0 引言

    風(fēng)暴潮指由強(qiáng)烈大氣擾動(dòng)，如熱帶氣旋(臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng))、溫帶氣旋(寒潮)等引起的海面異常升降現(xiàn)象。有人稱風(fēng)暴潮為“風(fēng)暴海嘯”或“氣象海嘯”，在我國歷史文獻(xiàn)中多稱為“海溢”、“海侵”、“海嘯”及“大海潮”等，所以又把風(fēng)暴潮災(zāi)害稱為“潮災(zāi)”。風(fēng)暴潮的空間范圍一般由幾十公里至上千公里，時(shí)間尺度或周期約為1～100 h，介于地震海嘯和低頻天文潮波之間。較大的風(fēng)暴潮，特別是風(fēng)暴潮和天文潮高潮疊加時(shí)，會(huì)引起沿海水位暴漲，海水倒灌，狂濤惡浪，沖毀海堤海塘，吞噬碼頭、工廠、城鎮(zhèn)和村莊，使物資不得轉(zhuǎn)移，人畜不得逃生，從而釀成巨大災(zāi)難^[1-2]。

    平潭、霞浦兩地位于福建省沿海地區(qū)，處于南亞熱帶北界，以平潭為例，在季風(fēng)環(huán)流影響下，全年大于等于8級(jí)的大風(fēng)日數(shù)，中部有90天左右，沿海有130天左右。每年影響平潭的臺(tái)風(fēng)有3～5次，最多達(dá)11次，強(qiáng)度大，速度常達(dá)40 m/s以上，可以說幾乎一年四季都有大風(fēng)出現(xiàn)。特殊的地理位置與氣候環(huán)境使得兩地存在風(fēng)暴潮的威脅，因而建立風(fēng)暴潮監(jiān)控系統(tǒng)勢(shì)在必行。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)需實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)海堤視頻信息，且對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、分析、管理及顯示等。系統(tǒng)示意圖如圖1所示^[3]。

    系統(tǒng)流程：控制器定時(shí)讀取傳感器以及波浪儀數(shù)據(jù)，保存在SD卡中,并定時(shí)上傳數(shù)據(jù)至主臺(tái)保存；光控開關(guān)在天氣照度比較弱的情況下自動(dòng)打開，因?yàn)楣饪卦O(shè)備有壽命，因而同時(shí)設(shè)置軟件判斷程序,設(shè)置定時(shí)開關(guān)時(shí)間,使照明系統(tǒng)打開，以確保攝像頭在黑暗情況下能夠拍攝到清晰的圖像；所有數(shù)據(jù)經(jīng)過交換機(jī)接入因特網(wǎng)，通過因特網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至主站或者PC主機(jī)，可以遠(yuǎn)程登錄該系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)操作。

1.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

    綜合考慮系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)和當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，在硬件平臺(tái)的構(gòu)建上，MCU采用Atmel公司AT91SAM9G35，系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示^[4]。

    AT91SAM9G35采用ARM926EJ-S ARM Thumb核，其主要資源有1個(gè)LCD控制器以及觸摸板控制、高速USB2.0、10/100 Mb/s以太網(wǎng)控制器，支持SD卡SDIO模式等，主頻為400 MHz，適用于樓宇自動(dòng)化、數(shù)據(jù)記錄儀、POS機(jī)、報(bào)警系統(tǒng)和醫(yī)療設(shè)備等。

1.2 外接設(shè)備與主要模塊功能的實(shí)現(xiàn)

1.2.1 供電系統(tǒng)照明系統(tǒng)

    供電系統(tǒng)采用市電和太陽能發(fā)電互補(bǔ)，主電采用交流220 V市電，副電采用太陽能發(fā)電，通過自動(dòng)切換開關(guān)進(jìn)行切換，保證在無市電的情況下本系統(tǒng)能可靠運(yùn)行。交流電經(jīng)過防雷防浪涌器件接入系統(tǒng)，把外部干擾降至最低。

    為確保攝像頭在黑暗情況下能夠拍攝到清晰的圖像，在設(shè)計(jì)過程中，硬件上采用光敏電阻，在軟件上，針對(duì)設(shè)備光線阻擋干擾問題進(jìn)行算法編寫，定時(shí)檢測(cè)A/D采樣數(shù)據(jù)，光控開關(guān)在天氣照度比較弱且持續(xù)超過設(shè)定時(shí)間的情況下自動(dòng)打開，照明系統(tǒng)隨之打開。照明系統(tǒng)的燈采用節(jié)能LED燈，功率為30 W，在保證光照度夠用的情況下最大限度節(jié)能。

