带宽受限条件下的视频采集传输技术

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摘 要本文就带宽有限的水文自动测报系统功能扩展到视频传输应用，论述了水文自动测报设备的图像视频传输功能实现技术已经可以应用到水文图像视频检测中的技术方法。

【关键词】带宽受限 视频采集 自动测报设备 视频传输

1 前言

水文遥测站一般布设在河流重要控制断面，大部分都处于远离城镇偏远地区，设备采用太阳能浮充蓄电池的直流供电方式，以满足不通市电地区的电源需要，信息传输主要使用移动公网GPRS＼CDMA为信道，这个传输带宽对于图像传输来说是不足的，于是就要研究专门的技术，使的水文自动测报系统设备从只能传输少量的数据信息，扩展到具有传输大量的数字信息的图像视频信息。

2 水文自动测报系统的图像传输

近年来，国内有关科研单位设备厂商及相关水文单位努力提高自身科研水平，使水文自动测报系统得到迅速发展和广泛应用。随着电子信息技术和通讯技术的快速发展，可以方便地开发出性能更先进、功能更全面的水文遥测设备，不但能监测雨量、水位、闸门开启高度、流量、地下水及水质等实时信息，进一步拓展图像采集传输。

2.1 遥测站图像采集

水文自动测报系统实现图像传输首先要解决图像信息的采集。图像数据采集采用防水型串口摄像机，内含有拍摄控制、视频捕捉、图像数据采集、图像JPEG压缩及串口通信等功能，同时带有可选择的红外照明功能，能够实现自动照度补偿、远程照明，接口为标配的RS232/RS485串行接口，能够方便的和遥测终端相连。遥测终端机通过RS232/RS485串行连接摄像头，控制摄像头拍摄图像，拍摄得的图像保存在遥测终端机内存中，等待端机发送命令分帧获取图像包。

图像监测站运行体制采用自报式工作体制，并增加有远程抓拍图像功能，可以进行图像定时自动采集报送或安接受到的召测指令采集报送。自报次数可以根据需要设定并可随时调整，可以设置为每天1、2、4、6、8、12或24次。实现远程抓拍的召测指令可由发送短信、远程电话振铃发送到遥测测站端机，也可以通过遥测端机LCD的菜单选项或专门的图像召测按钮实现图像抓拍。

2.2 遥测端机的图像传输技术设计

水文自动测报系统实现图像采集传输的关键在于遥测端机的设计，使其具有图像采集传输功能。至少已有两种实现模式的端机：

（1）采用嵌入式处理器硬件设计为主的技术；

（2）采用软件功能的扩展。

使用嵌入式处理器技术设计增加图像采集传输功能的遥测端机，采用低功耗高性能的嵌入式处理器，实时操作系统，GPRS/ CDMA/3G/4G等通信技术，互联网技术，太阳能持续电源供应等技术。在遥测端机开发中将32位嵌入式处理器S3C44BOX和实时操作系统Ucos-Ⅱ相结合，采用GPRS、CHMA及3G/4G等公网数据通道，开发具有图像采集功能的水文遥测系统。实现包括远程实时图像在内的多种水文信息的遥测。软件设计界面采用uC/GUI，它是嵌入式用户图形界面软件，给任何使用图形LCD的应用程序提供独立于处理器和LCD控制器之外的有效的图形用户接口，可应用于单一任务环境，也可以用于多任务环境中。使图形任务实现以下功能：具有参数设置、功能选择及控制、运行状态显示等。

使用软件功能的扩展设计实现图像采集传输的端机，图像监测部分由串口摄像机、遥测终端机（RTU）及电源系统组成。由于图像监测站要适应一般在偏远地区的水文站的环境，系统的设计的基本要求是低功耗，高稳定可靠性。选用AVR单片机ATmega2560作为遥测终端机（RTU）系统主CPU，是ATMEL公司的8位系列单片机的配置比较高的一款单片机，它高性能低功耗，接口丰富，处理能力，应用极其广泛，非常适合作为遥测终端机的主CPU。

软件设计既注重程序的整体逻辑结构又要提高程序的执行效率。系统软件整体上分为设备驱动层和应用层。设备驱动层负责所有的硬件外部接口的驱动管理，部分采用汇编语言实现。应用层负责实现业务应用功能。两层之间既相互独立又有所耦合，设备层与应用层通过函数库和全局变量相互调用和联系。

采用“多任务并行处理”软件模式，保证系统能同时支持多个任务并行运行，每个任务独占系统资源，多个任务共享系统资源。“串口摄像驱动”的实现，将串行口摄像机的采集控制程序全部集成在软件中，形成驱动库，应用层通过函数直接调用，而不是要关注内部底层操作细节。软件具有休眠唤醒功能和看门狗功能，保证系统正常运行不死机。

2.3 图像信息的传输接收

基于遥测端机的图像监测系统主要由前端图像监测站和中心图像接收控制软件两部分组成，图像检测站安装在水文站需要拍摄图像的现场，中心站图像接收监控软件安装在中心站管理机房。图像监测站要实现在偏远地区的恶劣现场条件下，稳定可靠采集现场图像并根据现场移动通讯网状况，在尽量短的时间内将图像传输至中心站。中心站能同时接收多个测站发来的多幅图像数据包，在接收完成后能将图像数据包里的信息尽快组合成多幅完整的图像。

在日常定时报送的一段时间内，所有图像检测站几乎同时通过GPRS信道与中心站建立TCP连接进行数据传输，由于图像数据量比较大，传输过程也比较长，因此，中心站图像接收控制软件需要同时处理与多个图像监测站的发送接收任务，如果采用一个单独线程进行处理，所有任务都要被该线程顺序处理，排队等待将会大大影响图像接收的时效性，因此必须采用“多线程”技术处理多个测站端的同时访问。当一个图像监测站通过传输信道发起一个TCP连接是，接收程序为该连接创立一个独立的为该任务独占的线程，以接收该站发送的图像。图像接收完成后，按照序号将分包数据组合成一幅图像，存入数据库。完成任务后系统销毁该线程。

2.4 遥测站电源设计

水文遥测站点一般比较偏远，交流电一般难以保证，为了保障图像监测站能适应于偏远水文站点，系统设计时要遵从水文遥测站太阳能板与蓄电池的供电模式。据此也要求图像监测站整机功耗比较低。从以下两个方面保障低功耗：

（1）遥测终端机支持休眠唤醒功能，当系统处于工作状态时，功耗正常；当完成任务后，系统立即进入休眠模式，这时系统功耗比较低，采用直流12V供电时，值守电流仅5～8mA。

（2）串口摄像机电源由遥测端机控制，当摄像机正常工作时，接通供电，当摄像任务完成时，遥测端机控制立即关闭电源。也就是说，在不工作状态下，只有消耗遥测终端机值守电流的功耗。

3 结语

水文自动测报站点一般都布置在野外偏远地点，传输带宽受限制，能利用水文自动测报设备的现有资源进行图像采集传输，既能充分发挥设备在雨水情有限的信息测报的大量宽裕时间效益，又能增加水信息控制站点的图像信息，丰富防汛减灾水资源配置调度的可视化信息，对决策支持的帮助很大。为提高水利信息资源的应用水平和共享程度，从而全面提高水利建设和水事处理的效率和效能做出更多的贡献。

参考文献

[1]张建云，唐镇松，姚永熙等.水文自动化测报系统应用技术[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

[2]熊启龙.基于遥测终端机的图像监测系统设计[J].水利信息化，2014（06）：69-72.

作者单位

江苏省水土保持总站 江苏省南京市 210000