CN102917202A - 基于无线网络的水闸安全监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于无线网络的水闸安全监控系统，属于水运工程安全监控领域。系统由数据采集系统、数据传输系统、远程监控调度系统组成，数据采集系统包括参数采集节点、视频采集节点、路由节点和协调器节点，远程监控调度系统包括数据库服务器系统和监控调度中心。本发明采用无线采集与无线传输技术，对水闸的环境参数、结构参数和视频数据进行采集、传输、处理、显示和控制等操作，并根据操作规程对闸门进行启闭操作。本发明将无线传感器网络技术、第三代无线通信技术和视频监控技术应用到水闸管理中，从信息采集、传递、存储到处理，一切以数字信息和图像形式运转，大大提高了水闸管理的效率、安全性。

Description

基于无线网络的水闸安全监控系统

技术领域

本发明属于水运工程安全监控、嵌入式系统与无线通信技术相结合的交叉领域研究，具体涉及基于无线网络的水闸安全监控系统。

背景技术

水闸作为重要的水利基础设施，在航运、灌溉、供水、防洪、水力发电、调节河道流量和改善水环境等方面具有举足轻重的作用，但目前水闸监控系统主要采用有线方式，有线分布式水闸监控系统通常采用以太网或现场总线网作为监控控制系统的网络联结方式，采用屏蔽网线、光线或电缆作为控制系统的有线通信介质。虽然个别工程采用无线方式，但也主要采用数传电台组网和微波作为系统的通信介质。这些有线和无线分布式水闸监控控制系统的网络建设和维护不便，而且费用比较昂贵。

随着传感器技术、分布式信息处理技术、通信技术和图像采集编码技术的迅速发展，无线传感器网络应运而生。无线传感器网络使用简单方便，极大地节约了测试中由于反复布设有线数据采集设备而消耗的人力和物力，只需将设备置于被测部位即可实现信息的采集，采集到的参数数据通过ZigBee网络，视频数据通过第三代无线通信WCDMA/3G网络进行无线输，消除了长电缆传输带来的噪声干扰，整个测量系统具有极高的测量精度和抗干扰能力，采集现场整个网络具有较快的自组织和自修复能力，组网方便快捷、支持多种网络拓扑、具有低复杂度、快速、可靠、安全的优点。并且功耗低，解决电源更换的问题。系统将ZigBee技术、第三代无线通信WCDMA/3G技术和视频技术等很好的集成于一体，将采集的参数数据和视频数据实时传输到远程监控调度中心，从而实现对被测水闸的远程实时监控。整个系统保证了水闸无线远程实时监控系统鲁棒性、系统稳定性和监控实时性，构成恶劣环境中水闸无线监测、无线传输的数字化无线网络参数和视频监控系统，实现对所关心环境变量和水闸开合度和工作状况的在线高精度监测与传输，为确保整个水闸枢纽安全运行，建设了一套可靠的、能实现数据实时采集与传输的无线安全监控调度系统。

发明内容

本发明的目的是针对现有水闸安全监控系统的不足，提出了无线传感器网络视频监控系统，克服现有有线分布式水闸监控系统劳动强度大、布线困难、成本高、监测范围有限以及实效性差、不可视频直观显示等弊端。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

基于无线网络的水闸安全监控系统，主要由环境参数采集系统、图像采集系统、无线传输系统、数据库服务器系统和监控调度中心管理系统组成，系统主要包括传感器组、参数采集节点、视频节点、路由节点、协调器节点、无线传输结构和监控调度中心，主要应用了无线传感器网络采集传输技术、第三代无线通信技术、视频监控技术和SMS技术，对闸门环境参数、结构参数和视频数据进行采集、传输、处理、显示和控制等操作，根据操作规程自动控制闸门启闭，险情或必要时可以通过SMS及时发布预警短信。

所述传感器组对水闸环境参数进行采集，传感器组设置于参数采集节点上，参数采集节点通过路由节点和协调器节点通信，协调器节点通过数据传输层和远程监控调度中心通信。

所述所述的参数采集节点是基于ZigBee无线传感网络的，由集成了微处理器和无线收发器的CC2430模块、电源模块、数/模转换模块、时钟电路模块、存储电路模块、驱动控制输出模块、通讯接口电路模块共同组成。