1.2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分

    視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用硬盤，硬盤容量為2 T，可以連續(xù)保存100天錄像數(shù)據(jù)。海洋要素信息保存至SD卡，每分鐘保存一次數(shù)據(jù)，SD卡采用16 GB容量卡，可以保存5年以上的數(shù)據(jù)。只要網(wǎng)絡(luò)暢通,保存的數(shù)據(jù)就能實(shí)時(shí)上傳到主機(jī)。

1.2.3 傳感器與波浪儀的選擇

    風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)采集采用美R.M.YOUNG公司生產(chǎn)的05103L型標(biāo)準(zhǔn)海洋型風(fēng)速風(fēng)向傳感器。風(fēng)速風(fēng)向傳感器傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)的兩線制方式，輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA模擬量信號(hào)，其抗干擾能力好，傳輸距離長。前級(jí)信號(hào)通過LC電路濾波，濾除干擾；采樣電路采用高精度低溫漂的采樣電阻，保證采樣精度可靠精確；后級(jí)信號(hào)采用運(yùn)放跟隨接法，提高輸入阻抗，降低輸出阻抗，保證信號(hào)可靠準(zhǔn)確，最后進(jìn)入高精度A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

    氣壓傳感器采用美國Setra 278型號(hào)的優(yōu)質(zhì)傳感器，氣壓傳感器輸出信號(hào)為0～5 V的氣壓信號(hào)，輸出電壓范圍較寬，超出A/D轉(zhuǎn)換器量程，因此采用高精度低溫漂的電阻進(jìn)行分壓，分壓后信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放跟隨，最后進(jìn)入高精度A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換。信號(hào)前級(jí)采用阻容濾波，傳感器直接就近安裝，縮短引線，保證采樣信號(hào)準(zhǔn)確可靠。

    電路設(shè)計(jì)為避免傳感器短路故障而影響系統(tǒng)工作，在供電部分加入了自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

    波浪儀采用SBY1-1 型壓力式波浪儀，其具有精度高、穩(wěn)定性好、抗腐蝕、抗磨損和抗沖擊性好等優(yōu)點(diǎn)。由于測(cè)量膜片表面平整，直接與海水大面積接觸，有效地避免了傳壓孔被泥沙堵塞的問題。它的工作原理是在一定水深范圍內(nèi)，海面波高的變化會(huì)引起水壓的變化。因此，在某一深度上可以用壓力傳感器測(cè)出其壓力的變化，并由壓力的變化反推出表面波的變化。 

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

    根據(jù)ARM9處理器及其各種外圍硬件資源的特性，軟件部分主要包含圖像釆集、壓縮編碼、數(shù)據(jù)處理及本地存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)部分主要包括USB攝像頭的驅(qū)動(dòng)等。圖3為整個(gè)系統(tǒng)的軟件框架^[5]。

2.1 嵌入式軟件平臺(tái)的構(gòu)建

    在裁減和定制Linux、運(yùn)用嵌入式系統(tǒng)之前，由于嵌入式開發(fā)系統(tǒng)存儲(chǔ)大小有限，通常需要在PC上建立一個(gè)用于目標(biāo)板的交叉編譯環(huán)境。在創(chuàng)建交叉編譯環(huán)境后，從u-boot官網(wǎng)上面下載u-boot源碼包，進(jìn)行u-boot移植^[6]。完成u-boot的移植之后，就可以開始創(chuàng)建嵌入式Linux系統(tǒng)了，一個(gè)完整的嵌入式Linux系統(tǒng)包括Linux內(nèi)核、根文件系統(tǒng)以及應(yīng)用程序等^[7]。

    根據(jù)Linux的結(jié)構(gòu)編寫風(fēng)暴潮監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用程序，數(shù)據(jù)采集處理程序的流程圖如圖4左半邊。系統(tǒng)在傳感器、波浪儀采集到數(shù)據(jù)以后，定時(shí)計(jì)數(shù)器也同步啟動(dòng)，將設(shè)定時(shí)間內(nèi)所采集到的數(shù)據(jù)全部都存入SD卡中，對(duì)于異常數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將這些數(shù)據(jù)中的最小值和最大值刪除然后取平均。數(shù)據(jù)處理流程圖如圖4右邊所示。

2.2 視頻采集模塊和編解碼設(shè)計(jì)

