浮标应用图像采集与无线传输集成系统的研究
梁德荣
摘 要：伴随着通信技术的发展，无线通信和网络技术日益成熟与可靠，“高速运动中”和“非视通条件下”实现高质量实时图像和数据传输已变为现实。为提高航标维护管理能力，丰富海上船舶实时动态监控手段，推进航标智能化、可视化是航标管理者努力的方向和目标；本文在不改变浮标助航效能的基础上，根据复杂多变的海上环境，研究一套具备图像采集、图像处理、图像的传输、本地存储调用等主要功能，并可拓展航道监测、海况数据采集、航标灯器管理、能源管理等功能的有机融合体，实现一套远程图像监控、远程控制、图像采集传输等功能于一体的无线监控指挥管理系统。
关键词：浮标；图像；无线传输；集成系统
中图分类号：TN914 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）7-0045-03
1研究的背景
背景一：随着向海经济和航运发展，船舶通航流量增多，密度增大，加上港口航道新建、扩建，海上作业活动频繁，海上浮标在提供导助航服务的同时，遭遇碰撞、损坏的风险也随之增多。由于事发地点在海上，航标船舶难以快速到达现场，导致肇事船舶抱有侥幸心理，不报告、逃逸现象常态化，给航标的索赔、取证工作带来困难，一直缺少有效的办法解决，只能利用AIS轨迹回放估断嫌疑船只，证据并不充分、彻底。
背景二：海上浮标大多处于开阔水域，面积广、风浪大、海况恶劣，航标管理者难以全面、准确掌握海上实际情况。航标船和航标员出航作业效率不高，甚至有时候无功而返。如果出航前能准确掌握海上作业条件，判断是否适合作业要求，这不但提高效率和安全性，而且节约成本。
背景三：随着“海洋强国”和“一带一路”国家战略实施，新形势下，航海保障工作面临新机遇，以创新为驱动力，突破传统思维，拓展和丰富助导航服务功能，推动航海保障事业向智能化、信息化的科学技术进步，具有重要的意义。近年来，海事、海洋、海警、港口管理等单位都在加强海上交通安全监管力量，提出能否借用助海上浮标，拓展视频或图像功能，实现“所见所得”快捷、便利、高效的监管目标。
2研究的思路
（1）引入陆上智能交通的视频（图像）监控系统设计思路，在水上浮动标志上安装固定的摄像（图像）设备，对浮动标志周边水上环境进行实时或定时影像（图像）数据采集，经过内置集成的单片微型计算机处理后，实现储存和调用，并借助于移动无线网络技术，实现远程调用传输数据，达到监控目的。
（2）居于陆上视频（图像）监控系统与海上浮动监控系统所处外部环境的差异性，并考虑有线传输和无线传输成本，本研究着重解决的问题，一是利用浮标自带的太阳能和蓄电池供电，本系统耗电要低于普通视频监控；二是图像具有一定的清晰度，采集数字图像后能充分处理压缩，在保证图像质量的前提下尽可能缩小数据储存容量；三是保证在“高速运动中”拍摄的图像处于平衡状态；四是远程数据传输的稳定可靠。
3研究系统原理
3.1工作原理
本系统采用嵌入式实时多任务操作系统和高性能 CPU 处理器，系统调度效率高，代码固化在FLASH中，系统运行更加稳定可靠。产品集成GPS模块、3G模块、图像采集编码模块，温湿度传感器等其他多种傳感器模块，工业控制模块，可以实现现场图像传输，还具有远程控制管理功能。3G图像采集采用JPEG编码和先进的网络丢包容错技术，确保流畅的效果跟图片清晰度。数据接口采用工业级接口设计及便捷化安装方式，防震效果好能适应多频率多方向振动。各功能模块工作原理如下示意图：
3.2样品模型
本系统已完成设计和样品试验，为使得产品安装牢固并确保一定高度，增大拍摄效果，产品设计安装在浮标灯器、太阳能板的安装底板，产品的底座与灯器底座基本相同，底座朝上呈倒立安装，与灯器紧固螺栓共享。样品模型如下示意图：
3.3工作特点
（1）本产品采用专用方案，嵌入式结构设计，体积小集成度高，可靠性强，抗摔抗震性能高，功耗低。
（2）高效JPEG压缩编码，轻松实现清晰视频的低网络带宽传输，用于无线传输全景拍照。
（3）四位摄像头全面拍取现场图片。
（4）智能取景，根据设备摇摆状况，自动调整拍照条件。
（5）网络带宽自适应技术，根据网络带宽自动调整图片速率。
（6）内置硬件狗，异常自动恢复，网络中断后可自动连接，保证系统运行稳定可靠。
