远程图像采集技术在水情测报系统应用研究

郭 易，侯 煜，马 岚，于兴晗

（北京中水科水电科技开发有限公司，北京100038）

0 引言

水情自动测报系统是一种先进的水情信息实时采集系统，它应用通信、遥测和计算机技术，完成流域内降雨量、水位、流量等参数的实时收集和处理，为防洪、供水、发电等优化调度提供基础数据支持。随着技术的不断进步，水情测报系统的功能日益完善，可监测到的物理参量也越来越丰富，但被监测对象仅能以数值方式呈现，对现场情况缺乏全面的、综合性的、形象化的展示。

近年来，视频监控与图像采集技术发展迅速，以其直观、方便、信息内容丰富的特点而被广泛应用于各行业监测系统。对于水情测报系统，获取现场视频或图像信息可以帮助工作人员更直观的了解现场状况，获得除传感器数据以外的一些有价值的信息。如北方河道冬季冰情，即可通过现场图像进行了解。考虑水情测报系统安装环境所限，同时结合具体应用需求，本文提出将图像采集与2.5 G/3 G/4 G通信技术结合应用于水情测报系统，实现遥测站现场图像采集与远程传输，为水情测报系统增加一种更为直观、形象的远程监测手段。

1 总体方案

本文所做研究内容是在现有的水情测报系统基础上进行，是在现有结构上的新功能研究应用，因此必须符合现有水情测报系统的应用条件与要求。水情测报系统中遥测站往往地处偏僻山区，安装环境恶劣，运行条件差。目前大多数视频监控系统采用基于光纤的有线传输方式，也有部分基于卫星或3 G/4 G网络的无线传输方式，图像采集以实时采集方式为主，约25～30帧/s，在接收端以视频的形式实时呈现现场状况。此种工作模式不适用水情测报系统，主要存在以下几点障碍：①水情测报系统遥测站大多不具备有线传输条件；②水情测报系统遥测站大多采用太阳能板+蓄电池的供电方式，对功耗要求严格，无法进行实时的采集与传输；③卫星通信费用较高，传输大数据量经济性差。基于以上几点，同时考虑到水情测报系统对监测对象实时性要求不高，本文提出基于2.5 G/3 G/4 G通信网络的远程图像采集传输技术，系统基本结构如图1所示。

摄像头作为一个传感器接入遥测终端，遥测终端控制摄像头拍照并读取图片数据，数据可存储在遥测终端内部的SD卡，或直接通过通信终端进行数据无线远传，通信方式可根据现场情况选择GPRS/3 G/4 G等多种方式，通过运营商的数据通道无线接入Internet，将数据分包传输到中心站的固定IP地址，中心站对数据包进行校验整合后，形成一幅完整图像。

2 图像数据采集

2.1 摄像头选择

摄像头分为数字摄像头和模拟摄像头两大类。模拟摄像头需经过特定的视频捕捉卡将模拟信号转换为数字信号，再进行压缩处理转换，流程、结构复杂，目前已逐步被数字摄像头取代。数字摄像头可直接捕获影像，画质较好，接口简单，便于集成使用，目前得到广泛的应用。数字摄像头常用接口包括USB、IEEE1394、RJ-45等。随着远程监测领域对图像采集应用需求的不断增长，市场上出现以标准串口为接口的摄像头。串口是遥测终端最通用的一种接口，因此本系统选用了串口摄像头作为图像采集设备，相比于其他接口类型具有以下优势：

（1）便于集成使用。目前常用的水情遥测终端都配有串口，无需接口转换设备。

（2）软件开发难度低。采用其他接口（如：USB、RJ-45）通常还需要编写相应的驱动程序，难度和工作量都比较大。而采用串口通信编程难度低很多，易于短时间内实现。

（3）串口摄像头集成度较高。内部集成了光学元件、图像采集与处理的器件，并完成了图像的压缩与编码，具有统一的通信协议。这样RTU端的工作量就很小，无需增加硬件，编写简单的通信程序即可实现图像拍摄的控制与数据的读取。

2.2 串口摄像头

串口摄像头是一种兼具视频采集和图像压缩功能的摄像头，目前市场上有多种像素规格可选（30万、130万、300万、500万等）。采用数字CMOS图像传感器,图像采集效果好，性价比优。内含拍摄控制、视频捕捉、图像数据采集、图像压缩、串口通信等功能，采用标准的JPEG图像压缩算法，图像输出格式与计算机系统完全兼容。

由于串口摄像头大多用于野外监测系统，使用环境恶劣，因此串口摄像头通常采用防水枪型结构。串口摄像头具有以下主要功能特点：

（1）图像分辨率可设置。像素越高，图片越大，传输耗时越长，需根据实际需求确定。以500万像素摄像头为例，可设置为以下几个规格：

320×240 7.5万像素

640×480 30万像素

1280×1024 130万像素

2048×1536 300万像素

2592×1944 500万像素

（2）图像压缩率可设置。可通过程序设置图像压缩程序的参数，高压缩率可在一定程度上减小图片大小，但是会影响到图像的清晰度，实际应用时可根据现场实拍情况进行设置。

（3）支持夜间拍摄。摄像头具有红外照明功能，能够实现自动照度补偿，能够在夜晚无光照条件下进行图像拍摄。

2.3 图像采集流程

RTU与串口摄像头连接方式如图2所示。为保证遥测系统的低功耗，摄像头电源供应需由RTU进行控制，拍摄前给摄像头加电，拍摄结束、数据读取完毕后，摄像头掉电。整个拍摄及读数流程持续时间一般不超过2 min，因此对整个系统功耗影响很小。