    視頻采集模塊的功能是從USB攝像頭設(shè)備中讀取視頻幀數(shù)據(jù),并以一定格式保存。USB攝像頭屬于視頻類設(shè)備，在目前的Linux核心中，視頻部分的標(biāo)準(zhǔn)是video for Linux(簡稱v4L)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義了一套接口，內(nèi)核、驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用程序以這個(gè)接口為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行交流^[8]。在Linux中，視頻設(shè)備文件可以像普通文件一樣對(duì)其進(jìn)行讀寫，視頻采集流程序框圖如圖5所示^[9]。

    在嵌入式編解碼軟件設(shè)計(jì)上，應(yīng)用開源FFmpeg方案實(shí)現(xiàn)視頻壓縮編碼。FFmpeg是在Linux平臺(tái)下開發(fā)的音視頻編解碼庫，提供了錄制、轉(zhuǎn)換以及流化音視頻的完整解決方案，且具有跨平臺(tái)的特性，廣泛應(yīng)用于嵌入式設(shè)備中。當(dāng)前主流的視頻壓縮技術(shù)主要有3種，分別為JPEG標(biāo)準(zhǔn)、MPEG標(biāo)準(zhǔn)、H.26X標(biāo)準(zhǔn)^[10]。表1列出了3種標(biāo)準(zhǔn)的壓縮比、應(yīng)用場(chǎng)合和采用的主要編碼技術(shù)。

    由表1可知，從壓縮比率上看，JPEG壓縮比為30～50，MPEG-4為100～150，H.264為200，H.264標(biāo)準(zhǔn)能達(dá)到較高的壓縮比率。因?yàn)橐曨l監(jiān)控要求壓縮比最高,且能夠在有限的存儲(chǔ)空間內(nèi)盡可能多地存放視頻信息。所以,系統(tǒng)選用H.264標(biāo)準(zhǔn)作為壓縮方案。

    由于視頻流對(duì)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備信號(hào)要求高，所以采用有線傳輸方式，將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸至主機(jī)進(jìn)行最終的分析和處理。

3 數(shù)據(jù)分析與界面顯示

    完成交叉編譯平臺(tái)的搭建,構(gòu)建u-boot的移植、內(nèi)核的移植、根文件系統(tǒng)，然后運(yùn)行PC上的Linux操作系統(tǒng)，得到的結(jié)果如圖6所示平臺(tái)界面。

    圖6是上位機(jī)顯示界面。從圖6可以看出界面實(shí)時(shí)顯示最新的數(shù)據(jù)時(shí)間以及風(fēng)速、風(fēng)速等級(jí)、風(fēng)向、氣壓的最新數(shù)據(jù)值。顯示海浪的最新數(shù)據(jù)時(shí)間以及最大波高、波周期，1/10波高、波周期，1/3波高、波周期和平均波高、波周期。顯示所觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)視頻，其中控制功能包括：連接視頻、焦距調(diào)整、視頻圖片抓取、視頻錄像、預(yù)設(shè)置點(diǎn)的包存及載入等。其中視頻圖片抓取功能為選擇保存圖片文件的位置及文件名稱，程序自動(dòng)抓取當(dāng)前的最新視頻，保存為JPG格式的圖片文件；視頻錄像功能為點(diǎn)擊開始錄像，系統(tǒng)自動(dòng)保存實(shí)時(shí)視頻為視頻文件，視頻格式為mp4標(biāo)準(zhǔn)壓縮格式，可以選擇常用的視頻播放工具來播放該視頻錄像文件。

4 結(jié)束語

    本文針對(duì)平潭和霞浦的地形，設(shè)計(jì)了風(fēng)暴潮監(jiān)控系統(tǒng)，通過測(cè)試該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)高清、高幀數(shù)視頻流數(shù)據(jù)的獲取與存儲(chǔ)，視頻流資料的實(shí)時(shí)傳輸與監(jiān)控，接收端視頻流資料的自動(dòng)獲取、存儲(chǔ)、查詢等功能；進(jìn)行了平臺(tái)數(shù)據(jù)集成管理，平臺(tái)軟件采用可視化管理，可通過視頻實(shí)時(shí)看到現(xiàn)場(chǎng)海浪情況并實(shí)現(xiàn)了集成數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，如坡前波浪信息、氣象、海洋站潮位資料等，整個(gè)系統(tǒng)適用于沿海地區(qū)對(duì)風(fēng)暴潮的監(jiān)控，易于推廣。

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