（7）平台软件功能强大，集成度高，扩展方便。支持分级用户权限管理，可以划分不同观看权限，控制用户对图片资源的观看数量。
（8）采用数据流加密技术，保证网络通信安全，具有专业的SSl安全通信服务，可以定义自己的加密方法。
（9）定时和短信休眠，心跳数据链路多方式共存，能有效节省用户数据流量费用。
（10）支持本地TF卡存储，抗震效果好。TF卡可选用8G、16G、32G。
（11）设备支持GPS定位功能，定位精度在15m以内，支持专业GIS地图等。
（12）内置温湿度传感器，支持温湿度监测。
（13）内置电压电流监测模块，支持电压电流监测功能。
（14）自动复位重连，断点续传。
（15）多种工业控制接口预留扩展。
（16）软件及后台对接可扩展性强。
4研究系统技术方案
本集成系统主要包括图像采集、图片编码压缩、GPS授时定位、3G网络数据通道、加速度传感器等功能模块。
4.1图像采集
前端设备对接4路1000线远景USB数字摄像头采集现场图片，USB接口摄像头的传输速度远远高于串口、并口的速度，因此现在市场热点主要是USB接口的数字摄像头。本方案采用高分辨率USB接口数字摄像头，实现清晰的D1图像传输。摄像头参数如下：
4.2图片编码压缩
JPEG为应用最广的图像压缩标准。JPEG由于可以提供有损压缩，因此压缩比可以达到其他传统压缩算法无法比拟的程度。
本系统采用单片微型计算机，兼有视频硬件加速引擎的高性能通信媒体处理器，能够满足日后拓展软件应用需求；双DDR架构能够提供更大的数据处理带宽和能力；编解码性能高，能够提供最佳的多路编解方案；丰富的视频输入输出接口，最高分辨率1920 x1080p。
4.3 GPS 授时定位
GPS授时系统是针对自动化系统中的计算机、控制裝置等进行校时的高科技产品，GPS授时产品它从GPS卫星上获取标准的时间信号，将这些信息通过各种接口类型来传输给自动化系统中需要时间信息的设备，这样就可以达到整个系统的时间同步。本方案采用高精度UBLOX GPS方案，可以配合本地RTC管理，结合GPS 数据采集到的经纬度信息，时间信息，对整个系统的数据进行辅助管理。
4.4网络数据通道
移动传输技术，是基于电信/联通/移动网络，可选择合适的4G无线模块，达到高效传输图片目的。通过网络模块自动拨号活动运营商分配的IP与后台服务器对接，建立TCP/IP通道，从而建立专有的数据传输通道。可根据网络状况实时监测网络状况，实现断点重联，网络空闲自动传输。通过不断侦测3G模块信号强度，通过AT命令集建立PPPD网络连接，对网络状况进行初步侦测。
4.5加速度传感器
采用加速度传感器G-sensor，返回x、y、z三轴的加速度数值。该数值包含地心引力的影响，单位是m/s^2。传感器一般提供±2G至±16G的加速度测量范围，采用I2C或SPI接口和MCU相连，数据精度小于16bit。G-sensor能够感知到加速力的变化，比如晃动、跌落、上升、下降等各种移动变化都能被G-sensor转化为电信号，然后通过微处理器的计算分析后，就能够完成程序设计好的功能。本方案根据G SENSOR返回的数据判断终端设备是否处于水平状态，用来决定是否进行图像采集操作。
4.6其它
拍照管理。本方案根据产品功能定义图像的采集需要结合GSENSOR数据，系统时间，进行定时或者事件触发拍照作业，并保存到缓存队列里。
电源管理。本方案采用先进电源管理方案，能实现宽范围工作电压，低功耗省电，智能调整工作任务。本设备静态电流0.3A，拍照时瞬间电流0.5A。白天耗电量5Ah，加上灯器夜间耗电3Ah，对于200Ah蓄电池，阴天太阳能板不充电时，可维持25天。
天线。3G及GPS天线采用外置方法，高增益吸盘天线，能最大程度保证信号通道质量。
后台管理。后台管理通过浏览器登陆后台管理指定网址，实现可视管理。
5结论
（1）该系统完成后，可达到如下的设计目的：
（2）减少航标工作量，节约成本，降低作业风险。
（3）为船舶碰撞航标事故提供有力证据，解决海事调查及损失索赔问题。
（4）当船舶进港或施工作业时，为海事部门海上安全监管提高及时、高效现场情况。
（5）为海洋、海警和港口管理机构提供高效的服务。
