图像技术方案

1 / 29图像在线监测装置技术方案2 / 29山西申港电子科技有限公司2016 年 12 月1. 系统的组成1.1 系统概述本次输电线路运行环境监测系统包括图像监测装置（由一体化高速球机组成）和监控数据中心主站。上述监测装置可根据现场环境的监测需要再后期随意增加安装例如导线震动、导线测温、风偏监测等等输电线路在线监测装置。图像监测装置负责定时截取现场的图片，以直观的图片方式监测如危险点外力破坏、覆冰厚度监测、杆塔及导线弧垂的变化等等数据。监控数据中心主站由主站软件和硬件设备组成，主站软件由接受模块、分析处理模块和显示模块组成，用户采用 B/S（WEB 浏览）方式查询。监测运行维护人员根据主站系统分配的权限，实现对数据的进一步利用。我们的输电线路在线监测系统严格按照国网公司的输电线路状态监测系统架构设计规范设计的。整个系统分成 3 层结构，传感器层、接入层、主站层。传感器层包括高速球机等现场需要监测的传感器。接入层包含状态监测装置终端.接入层和传感器层通过接口进行相连。传感器的传输方式主要有RF/RS485/RS232。所有外部传感器均采用节电处理机制，所以外部功耗都非常低。接口通讯规约符合国网公司提出的 I1 接口需要严格规范的建议。系统解决方案以满足实际应用为出发点，使用无线通信网络使数据安全可3 / 29靠达到后台系统建成要求。系统设计原则如下：1、标准化：网络图像监控系统就是要实现在网络系统上的图像等数据的传输、共享及控制，本系统选用的产品均遵循网络协议和传输标准的要求。2、可扩展性：由于用户以后的需求会不断发展，监控数量将随之扩大，只要增加前端采集设备和升级软件，不用添加其他附加设备，以保证用户的投资。本系统自由扩展的特性，可以自由连接其他设备，还可连接多台服务器，自由组合，没有任何不兼容。3、可用性、可靠性和稳定性：在充分考虑用户实际情况的基础上，系统的前端采集设备中的球机采用海康威视的高性能球机，相关硬件均采用军工级设计和高标准的配置。使整个系统更为简化同时也减少了其他因素造成故障的可能性。系统主板内嵌看门狗，永不死机，在断电后来电能自动重新启动机器并自动进入设定好的状态，SIM模块具有断线自动重连功能，确保系统永远在线，可基本实现系统的免维护。所选硬件均选用先进、成熟、可靠的产品，且具备良好运行业绩。4、 系统安全性：本系统使用访问权限管理，只能合法的用户及口令才能进行对本系统进行操作查看相关监控图像。4 / 291.2 系统结构图状态监测代理装置主站层接入层装置层状态监测装置 X状态监测装置 n状态监测装置 2状态监测装置 1状态监测前置系统输电线路状态监测主站I 2I 1I 1系统架构分层结构我们的输电线路在线监测系统严格按照国网公司的输变电设备状态监测系统技术导则设计的。整个系统分成 3 层结构，装置层、接入层、主站层。装置层包括图像监测装置等现场需要监测的状态监测装置。接入层包含状态监测装置接入层和装置层通过 I1 接口进行相连。接入层可通过 I2 接口可将所获得数据回传至省电力公司的输变电状态监测系统。5 / 296 / 291.3 系统组成说明整个系统主要由两大部分组成：状态监测装置和监控数据中心主站。状态监测终端安装在线路杆塔上，主要由各种传感器、主处理器单元、通信模块和供电单元构成。传感器为高速球机等传感器单元。安装在杆塔上的测量单元均采用免维护设计。状态监测终端采集上述传感器数据，通过 GPRS 无线网络传送到后台主站系统。监控数据中心主站包括主站软件和硬件设备。主站软件系统为输电线路状态在线监测系统，包括和前端监测终端的数据传输通讯，同时进行数据的存储、分析、展现。7 / 292. 