0 引言

    風暴潮指由強烈大氣擾動，如熱帶氣旋(臺風,、颶風)、溫帶氣旋(寒潮)等引起的海面異常升降現(xiàn)象,。有人稱風暴潮為“風暴海嘯”或“氣象海嘯”,，在我國歷史文獻中多稱為“海溢”、“海侵”,、“海嘯”及“大海潮”等,，所以又把風暴潮災害稱為“潮災”。風暴潮的空間范圍一般由幾十公里至上千公里,，時間尺度或周期約為1～100 h,，介于地震海嘯和低頻天文潮波之間。較大的風暴潮,，特別是風暴潮和天文潮高潮疊加時,，會引起沿海水位暴漲，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，在季風環(huán)流影響下,，全年大于等于8級的大風日數(shù),，中部有90天左右，沿海有130天左右,。每年影響平潭的臺風有3～5次,，最多達11次，強度大,，速度常達40 m/s以上,，可以說幾乎一年四季都有大風出現(xiàn)。特殊的地理位置與氣候環(huán)境使得兩地存在風暴潮的威脅,，因而建立風暴潮監(jiān)控系統(tǒng)勢在必行,。

1 系統(tǒng)的整體設計

    系統(tǒng)需實時顯示目標海堤視頻信息，且對接收的數(shù)據(jù)進行查詢,、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：控制器定時讀取傳感器以及波浪儀數(shù)據(jù),，保存在SD卡中,并定時上傳數(shù)據(jù)至主臺保存；光控開關(guān)在天氣照度比較弱的情況下自動打開,，因為光控設備有壽命,，因而同時設置軟件判斷程序,設置定時開關(guān)時間,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，可以遠程登錄該系統(tǒng)進行相關(guān)操作,。

1.1 系統(tǒng)的硬件設計

    綜合考慮系統(tǒng)功能的實現(xiàn)和當今嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,，在硬件平臺的構(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,，適用于樓宇自動化、數(shù)據(jù)記錄儀,、POS機,、報警系統(tǒng)和醫(yī)療設備等,。

1.2 外接設備與主要模塊功能的實現(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，主電采用交流220 V市電,，副電采用太陽能發(fā)電,，通過自動切換開關(guān)進行切換，保證在無市電的情況下本系統(tǒng)能可靠運行,。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,，在設計過程中,，硬件上采用光敏電阻，在軟件上,，針對設備光線阻擋干擾問題進行算法編寫,，定時檢測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)超過設定時間的情況下自動打開,，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)存儲部分

    視頻數(shù)據(jù)存儲采用硬盤，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)絡暢通,保存的數(shù)據(jù)就能實時上傳到主機,。

1.2.3 傳感器與波浪儀的選擇

    風速風向數(shù)據(jù)采集采用美R.M.YOUNG公司生產(chǎn)的05103L型標準海洋型風速風向傳感器。風速風向傳感器傳輸采用標準的兩線制方式,，輸出信號為標準的4～20 mA模擬量信號,，其抗干擾能力好，傳輸距離長,。前級信號通過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,；后級信號采用運放跟隨接法，提高輸入阻抗,，降低輸出阻抗,，保證信號可靠準確,，最后進入高精度A/D轉(zhuǎn)換模塊進行轉(zhuǎn)換。

    氣壓傳感器采用美國Setra 278型號的優(yōu)質(zhì)傳感器,，氣壓傳感器輸出信號為0～5 V的氣壓信號,，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行分壓,，分壓后信號經(jīng)過運放跟隨，最后進入高精度A/D轉(zhuǎn)換模塊進行轉(zhuǎn)換,。信號前級采用阻容濾波,，傳感器直接就近安裝，縮短引線,，保證采樣信號準確可靠,。

    電路設計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保險絲,，提高了系統(tǒng)運行的可靠性,。

    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,。由于測量膜片表面平整,，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),，海面波高的變化會引起水壓的變化。因此,，在某一深度上可以用壓力傳感器測出其壓力的變化,，并由壓力的變化反推出表面波的變化。 