（6）推进航标数字化、智能化技术进步。
摘 要：伴随着通信技术的发展，无线通信和网络技术日益成熟与可靠，“高速运动中”和“非视通条件下”实现高质量实时图像和数据传输已变为现实。为提高航标维护管理能力，丰富海上船舶实时动态监控手段，推进航标智能化、可视化是航标管理者努力的方向和目标；本文在不改变浮标助航效能的基础上，根据复杂多变的海上环境，研究一套具备图像采集、图像处理、图像的传输、本地存储调用等主要功能，并可拓展航道监测、海况数据采集、航标灯器管理、能源管理等功能的有机融合体，实现一套远程图像监控、远程控制、图像采集传输等功能于一体的无线监控指挥管理系统。
关键词：浮标；图像；无线传输；集成系统
中图分类号：TN914 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）7-0045-03
1研究的背景
背景一：随着向海经济和航运发展，船舶通航流量增多，密度增大，加上港口航道新建、扩建，海上作业活动频繁，海上浮标在提供导助航服务的同时，遭遇碰撞、损坏的风险也随之增多。由于事发地点在海上，航标船舶难以快速到达现场，导致肇事船舶抱有侥幸心理，不报告、逃逸现象常态化，给航标的索赔、取证工作带来困难，一直缺少有效的办法解决，只能利用AIS轨迹回放估断嫌疑船只，证据并不充分、彻底。
背景二：海上浮标大多处于开阔水域，面积广、风浪大、海况恶劣，航标管理者难以全面、准确掌握海上实际情况。航标船和航标员出航作业效率不高，甚至有时候无功而返。如果出航前能准确掌握海上作业条件，判断是否适合作业要求，这不但提高效率和安全性，而且节约成本。
背景三：随着“海洋强国”和“一带一路”国家战略实施，新形势下，航海保障工作面临新机遇，以创新为驱动力，突破传统思维，拓展和丰富助导航服务功能，推动航海保障事业向智能化、信息化的科学技术进步，具有重要的意义。近年来，海事、海洋、海警、港口管理等单位都在加强海上交通安全监管力量，提出能否借用助海上浮标，拓展视频或图像功能，实现“所见所得”快捷、便利、高效的监管目标。
2研究的思路
（1）引入陆上智能交通的视频（图像）监控系统设计思路，在水上浮动标志上安装固定的摄像（图像）设备，对浮动标志周边水上环境进行实时或定时影像（图像）数据采集，经过内置集成的单片微型计算机处理后，实现储存和调用，并借助于移动无线网络技术，实现远程调用传输数据，达到监控目的。
（2）居于陆上视频（图像）监控系统与海上浮动监控系统所处外部环境的差异性，并考虑有线传输和无线传输成本，本研究着重解决的问题，一是利用浮标自带的太阳能和蓄电池供电，本系统耗电要低于普通视频监控；二是图像具有一定的清晰度，采集数字图像后能充分处理压缩，在保证图像质量的前提下尽可能缩小数据储存容量；三是保证在“高速运动中”拍摄的图像处于平衡状态；四是远程数据传输的稳定可靠。
3研究系统原理
3.1工作原理
本系统采用嵌入式实时多任务操作系统和高性能 CPU 处理器，系统调度效率高，代码固化在FLASH中，系统运行更加稳定可靠。产品集成GPS模块、3G模块、图像采集编码模块，温湿度传感器等其他多种傳感器模块，工业控制模块，可以实现现场图像传输，还具有远程控制管理功能。3G图像采集采用JPEG编码和先进的网络丢包容错技术，确保流畅的效果跟图片清晰度。数据接口采用工业级接口设计及便捷化安装方式，防震效果好能适应多频率多方向振动。各功能模块工作原理如下示意图：
3.2样品模型
本系统已完成设计和样品试验，为使得产品安装牢固并确保一定高度，增大拍摄效果，产品设计安装在浮标灯器、太阳能板的安装底板，产品的底座与灯器底座基本相同，底座朝上呈倒立安装，与灯器紧固螺栓共享。样品模型如下示意图：
3.3工作特点
（1）本产品采用专用方案，嵌入式结构设计，体积小集成度高，可靠性强，抗摔抗震性能高，功耗低。
（2）高效JPEG压缩编码，轻松实现清晰视频的低网络带宽传输，用于无线传输全景拍照。
（3）四位摄像头全面拍取现场图片。
（4）智能取景，根据设备摇摆状况，自动调整拍照条件。
（5）网络带宽自适应技术，根据网络带宽自动调整图片速率。
（6）内置硬件狗，异常自动恢复，网络中断后可自动连接，保证系统运行稳定可靠。