核心功能单元介绍2.1 状态监测装置原理框图太阳能板太阳能板太阳能板处理单元核心控制器电源管理模块蓄电池3 G 模块网络接口2 G 模块天线 天线调试接口服务器光纤交换机无线路由器网络电台光纤交换机无线接收线缆传输方式屏蔽电缆屏蔽电缆屏蔽电缆屏蔽电缆 屏蔽电缆1 0 0 M 网络2 . 4 G W L A NO P G W 光纤移动电信联通网络微波网络工程人员调试器状 态 监 测 装 置 机 箱无线2 G / 3 G 通 讯光 纤 通 讯 （ 在 开 断 点 杆 塔 上 ）光 纤 通 讯 （ 在 开 断 点 杆 塔 附 近 ）微 波 通 讯存储模块预留接口线缆传输方式模型预留接口屏蔽电缆一体化高速球机原理框图我们公司的线路状态监测装置采用模块化设计，在核心主控制器的基础上可连接各类传感器采集单元（采集单元可选配，按照实际需求进行任意的裁剪搭配） ，共享主控、电源和通讯部分设备模块。核心主控制器负责处理接收、采集、存储传感器、通信、控制等信息。高速球机：采集监控点的图像信息，能在后台通过指令调整现在高速球机的拍照方位，以此判断现场情况。GPRS/CMDA/3G 无线网络传输模块：主要用于各类无线网络传输。根据当地环境的信号强弱情况以及其它需要可任意选择最合适的传输方式。100M 网络接口：主要用于各类数据的实时传输，根据应用分为光纤通讯、WLAN 通讯、微波通讯等。8 / 29调试接口：工程人员在地面用有线或无线调式工具可以对各个监测模块装置的各项采集与控制功能进行测试、参数配置、故障分析等。2.2 状态监测平台硬件状态监测平台的核心 MCU 采用基于 ARM Cortex-M3 的 STM32 系列。STM32系列 MCU 采用 ARM Cortex-M3 处理器内核，ARM Cortex-M3 处理器结合了执行Thumb-2 指令的 32 位哈佛微体系结构和系统外设，该技术方案在测试和实例应用中表现出较高的性能，芯片性能达 1.2DMIPSMHz，时钟频率高达100MHz。Cortex-M3 处理器还实现了 Tail-Chaining 中断技术，该技术是一项完全基于硬件的中断处理技术，最多可减少 12 个时钟周期数，在实际应用中可减少 70中断；推出了新的单线调试技术，避免使用多引脚进行 JTAG 调试。 STM32 系列处理器的主要功能特点为： 实现单周期 Flash 应用最优化；9 / 29 准确快速地中断处理，永不超过 12 周期，仅 6 周期 tail-chaining(末尾连锁)； 有低功耗时钟门控(Clock Cating)的 3 种睡眠模式； 单周期乘法和乘法累加指令； ARM Thumb-2 混合的 1632 位同有指令集，无模式转换； 包括数据观察点和 Flash 补丁在内的高级调试功能； 原子位操作，在一个单一指令中读取修改编写； 1.25 DMIPSMHz(与 O.9DMIPSMHz 的 ARM7 和 1.1 DMIPSMHz 的ARM9 相比) ； 状态监测平台的存储芯片主要有： 铁电：存储监测终端常用参数； nor flash：存储监测终端不常用参数，和采样的传感器数据； nand flash：存储图像数据，和动态数据。2.3 状态监测平台软件1）软件框架结构10 / 29总流程传感管理器 通讯管理器 数据管理器 模型管理器国网 I 1 规约各传感器规约 参数数据 覆冰模型南网 3 . 0 规约 采样数据 , 包括气象数据 , 拉力倾角等 .模拟导线模型气象模型R F , 各串口 远程通讯口 铁电 , e e p r o m , n o r f l a s h , n a n d f l a s h说明：上层程序可以调用下层程序，下层程序不能调用上层程序。横线上方是应用程序，横线下方是驱动程序。