所述的视频节点主要由电源管理模块、存储模块、FPGA模块、视频采集模块、视频编码模块、嵌入式外围设备驱动模块、以及通讯接口模块组成，采集的视频信息通过WCDMA/3G网络传送到远程安全监控调度中心实时显示。

所述的协调器节点采用ZigBee方式与路由节点连接，接收所有参数采集节点发送过来的数据，并通过第三代无线通信网络WCDMA/3G传到远程安全监控调度中心，同时接受远程监控调度中心发布的指令。

所述的远程安全监控调度中心的主要任务是把底层发送过来的参数数据、视频数据、节点ID号等进行存储、挖掘分析和显示，并对底层进行指令发布，同时进行远程设备管理和网络拓扑显示，出现险情或必要时，能通过SMS及时进行短信报警。

所述采集信息主要包括水闸启闭控制和环境信息采集，通过图像视频采集和传感器参数采集，水闸启闭控制包括水闸开合度及工况、启闭电机状态，环境信息采集分一般性监测和专门性监测。

所述一般性监测项目包括：闸上下游水位、河道流量、流速、雨量、水流形态、冲刷和淤积等；所述专门性监测主要根据水闸工程的具体情况而定，根据个别工程需要，进行水平位移、伸缩缝、裂缝、墙后土压力、混凝土碳化、地基反力和结构应力等项目的监测。

本发明具有如下有益效果：

(1)融合传感器技术、图像采集和压缩编码技术、通信技术和嵌入式计算技术，结合ZigBee无线传感器网络和WCDMA/3G通信技术，组建具有无线数据采集、视频信息采集、无线传输功能的水闸智能无线视频监控系统，实现了对水闸环境参数和现场视频的联合监控。

(2)通过ZigBee无线传感器网络，采集节点与上层路由节点和协调器节点构成基于IEEE 802.15.4技术标准和ZigBee网络协议的ZigBee无线传感器网络，负责现场水闸环境信息的采集和传输，网络具有自组织特征，可完成网络智能组网、路由以及数据传输，并根据不同需要采用不同的拓扑结构，完成组网功能和响应监控调度中心发出的控制指令；

(3)通过和WCDMA/3G网络，视频采集节点将采集的视频信息高速传输给远程安全监控调度中心，避免了视频信息通过ZigBee网络传输带宽不足的弊端，保证了视频信息流传输的畅通。

(4)基于无线网络的水闸安全监控系统将ZigBee无线传感器网络系统与WCDMA/3G网络和Internet网络结合，采用先进的拓扑控制、节点定位、时间同步、网络安全和设备管理技术手段，利用廉价、可靠的移动通信WCDMA/3G技术，发明了新型水闸无线安全监控系统，具有实时、自动化监测的特点，适合水闸这种在野外恶劣环境下的监测。

(5)本发明构建了水闸无线参数监测-视频数据采集-无线传输-实时监控-图像可视化体系，建立了基于无线网络的水闸安全监控系统，能兼顾常规监测和视频采集，克服了传统有线监控的诸多弊端，同时也增加了单纯无线传感网络的视频监控功能。