（7）平台软件功能强大，集成度高，扩展方便。支持分级用户权限管理，可以划分不同观看权限，控制用户对图片资源的观看数量。
（8）采用数据流加密技术，保证网络通信安全，具有专业的SSl安全通信服务，可以定义自己的加密方法。
（9）定时和短信休眠，心跳数据链路多方式共存，能有效节省用户数据流量费用。
（10）支持本地TF卡存储，抗震效果好。TF卡可选用8G、16G、32G。
（11）设备支持GPS定位功能，定位精度在15m以内，支持专业GIS地图等。
（12）内置温湿度传感器，支持温湿度监测。
（13）内置电压电流监测模块，支持电压电流监测功能。
（14）自动复位重连，断点续传。
（15）多种工业控制接口预留扩展。
（16）软件及后台对接可扩展性强。
4研究系统技术方案
本集成系统主要包括图像采集、图片编码压缩、GPS授时定位、3G网络数据通道、加速度传感器等功能模块。
4.1图像采集
前端设备对接4路1000线远景USB数字摄像头采集现场图片，USB接口摄像头的传输速度远远高于串口、并口的速度，因此现在市场热点主要是USB接口的数字摄像头。本方案采用高分辨率USB接口数字摄像头，实现清晰的D1图像传输。摄像头参数如下：
4.2图片编码压缩
JPEG为应用最广的图像压缩标准。JPEG由于可以提供有损压缩，因此压缩比可以达到其他传统压缩算法无法比拟的程度。
本系统采用单片微型计算机，兼有视频硬件加速引擎的高性能通信媒体处理器，能够满足日后拓展软件应用需求；双DDR架构能够提供更大的数据处理带宽和能力；编解码性能高，能够提供最佳的多路编解方案；丰富的视频输入输出接口，最高分辨率1920 x1080p。
4.3 GPS 授时定位
GPS授时系统是针对自动化系统中的计算机、控制裝置等进行校时的高科技产品，GPS授时产品它从GPS卫星上获取标准的时间信号，将这些信息通过各种接口类型来传输给自动化系统中需要时间信息的设备，这样就可以达到整个系统的时间同步。本方案采用高精度UBLOX GPS方案，可以配合本地RTC管理，结合GPS 数据采集到的经纬度信息，时间信息，对整个系统的数据进行辅助管理。
4.4网络数据通道
移动传输技术，是基于电信/联通/移动网络，可选择合适的4G无线模块，达到高效传输图片目的。通过网络模块自动拨号活动运营商分配的IP与后台服务器对接，建立TCP/IP通道，从而建立专有的数据传输通道。可根据网络状况实时监测网络状况，实现断点重联，网络空闲自动传输。通过不断侦测3G模块信号强度，通过AT命令集建立PPPD网络连接，对网络状况进行初步侦测。
4.5加速度传感器
采用加速度传感器G-sensor，返回x、y、z三轴的加速度数值。该数值包含地心引力的影响，单位是m/s^2。传感器一般提供±2G至±16G的加速度测量范围，采用I2C或SPI接口和MCU相连，数据精度小于16bit。G-sensor能够感知到加速力的变化，比如晃动、跌落、上升、下降等各种移动变化都能被G-sensor转化为电信号，然后通过微处理器的计算分析后，就能够完成程序设计好的功能。本方案根据G SENSOR返回的数据判断终端设备是否处于水平状态，用来决定是否进行图像采集操作。
4.6其它
拍照管理。本方案根据产品功能定义图像的采集需要结合GSENSOR数据，系统时间，进行定时或者事件触发拍照作业，并保存到缓存队列里。
电源管理。本方案采用先进电源管理方案，能实现宽范围工作电压，低功耗省电，智能调整工作任务。本设备静态电流0.3A，拍照时瞬间电流0.5A。白天耗电量5Ah，加上灯器夜间耗电3Ah，对于200Ah蓄电池，阴天太阳能板不充电时，可维持25天。
天线。3G及GPS天线采用外置方法，高增益吸盘天线，能最大程度保证信号通道质量。
后台管理。后台管理通过浏览器登陆后台管理指定网址，实现可视管理。
5结论
（1）该系统完成后，可达到如下的设计目的：
（2）减少航标工作量，节约成本，降低作业风险。
（3）为船舶碰撞航标事故提供有力证据，解决海事调查及损失索赔问题。
（4）当船舶进港或施工作业时，为海事部门海上安全监管提高及时、高效现场情况。
（5）为海洋、海警和港口管理机构提供高效的服务。
（6）推进航标数字化、智能化技术进步。