2）程序流程 气 象 拉 力 倾 角 测 温 子 机 倾 角 测 温 舞 动 振 动 取 图气 象 拉 力 倾 角 测 温 子 机 倾 角 测 温 舞 动 振 动 取 图采 样上 送时 间说明：总流程从时间上分成 2 部分：采样部分、上送部分。这 2 部分是相互独立的，可以同时进行，但是每一部分内部是要依次执行。11 / 293）软件特点1. 程序采用 C+编写，提高代码可读性和方便程序代码管理；2. 程序具有高度的可移植性，能支持多个 CPU 平台;外围硬件设备改动对软件框架的影响减到最小；3. 程序采用层次化设计，模块化设计，程序可读性强且易于修改；4. 采用异步方式，引入有限状态机模型的程序设计；5. 目前能支持浙江新规约、国网 I1 规约、南网 3.0 规约，未来要方便的支持其他可能的规约；6. 存储的数据多变，存储结构能适应不同类型的数据；7. 程序能支持各种类型的传感器；8. 程序能自动识别硬件驱动，提高程序的兼容性；9. 程序对错误的处理更加智能化，提高程序的可靠性；10. 程序经过严格的压力测试和最坏情况测试，通过模拟现实环境中的各种情况，使程序对各种意外都有合适的处理方式，提高程序的健壮性和可靠性。12 / 292.4 状态监测平台通讯网络方式我们的状态监测平台具有高度可裁剪性，可以根据不同的用户需要进行搭积木式搭配。适合不用领域的应用。通过配置，可实现以下 5 种传输模式：1、基于 2G 通讯方式，一般采用 GPRS/CDMA 模块，该通讯方式一般只能实现图片数据的传输，能实现云台控制、预置位获取配置等功能。通讯规约一般依据输电线路状态监测装置通用技术规范2、基于 3G 通讯方式，可以实现动态视频流数据的传输，同时也支持静态图片数据的传输。由于视频流传输功耗比较大，所以在我们的产品中融入了很多低功耗的设计理念，当用户不观看视频流的时候，高速球机的电源会自动关闭，同时比较长时间不观看视频，内部的视频压缩模块也会进入断电模式，3G网络也会自动下线，当用户需要重新观看视频时，只要点击设备唤醒功能就可以。设备唤醒主要通过短信方式实现。3、基于光纤通讯方式，这种通讯模式主要用于有 OPGW 光纤开断点的杆塔上，可以实现流畅的动态视频流数据的传输，同时也支持静态图片数据的传输。直接在视频监控装置外面加一个光纤交换机就可实现。由于视频流传输功耗比较大，所以在我们的产品中融入了很多低功耗的设计理念，当用户不观看视频流的时候，光纤传输通道会自动关闭。当用户需要重新观看视频时，只要点击设备唤醒功能就可以。设备唤醒主要通过短信方式实现。4、基于 WLAN+光纤通讯方式或 WIFI 无线通讯方式，这种通讯方式主要用于监测点杆塔上没有 OPGW 光纤开断点，但是附近杆塔上有 OPGW 光纤开断点；或者利用 WIFI 技术将所监测数据放松至相邻近的 CMA 接收装置（视频流媒体数据除外） 。视频数据先通过点对点的无线路由器传输到有 OPGW 光纤开断点的杆塔上。然后通过该杆塔上的光纤交换机把视频数据传输到状态监测系统。该通讯方式可以实现流畅的动态视频流数据的传输，同时也支持静态图片数据的传输。由于视频流传输功耗比较大，所以在我们的产品中融入了很多低功耗的设计理念，当用户不观看视频流的时候，光纤传输通道会自动关闭。当用户需要13 / 29重新观看视频时，只要点击设备唤醒功能就可以。设备唤醒主要通过短信方式实现。5、基于微波通讯方式，这种通讯方式主要用于光纤传输模式不能实现的地方，同时又没有3G信号的地方微波通讯距离一般能达到40km 以上，具有传输距离远，不一定要可视范围内。特别适合山区的输电线路状态监测应用。该通讯方式可以实现较流畅的动态视频流数据的传输，同时也支持静态图片数据的传输。由于视频流传输功耗比较大，所以在我们的产品中融入了很多低功耗的设计理念，当用户不观看视频流的时候，微波传输通道会自动关闭。