图2 RTU与摄像头连接示意图

图像采集触发机制包括两种：定时采集与中心站远程控制采集。在设定时间到达或中心站发送拍摄指令后，可启动一次图像拍摄流程，一次完整的图像采集流程如下：

（1）摄像头加电。摄像头加电后需要一个初始化过程，最长不超过20 s，因此RTU在此需等待20 s。

（2）发送拍摄单幅图像指令。摄像头收到拍摄指令后首先会返回应答指令，随后进行图像拍摄，耗时不超过1 s，拍摄结束后摄像头向RTU发送所拍图片大小与分包数量。

（3）RTU发送读取数据命令。指令中需指定数据包序号，从第一包开始。

（4）摄像头首先返回应答指令，接着向RTU返回指定序号的数据包。

（5）读取下一包数据，重复步骤3、4，直至读取全部数据。

3 图像数据远程传输

3.1 通信方式选择

相较于传统的水情测报系统水位、雨量等传感器数据，图像的数据量要大很多。通常一包水情测报业务数据不过几十个字节，但是一幅图像质量尚可，能基本反映现场状况的图片至少要50～100 kB左右。因此短信无法作为图像数据传输的载体，必须使用GPRS/3 G/4 G的数据通信业务进行图像数据的传输。

GSM与GPRS同属第2代移动通信技术，GPRS是在GSM基础上发展起来的分组数据承载和传输业务，可划归为2.5 G通信技术，特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输；3 G指第2代移动通信技术，是支持高速数据传输的蜂窝移动通信技术，其最大特点是相较于2代网络通信速度大幅提升，可提供更为丰富的移动多媒体业务；4 G是近年来推广应用的最新一代的移动通信技术，在保留3 G技术的所有优点的基础上，还具有通信速度更快、网络频谱更宽、兼容性更好、费用更加便宜等特点。

水情遥测站大多地处偏僻，通信设施建设普遍滞后。2 G/3 G网络已建设多年，覆盖情况较好。4 G网络由于建设年限短，许多地区尚未覆盖。因此本文主要针对基于GPRS、3 G网络的图像传输技术进行了实验研究。

3.2 数据传输功能实现

在数据传输的两端，遥测站通过无线方式进行数据发送，中心站通常是以有线方式接入Internet，通过网络接收数据。数据传输是借助移动通信运营商提供的无线网络与Internet的接口实现的。遥测站从摄像头读取JPEG格式的图像数据，并通过通信终端进行TCP/IP协议的封装，打包成能够在Internet上传输的IP数据包，最终通过网络传输到中心站。中心站经过解码、数据整合，形成一幅完整的图片。

3.2.1 基于GPRS的数据传输

GPRS是覆盖范围最广、应用最为广泛的远程数据通信网络，不仅应用于水情测报领域，在其他行业也有极其广泛的应用。本文选择Cinterion公司（原西门子）的MC52i通信终端，MC52i支持GSM双频段，支持GPRS，内嵌TCP/IP协议栈，支持数据、语音、短消息等业务，标准AT指令集控制。

MC52i终端GPRS网络登录及数据发送相关指令如下：

此时，遥测站与中心站的连接通道已建立，可通过at^sisw命令进行数据传输。at^sisw命令一次最多可发送1 500 B，因此图像数据需进行分包传输，直至所有字节传输完成。

3.2.2 基于3 G的数据传输

各家运营商采用的3 G制式各不相同，其中中国联通提供的WCDMA制式的3 G网络效果最好，传输速度最快，因此本文选择了厦门为那通信科技公司的WCDMA制式的3 G通信终端WCTU。WCTU采用高性能的工业级32位处理器作为其硬件平台，配置工业级的无线通信模块，支持GSM/GPRS、CDMA等多种通信频段。

目前市场上的大多3 G通信终端在工作模式上与GPRS终端有所区别，厂商在标准AT指令集外封装了自己定义的协议，因此对终端的操作必须使用厂商提供的配置工具。此种模式的优点是操作简单，无需程序干预即可实现自动拨号连接。缺点是RTU对通信终端失去控制权，无法进行底层的控制操作。

本文采用WCTU作为通信终端，无需编写复杂的AT指令交互程序，加电后通信终端自动拨号连接，建立连接后即可实现数据透传。但由于WCTU待机功耗较大，不能长时间待机工作，因而无法实时响应中心站指令。

3.2.3 两种传输方式比较

为进行更好的研究与实践，本文在屋顶建立实验测站，对室外环境进行拍摄，如图3所示。图中左侧为实验测站，配置130万像素摄像头，右侧为实拍样片（分辨率1280×1024，大小106 kB）。经过多次试验对比，在传输速度上3G通信具有较大优势，但在功耗方面则有较明显缺点，具体对比如表1所示。

图3 实验测站与实拍样片

表1 两种通信方式对比表

两种通信方式的传输速度不仅受到通信制式不同的影响，也与通信终端的数据处理能力，当地网络拥塞情况有关，但经过多次试验，表1中的数据基本可以反映两种通信制式之间的实际速度差距。

3.3 中心站数据接收

中心站通常采用固定IP地址，如不具备条件，也可采用动态域名解析的方法绑定一个固定的域名。中心站软件建立Socket套接字，实时侦听来自远方测站的连接，建立连接后即可实现图像数据的传输，所有数据包接收完毕后即可保存为一副完整的JPEG图像。

4 结束语

将远程图像采集技术应用于水情测报领域是对原有系统功能的补充与完善，可以帮助相关工作人员更好的了解现场情况，从而做出更加科学准确的判断与决策。图像的清晰度与传输速度是一对矛盾，需根据工程实际需求寻求二者之间的平衡点。本文所介绍的系统不仅可在水情测报领域进行应用，对其他相关行业同样具有借鉴意义。