用水情測報系統，主要存在以下幾點障礙：①水情測報系統遙測站大多不具備有線傳輸條件；②水情測報系統遙測站大多采用太陽能板+蓄電池的供電方式，對功耗要求嚴格，無法進行實時的采集與傳輸；③衛星通信費用較高，傳輸大數據量經濟性差。基于以上幾點，同時考慮到水情測報系統對監測對象實時性要求不高，本文提出基于2.5 G/3 G/4 G通信網絡的遠程圖像采集傳輸技術，系統基本結構如圖1所示。

攝像頭作為一個傳感器接入遙測終端，遙測終端控制攝像頭拍照并讀取圖片數據，數據可存儲在遙測終端內部的SD卡，或直接通過通信終端進行數據無線遠傳，通信方式可根據現場情況選擇GPRS/3 G/4 G等多種方式，通過運營商的數據通道無線接入Internet，將數據分包傳輸到中心站的固定IP地址，中心站對數據包進行校驗整合后，形成一幅完整圖像。

2 圖像數據采集

2.1 攝像頭選擇

攝像頭分為數字攝像頭和模擬攝像頭兩大類。模擬攝像頭需經過特定的視頻捕捉卡將模擬信號轉換為數字信號，再進行壓縮處理轉換，流程、結構復雜，目前已逐步被數字攝像頭取代。數字攝像頭可直接捕獲影像，畫質較好，接口簡單，便于集成使用，目前得到廣泛的應用。數字攝像頭常用接口包括USB、IEEE1394、RJ-45等。隨著遠程監測領域對圖像采集應用需求的不斷增長，市場上出現以標準串口為接口的攝像頭。串口是遙測終端最通用的一種接口，因此本系統選用了串口攝像頭作為圖像采集設備，相比于其他接口類型具有以下優勢：

（1）便于集成使用。目前常用的水情遙測終端都配有串口，無需接口轉換設備。

（2）軟件開發難度低。采用其他接口（如：USB、RJ-45）通常還需要編寫相應的驅動程序，難度和工作量都比較大。而采用串口通信編程難度低很多，易于短時間內實現。

（3）串口攝像頭集成度較高。內部集成了光學元件、圖像采集與處理的器件，并完成了圖像的壓縮與編碼，具有統一的通信協議。這樣RTU端的工作量就很小，無需增加硬件，編寫簡單的通信程序即可實現圖像拍攝的控制與數據的讀取。

2.2 串口攝像頭

串口攝像頭是一種兼具視頻采集和圖像壓縮功能的攝像頭，目前市場上有多種像素規格可選（30萬、130萬、300萬、500萬等）。采用數字CMOS圖像傳感器,圖像采集效果好，性價比優。內含拍攝控制、視頻捕捉、圖像數據采集、圖像壓縮、串口通信等功能，采用標準的JPEG圖像壓縮算法，圖像輸出格式與計算機系統完全兼容。

由于串口攝像頭大多用于野外監測系統，使用環境惡劣，因此串口攝像頭通常采用防水槍型結構。串口攝像頭具有以下主要功能特點：

（1）圖像分辨率可設置。像素越高，圖片越大，傳輸耗時越長，需根據實際需求確定。以500萬像素攝像頭為例，可設置為以下幾個規格：

320×240 7.5萬像素

640×480 30萬像素

1280×1024 130萬像素

2048×1536 300萬像素

2592×1944 500萬像素

（2）圖像壓縮率可設置。可通過程序設置圖像壓縮程序的參數，高壓縮率可在一定程度上減小圖片大小，但是會影響到圖像的清晰度，實際應用時可根據現場實拍情況進行設置。

（3）支持夜間拍攝。攝像頭具有紅外照明功能，能夠實現自動照度補償，能夠在夜晚無光照條件下進行圖像拍攝。

2.3 圖像采集流程

RTU與串口攝像頭連接方式如圖2所示。為保證遙測系統的低功耗，攝像頭電源供應需由RTU進行控制，拍攝前給攝像頭加電，拍攝結束、數據讀取完畢后，攝像頭掉電。整個拍攝及讀數流程持續時間一般不超過2 min，因此對整個系統功耗影響很小。

圖2 RTU與攝像頭連接示意圖

圖像采集觸發機制包括兩種：定時采集與中心站遠程控制采集。在設定時間到達或中心站發送拍攝指令后，可啟動一次圖像拍攝流程，一次完整的圖像采集流程如下：

（1）攝像頭加電。攝像頭加電后需要一個初始化過程，最長不超過20 s，因此RTU在此需等待20 s。

（2）發送拍攝單幅圖像指令。攝像頭收到拍攝指令后首先會返回應答指令，隨后進行圖像拍攝，耗時不超過1 s，拍攝結束后攝像頭向RTU發送所拍圖片大小與分包數量。

（3）RTU發送讀取數據命令。指令中需指定數據包序號，從第一包開始。

（4）攝像頭首先返回應答指令，接著向RTU返回指定序號的數據包。

（5）讀取下一包數據，重復步驟3、4，直至讀取全部數據。

3 圖像數據遠程傳輸

3.1 通信方式選擇

相較于傳統的水情測報系統水位、雨量等傳感器數據，圖像的數據量要大很多。通常一包水情測報業務數據不過幾十個字節，但是一幅圖像質量尚可，能基本反映現場狀況的圖片至少要50～100 kB左右。因此短信無法作為圖像數據傳輸的載體，必須使用GPRS/3 G/4 G的數據通信業務進行圖像數據的傳輸。