当用户需要重新观看视频时，只要点击设备唤醒功能就可以。设备唤醒主要通过短信方式实现。14 / 292.5 状态监测平台功能在我们的产品设计中，采用了自主研发的状态监测平台，平台具有很强的扩展性。平台的基本功能如下：1. 支持多路串口的接入2. 支持 2 路图像输入3. 支持 RS485 总线数据接收（支持 24 个以上节点接入）4. 支持多路开关量的输入输出5. 支持 RF 通讯（具备 12 路以上）6. 内部带无线通讯模块，可以根据用户要求选择 GPRS/CDMA/3G 模块7. 具备 WIFI 通讯接口，可根据需要接入相应的 CMA。 8. 内部带有 LAN 接口，方便适用光纤和无线结合的专网接入方式9. 内部带蓄电池充电管理功能10. 内部带有大容量闪存，便于关键数据的存储11. 基于通用的软件平台，修改升级方便，程序具有远程升级功能12. 支持多路电源的控制输出功能，电源的输出电压可以根据要求调节13. 带低功耗处理模式，当空闲时系统自动进入低功耗状态14. 带自检功能，硬件看门狗，保证程序不会死机15. 带外部电源接口，可以由第三方厂家提供电源供应16. 带有 RS232 串口、RF 接口调试功能15 / 29在我们的硬件平台里，采集单元的电源由状态监测装置终端平台统一进行供电，状态监测装置终端平台可以根据内部的程序配置开启或者关闭接入的单元模块。高速球机等采集单元通过 RS485 总线接状态监测装置终端平台。同时我们的状态监测装置终端平台还预留了很多接口，可根据实际环境的需要增加接入其他类型的监测装置。所以后期的功能扩展性非常强。由于平台的可配置性，后期产品的功能扩充主要精力就可以放到扩充模块的软硬件设计上，大大加快了研发的进度。正因为整个系统采用了统一的状态监测终端平台，因此系统的稳定性和可靠性大大提高。在硬件平台的编程上，我们也是采用分层设计的原则，应用层和驱动层分离，易于软件的功能扩充，软件设计整体流程非常清晰。因为各家对于规约的理解不一样，规约的修改肯定会有。为了产品能达到用户单位统一的通讯规约模式，我们的研发人员在软件的修改上相当方便。不仅在状态监测装置终端平台上我们采用了平台建设的概念，在我们导线上的产品我们也是采用平台建设的思想。所以我们导线上的产品分类非常丰富，在外硬件平台上，我们集成了太阳能充电管理、各种数字接口和模拟采样接口、WIFI 通讯模块、GPRS/3G 通讯模块、存储器和实时时钟等功能，可根据需要对上述图标中的各个功能模块进行裁剪。平台上的各功能模块可以根据产品的不同进行配置，软件上修改也非常方便。2.6 平台无线通讯管理单元GPRS 模块主要是建立和主站之间的公网通讯，内置的通讯模块支持TCP/UDP 传输，主控制器采集到的相关数据信息，转变成规约要求的格式，然16 / 29后通过内部的 GPRS 通讯发送到主站。RF 通讯模块主要建立和导线上采集设备之间的通讯，由于导线处在高电位，杆塔处于低电位，采用 RF 无线技术实现了碰撞接触避免机制。通讯模块采用高集成度 GPRS 工业模块，单片机和模块的通讯采用串口，单片机控制模块的登录和初始化，发送接收数据。平台内部带 10/100M 自适应网络接口，通过该接口可实现光纤专网的数据通讯。17 / 293. 通讯方式介绍3.1 通讯网络架构现有输电线路在线监测系统通讯主要由两个网络段组成：现场网络段和远传网络段。现场网络段采用无线网络技术或者485总线的方式，负责将一定范围内分布在输电线路和杆塔上的传感器通过短距离无线网络接入状态监测装置终端；远程传输段包括远传网络和数据网络；负责将现场汇集的数据远程传输送到CAG（主站）或者CMA接收装置。3.2 状态监测装置接入方式我们的状态监测装置终端设备现场网络带有 RF 接口，可以接收无线传感器的数据，同时带有路由功能。