(6)发明的基于无线网络的水闸安全监控系统，组网方便快捷、工作功耗低、价格低廉、传输视频清晰可靠、支援多种网络拓扑、具有低复杂度、实时、可靠、安全的特点。

附图说明

图1、本发明基于无线网络的水闸安全监控系统总体构架图；

图2、本发明中水闸参数采集节点的结构图；

图3、本发明中视频节点结构图；

图4、本发明中水闸ZigBee无线网络节点的硬件结构图；

图5、本发明中视频采集流程图；

具体实施方式

图1是本发明基于无线网络的水闸安全监控系统总体构架图。该系统可以分为三部分，第一部分为数据采集系统，如图中11所示；第二部分为数据传输系统，如图中12所示；第三部分为水闸远程监控系统，如图中13所示。数据采集系统11由参数采集节点、视频采集节点、路由节点和协调器节点组成，在基于无线网络的水闸安全监控系统中，通过在参数采集节点上布置不同的传感器，如雨量传感器、流量传感器、水位传感器、流速传感器和闸位计等，来采集水闸结构参数和环境参数，通过2.4GHz的ISM频段，与上层路由节点和协调器节点构成基于IEEE 802.15.4技术标准和ZigBee网络协议的ZigBee无线网络，路由节点通过连接邻居节点来扩展网络覆盖范围，通过多跳路由辅助下层子节点完成通信，把数据传给上层协调器节点，协调器节点负责启动或建立ZigBee网络，协调器一方面利用ZigBee方式同路由节点连接，另一方面采用WCDMA/3G网络与水闸远程监控调度系统连接，从而实现环境参数和结构参数的远程监控；视频节点采集图像信号，将音视频信号以及其他控制信号通过无线的方式传输给DVR，通过WCDMA与无线传输系统连接，传输到远程监控调度中心，实现视频实时监控。数据传输系统22由具有接入Internet网络的WCDMA/3G数传设备构成。WCDMA/3G数传设备承担数据协议转换、网络中继和Internet接入等功能，所有参数采集节点和视频采集节点的采集信息最终通过它传输到水闸远程监控调度系统。远程监控调度系统33，把底层发送过来的参数数据和视频数据进行处理、存储分析和显示、预警发布、设备远程管理、网络拓扑结构显示、用户管理，并对底层进行指令发布。监控调度中心第一时间通过Internet、AP服务和GSM网络将预警播报短信发送到相关负责人员手机，真正实现了监测区域的实时监控和预警发布。安全监控调度中心通过WCDMA/3G网络与ZigBee网络中协调器节点通信，参数采集节点与路由节点、协调器节点通过基于IEEE802.15.4标准的ZigBee无线网络协议，形成具有分布式处理的ZigBee网络。

其中水闸参数采集节点通过布置不同传感器，将采集的水闸环境参数成功发送给上层路由节点后，为节省能量，采用自动唤醒和事件唤醒机制，当有接收到采集指令或参数超过阀值时，采集节点将被唤醒进行参数采集，把采集的数据向上传输给路由节点；视频节点主要由电源管理模块、存储模块、FPGA模块、视频采集模块、视频编码模块、嵌入式外围设备驱动模块、以及通讯接口模块组成，实现图像的采集和处理，水闸采集现场整个无线网络具有良好的网络鲁棒性、系统稳定性和监控实时性，组网方便快捷、价格低廉、传输视频清晰可靠。

图2是水闸参数采集节点的结构图，环境参数和结构参数采集传感器布置于ZigBee采集节点上，采集节点由CC2430模块、电源模块、数/模转换模块、时钟电路模块、存储电路模块、驱动控制输出模块、通讯接口电路模块共同组成，CC2430模块集成了微处理器和无线收发器。

图3是视频编码压缩节点结构图，工作原理如下：CCD摄像头采集的模拟信号，通过视频解码器转换成BT.656数字视频数据流，然后利用FPGA把接收到的视频数据由D1格式缩小为CIF格式，并将多路CIF格式视频数据拼接为D1分辨率的YCbCr 4:2:2带行、场同步的数字视频流数据，输入到DM6437的视频前端VPFE。除了这些基本功能外，还利用FPGA实现如滤波、防眩光、目标侦测、跟踪等视频处理功能。视频处理前端VPFE中包括了Previewer、Resizer、H3A模块，可实现图像大小的缩放以及自动对焦、自动白平衡、自动曝光。同时，DM6437将视频数据压缩成H.264编码的数据，存储到硬盘等存储设备。当远程用户需要预览或者回放时，通过WCDMA无线数传设备将视频数据发送到监控服务器，然后回传到包含智能手机、PDA、PC机或者平板电脑等个人终端上，实现视频图像监控和云台控制。

图4为水闸ZigBee无线网络节点的硬件结构图。是以射频芯片CC2430为主器件的硬件模块，CC2430器件模块主要组成部分包括复位电路、时钟电路、电源转换模块、巴伦电路等，外接天线和电源模块。CC2430射频前端口的传输方式是差分形式，有两个端口，而天线采用的是但端口，所以设置了巴伦电路，也就是天线阻抗电路，完成两端口到单端口的转换，巴伦电路主要由电容、电感和微带线组成。