GSM與GPRS同屬第2代移動通信技術，GPRS是在GSM基礎上發展起來的分組數據承載和傳輸業務，可劃歸為2.5 G通信技術，特別適用于間斷的、突發性的或頻繁的、少量的數據傳輸；3 G指第2代移動通信技術，是支持高速數據傳輸的蜂窩移動通信技術，其最大特點是相較于2代網絡通信速度大幅提升，可提供更為豐富的移動多媒體業務；4 G是近年來推廣應用的最新一代的移動通信技術，在保留3 G技術的所有優點的基礎上，還具有通信速度更快、網絡頻譜更寬、兼容性更好、費用更加便宜等特點。

水情遙測站大多地處偏僻，通信設施建設普遍滯后。2 G/3 G網絡已建設多年，覆蓋情況較好。4 G網絡由于建設年限短，許多地區尚未覆蓋。因此本文主要針對基于GPRS、3 G網絡的圖像傳輸技術進行了實驗研究。

3.2 數據傳輸功能實現

在數據傳輸的兩端，遙測站通過無線方式進行數據發送，中心站通常是以有線方式接入Internet，通過網絡接收數據。數據傳輸是借助移動通信運營商提供的無線網絡與Internet的接口實現的。遙測站從攝像頭讀取JPEG格式的圖像數據，并通過通信終端進行TCP/IP協議的封裝，打包成能夠在Internet上傳輸的IP數據包，最終通過網絡傳輸到中心站。中心站經過解碼、數據整合，形成一幅完整的圖片。

3.2.1 基于GPRS的數據傳輸

GPRS是覆蓋范圍最廣、應用最為廣泛的遠程數據通信網絡，不僅應用于水情測報領域，在其他行業也有極其廣泛的應用。本文選擇Cinterion公司（原西門子）的MC52i通信終端，MC52i支持GSM雙頻段，支持GPRS，內嵌TCP/IP協議棧，支持數據、語音、短消息等業務，標準AT指令集控制。

MC52i終端GPRS網絡登錄及數據發送相關指令如下：

此時，遙測站與中心站的連接通道已建立，可通過at^sisw命令進行數據傳輸。at^sisw命令一次最多可發送1 500 B，因此圖像數據需進行分包傳輸，直至所有字節傳輸完成。

3.2.2 基于3 G的數據傳輸

各家運營商采用的3 G制式各不相同，其中中國聯通提供的WCDMA制式的3 G網絡效果最好，傳輸速度最快，因此本文選擇了廈門為那通信科技公司的WCDMA制式的3 G通信終端WCTU。WCTU采用高性能的工業級32位處理器作為其硬件平臺，配置工業級的無線通信模塊，支持GSM/GPRS、CDMA等多種通信頻段。

目前市場上的大多3 G通信終端在工作模式上與GPRS終端有所區別，廠商在標準AT指令集外封裝了自己定義的協議，因此對終端的操作必須使用廠商提供的配置工具。此種模式的優點是操作簡單，無需程序干預即可實現自動撥號連接。缺點是RTU對通信終端失去控制權，無法進行底層的控制操作。

本文采用WCTU作為通信終端，無需編寫復雜的AT指令交互程序，加電后通信終端自動撥號連接，建立連接后即可實現數據透傳。但由于WCTU待機功耗較大，不能長時間待機工作，因而無法實時響應中心站指令。

3.2.3 兩種傳輸方式比較

為進行更好的研究與實踐，本文在屋頂建立實驗測站，對室外環境進行拍攝，如圖3所示。圖中左側為實驗測站，配置130萬像素攝像頭，右側為實拍樣片（分辨率1280×1024，大小106 kB）。經過多次試驗對比，在傳輸速度上3G通信具有較大優勢，但在功耗方面則有較明顯缺點，具體對比如表1所示。

圖3 實驗測站與實拍樣片

表1 兩種通信方式對比表

兩種通信方式的傳輸速度不僅受到通信制式不同的影響，也與通信終端的數據處理能力，當地網絡擁塞情況有關，但經過多次試驗，表1中的數據基本可以反映兩種通信制式之間的實際速度差距。

3.3 中心站數據接收

中心站通常采用固定IP地址，如不具備條件，也可采用動態域名解析的方法綁定一個固定的域名。中心站軟件建立Socket套接字，實時偵聽來自遠方測站的連接，建立連接后即可實現圖像數據的傳輸，所有數據包接收完畢后即可保存為一副完整的JPEG圖像。

4 結束語

將遠程圖像采集技術應用于水情測報領域是對原有系統功能的補充與完善，可以幫助相關工作人員更好的了解現場情況，從而做出更加科學準確的判斷與決策。圖像的清晰度與傳輸速度是一對矛盾，需根據工程實際需求尋求二者之間的平衡點。本文所介紹的系統不僅可在水情測報領域進行應用，對其他相關行業同樣具有借鑒意義。