远传网络由于带有 GPRS/CDMA/3G 接口和 LAN 接口，当需要设备扩展成公网和专网相结合的方式，只要在 LAN 接口上增加光纤交换机或者无线 AP 设备即可。设备很容易扩展，方便的组网，适应不同的应用环境。4. 图像监测采集单元功能模块原理说明4.1 监测装置的组成图像监测装置安装在线路杆塔上，由前端数据采集单元和状态监测装置组成。图像类装置的前端数据采集单元指高速球机。状态监测装置由太阳能板、蓄电池、数据处理单元三大部件组成。状态监测装置负责接收定高速球机等采集单元采集到的图片数据，然后传送至后台，同时接受后台指令和管理前端采集单元设备。18 / 2919 / 294.2 高速球机采集单元主要功能前端模拟高速球机把图像信号通过 CCD 图像传感器和 DSP 处理转变为 PAL模拟信号，通过同轴电缆传输到设备内部的压缩模块，压缩模块对 PAL 信号进行采集压缩，形成 JPEG 的静态单帧图片，球机的旋转和光学镜头的变焦通过主控制器和球机之间的 RS485 总线进行通讯控制。能定时或按远程指令采集工程现场图像信号，经压缩编码等信号处理后，通过 GPRS 网络方式传送给数据处理系统.球机上的电源开启关闭由主控制器的内部电源管理模块输出控制。图像采集压缩单元原理框图高 速 球 机云 台 控 制红 外 照 射D S P 格 式 转 换 D S P 图 像 压 缩图 像 存 储电 源 管 理图 像 传 输P A L高速球机选型采用海康威视高速模拟快球，该机型采用 1/3“Progressive Scan CMOS 及20 倍光学变倍一体化机芯，水平解析度达到 480TVL，支持水平 360高速连续旋转和垂直自动翻转功能，为用户提供清晰、细腻画面并实现无盲区监控，广泛应用于金融、政府、电信、街道、楼宇等场所的监控。高速模拟快球采用了具备自动聚焦、自动白平衡等功能的高性能一体化机芯；内部集云台与数字解码器于一体，支持曼码及线路故障诊断；采用精密电20 / 29机驱动，反应灵敏，运转平稳，在任何速度下图像无抖动；配合客户端软件使用，还具有点击跟踪和放大功能。高速模拟快球以其卓越的性能及完备的功能成为安防领域的一款高技术监控产品。高速模拟快球采用全数码控制、传动系统设计精巧简单，除了具有预置点、自动扫描、巡航扫描及模式路径等功能之外，它还能实现手动限位、自动翻转、隐私遮蔽及背光补偿等功能，在实现全方位、无盲点监控的同时，还极大地保护了用户的个人隐私免受侵害。球机支持 PELCOD、PELCOP 及 HIK Code 协议，并实现了对协议的自动识别。为了方便用户的使用，球机同时具备硬件拨码地址和软地址，通过多语言球机菜单可以设置各种参数，如系统信息显示、显示信息设置、摄像机参数设置、预置点设置、模式路径设置、区域遮盖设置、报警设置、辅助开关设置等等。该产品的主要特点有： 采用 1/3“Progressive Scan CMOS，图像清晰； 精密电机驱动，反应灵敏，运转平稳，在任何速度下操作平滑无抖动； 完全实现对协议（HIKVISION、Pelco-P/D 等）的自动识别，并支持点击跟踪和放大； 支持曼码及线路故障诊断功能； 旋转速度根据镜头变倍倍数自动调整； 水平速度最高可达 300 度/秒，可实现对移动物体的快速跟踪； 具有超宽动态范围功能；21 / 29 支持多语言菜单及操作提示功能，用户界面友好； 内置设置数据断电不丢失； 水平 360连续旋转，垂直方向支持自动翻转，无监视盲区，保持跟踪连续性； 支持自动光圈、自动聚焦、自动白平衡、背光补偿功能； 支持随机扫描、连续扫描、帧扫描等自动扫描功能，可设定手动限位； 支持 4 条模式路径，模式路径记录操作总时间最少可达 20 分钟； 支持 256 