图5是视频采集流程图。(1)首先需要打开视频设备；(2)然后利用VIDIOCGCAP命令来获取视频设备名称、信号源的信息、设备支持的最大最小分辨率等视频设备文件的性能参数；(3)接着对图像属性参数进行设定，图像参数设定主要是设定图像的亮度、对比度等参数，并对采集窗口、颜色模式、帧状态初始化；(4)完成前面的设定等初始化工作后，进行视频图像采集，视频图像采集采用内存映射方式，主要采用mmap方式对摄像头进行内存映射，把摄像头对应的设备文件映射到内存区，这样映射内容区可进行读写，并且不同进程间可以实现共享，进程可以类似像访问普通内存一样对文件进行访问，绕过了内核缓冲区，加速了I/O访问，大大加速了摄像头的采集效率；(5)对采集的图像进行压缩等处理，然后进行网络发送，发送到远程监控调度中心，视频信息数据量特别庞大，视频压缩处理节约存储空间和带宽，大大提高了网络传输速度，本专利选用了国际标准MPEG-4对采集的视频数据进行压缩编码处理，保证基于无线网络的水闸安全监控调度系统在有限的带宽条件下，实时的传输更多的视频信息；(6)如果需要进一步采集图像，继续进行图像采集，否则关闭视频设备，结束图像采集。

本发明的有益技术效果是：

(1)构建了水闸无线参数监测-视频数据采集-无线传输-实时监控-图像可视化体系，建立了基于无线网络的水闸安全监控调度系统，兼顾常规监测和视频采集，克服了传统有线监控的诸多弊端，同时也增加了单纯无线传感网络的视频监控功能。

(2)避免了现有水闸有线图像监控系统和有线参数监控系统需要铺设大量地上地下设备线路、成本高、施工周期长等诸多问题，具有更强的灵活性和方便性。

(3)能自动实时监测被测闸门开合度及运行状况，实时无线监测闸门环境参数，具有实时视频监视操作过程的功能等，为水闸工程的健康诊断提供实时可靠的分析资料和图像信息，为水闸安全运行提供保障。

如上所述，对本水闸监控调度系统发明的实施例进行了比较详细的阐述，但针对本发明所做的等效变形与修改，对水运工程相关领域技术人员来说是显而易见的，这样的修改例也包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于无线网络的水闸安全监控系统，其特征在于：系统由数据采集系统、数据传输系统、远程监控调度系统组成，数据采集系统包括参数采集节点、视频采集节点、路由节点和协调器节点，远程监控调度系统包括数据库服务器系统和监控调度中心，参数采集节点采集水闸环境参数、结构参数，视频采集节点采集水闸图像信息，参数采集节点将水闸环境参数、结构参数依次通过路由节点和协调器节点传输至数据传输系统，视频采集节点将水闸图像信息通过无线网络传输至数据传输系统，数据传输系统将闸门环境参数、结构参数和图像信息传输至数据库服务器系统，监控调度中心根据数据库服务器系统采集的信息自动控制闸门启闭，通过SMS及时发布预警短信。

2.根据权利要求1所述的基于无线网络的水闸安全监控系统，其特征在于：所述的参数采集节点包括传感器组。

3.根据权利要求1所述的基于无线网络的水闸安全监控系统，其特征在于：所述的参数采集节点是基于ZigBee无线传感网络的，由集成了微处理器和无线收发器的CC2430模块、电源模块、数/模转换模块、时钟电路模块、存储电路模块、驱动控制输出模块、通讯接口电路模块共同组成。

4.根据权利要求1所述的基于无线网络的水闸安全监控系统，其特征在于：所述的视频采集节点主要由电源管理模块、存储模块、FPGA模块、视频采集模块、视频编码模块、嵌入式外围设备驱动模块、以及通讯接口模块组成，采集的视频信息通过第三代无线通信网络WCDMA/3G传送到远程安全监控调度中心实时显示。

5.根据权利要求1所述的基于无线网络的水闸安全监控系统，其特征在于：所述的协调器节点采用ZigBee方式与路由节点连接，接收所有参数采集节点发送过来的数据，并通过第三代无线通信网络WCDMA/3G传到远程安全监控调度中心，同时接受远程监控调度中心发布的指令。

6.根据权利要求1所述的基于无线网络的水闸安全监控系统，其特征在于：所述的采集信息主要包括水闸启闭控制和环境信息采集，通过图像视频采集和传感器参数采集，水闸启闭控制包括水闸开合度及工况、启闭电机状态，环境信息采集分一般性监测和专门性监测。

7.根据权利要求6所述的基于无线网络的水闸安全监控系统，其特征在于：所述一般性监测项目包括：闸门上下游水位、河道流量、流速、雨量、水流形态、冲刷和淤积等；所述专门性监测主要根据水闸工程的具体情况而定，根据个别工程需要，进行水平位移、伸缩缝、裂缝、墙后土压力、混凝土碳化、地基反力和结构应力等项目的监测。

Images