个预置位，并具有预置画面冻结功能； 可设置多达 12 个隐私遮罩块，位置、大小可调整，画面内可同时有 8个区域被屏蔽； 内置 2 个报警输入（优先级可调）和 1 路报警输出，支持报警联动，可在报警后触发报警输出，调用预置点/模式路径/巡航扫描/自动扫描； 具有防雷、防浪涌保护功能； 具有断电状态记忆功能，上电后自动回到断电前的云台和镜头状态； 支持守望功能，预置点/模式路径/巡航扫描/自动扫描可在空闲状态停留指定时间后自动调用（包括上电后进入的空闲状态） ；内置温度感应器，可显示机内温度；22 / 29图像压缩模块采用自主研发的高速 IP 视频处理模块，使用 TI DAVINCI 处理芯片和平台，性能可靠、稳定；采用 H.264 压缩算法，压缩比高，节省网络传输带宽和硬盘存储空间。 支持动态调整编码参数； 支持 PPPoE、DHCP、UDP、MCAST、TCP/IP 等协议； 支持 4CIF、DCIF、2CIF、CIF、QCIF 等分辨率的视频编码； 支持双向语音对讲、OSD 叠加及 RS-485 串口控制； 内置小型 WebServer 服务器，可通过 IE 浏览器对球机进行控制； 支持双码流，根据不同的应用可选择主码流或子码流传输； 支持报警信号的本地、网络联动；提供多区域、多灵敏度移动侦测；支持基于 IPSAN 和 NAS 的远程集中存储；流数据中嵌入水印信息，防止录像文件被篡改等。设备功能 设备中的图像采用 JPEG 压缩格式，压缩率高，图像清晰度好； 设备具有远程设置图片采集时间间隔的功能； 设备具有断线自动连接功能，无线通信应安全可靠； 设备支持接收数据处理系统的对时命令； 设备具有数据暂存能力，在通讯发生异常应能存储 7 天以上报警图片，通讯恢复后，能自动上载到后端平台；23 / 29 设备各航空接口都具有可靠的防雷措施； 设备留有调试串口接口，以便必要时能就地调试设备外形图24 / 295. 各个监测装置的技术参数5.1. 高速球机技术参数 终端与传感器之间的电缆采用耐腐蚀的硅橡胶电缆。 工作湿度：5%100%RH 工作温度：3070 防护级别：IP66 传感器类型：1/3“Progressive Scan CMOS 有效像数：1280*720 最小照度：彩色 0.05Lux 光学变倍：20X 数字变倍：16X 快门：1-1/10,000s 水平解析度：480 TVL 信噪比：大于 50db 背光补偿：ON/OFF 水平：0360 度连续旋转 垂直：090 度 水平键控速度：水平方向 0.1250 度/s25 / 29 垂直键控速度：垂直方向-590 度/s 控制协议：HIKVISION，PELCO-P/D 等（可扩展） 预置点：256 个 带电加热控制器 图像格式：JPEG 工作电源：DC12V 带防冰雪外罩，防止雨雪积到球机镜头上，在发生覆冰雪的状况下，有效的保证了图像拍摄可靠性5.2. 状态监测装置技术参数 适用范围：在 35kV1000kV 的输电线路电磁环境下正常工作 工作温度：3070 工作湿度：0%100%RH 大气压：550hPa1060hPa 阵风等级：正常作60m/s 数据存储空间：4M 闪存，数据能长期保持，1 年不丢失。 太阳能板使用寿命：10 年 平均无故障时间：50000 小时 RF 通信距离：空旷地带大于 1200 米 具有自诊断功能26 / 29 具有上电及软件自恢复功能； 内部核心元件采用军工设计标准； 数据通信格式：GPRS 与短信相结合的方式 GPRS/3G 模块（工业级）的工作温度范围：4085 GPRS/3G 模块：支持 TCP 和 UDP 通讯协议 数据发送成功有效率：99% 在线能力：具备断线自动重新连接功能，断线自动重新连接时间： 1min 具有串行数据端口，实现图像及