2 系統(tǒng)的軟件設計

    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,、網(wǎng)絡通信的設計,，驅(qū)動部分主要包括USB攝像頭的驅(qū)動等。圖3為整個系統(tǒng)的軟件框架^[5],。

2.1 嵌入式軟件平臺的構(gòu)建

    在裁減和定制Linux,、運用嵌入式系統(tǒng)之前，由于嵌入式開發(fā)系統(tǒng)存儲大小有限，通常需要在PC上建立一個用于目標板的交叉編譯環(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)以及應用程序等^[7],。

    根據(jù)Linux的結(jié)構(gòu)編寫風暴潮監(jiān)控系統(tǒng)的應用程序，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，定時計數(shù)器也同步啟動,，將設定時間內(nèi)所采集到的數(shù)據(jù)全部都存入SD卡中,，對于異常數(shù)據(jù)進行處理，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計

    視頻采集模塊的功能是從USB攝像頭設備中讀取視頻幀數(shù)據(jù),并以一定格式保存。USB攝像頭屬于視頻類設備,，在目前的Linux核心中,，視頻部分的標準是video for Linux(簡稱v4L)。這個標準定義了一套接口,，內(nèi)核,、驅(qū)動、應用程序以這個接口為標準進行交流^[8],。在Linux中,，視頻設備文件可以像普通文件一樣對其進行讀寫，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計上,，應用開源FFmpeg方案實現(xiàn)視頻壓縮編碼,。FFmpeg是在Linux平臺下開發(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,，且具有跨平臺的特性,，廣泛應用于嵌入式設備中。當前主流的視頻壓縮技術(shù)主要有3種,，分別為JPEG標準,、MPEG標準、H.26X標準^[10],。表1列出了3種標準的壓縮比,、應用場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標準能達到較高的壓縮比率,。因為視頻監(jiān)控要求壓縮比最高,且能夠在有限的存儲空間內(nèi)盡可能多地存放視頻信息。所以,系統(tǒng)選用H.264標準作為壓縮方案,。

    由于視頻流對數(shù)據(jù)傳輸設備信號要求高,，所以采用有線傳輸方式，將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸至主機進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),，然后運行PC上的Linux操作系統(tǒng),，得到的結(jié)果如圖6所示平臺界面。

    圖6是上位機顯示界面,。從圖6可以看出界面實時顯示最新的數(shù)據(jù)時間以及風速,、風速等級、風向,、氣壓的最新數(shù)據(jù)值,。顯示海浪的最新數(shù)據(jù)時間以及最大波高、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。顯示所觀測點的實時視頻,，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,、預設置點的包存及載入等。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,，程序自動抓取當前的最新視頻,，保存為JPG格式的圖片文件；視頻錄像功能為點擊開始錄像，系統(tǒng)自動保存實時視頻為視頻文件,，視頻格式為mp4標準壓縮格式,，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

    本文針對平潭和霞浦的地形,，設計了風暴潮監(jiān)控系統(tǒng),，通過測試該系統(tǒng)實現(xiàn)了現(xiàn)場高清、高幀數(shù)視頻流數(shù)據(jù)的獲取與存儲,，視頻流資料的實時傳輸與監(jiān)控,，接收端視頻流資料的自動獲取、存儲,、查詢等功能,；進行了平臺數(shù)據(jù)集成管理，平臺軟件采用可視化管理,，可通過視頻實時看到現(xiàn)場海浪情況并實現(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,，整個系統(tǒng)適用于沿海地區(qū)對風暴潮的監(jiān)控，易于推廣,。

參考文獻

[1] 葉琳,，于福江.我國風暴潮災的長期變化與預測[J].海洋預報，2002,，19(1)：89-96.

[2] 楊桂山.中國沿海風暴潮災害的歷史變化及未來趨向[J].自然災害學報,，2000，9(3)：24-30．

[3] 陽韜.基于ARM的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計[D].北京：北京交通大學,，2013.

[4] 彭鐵剛,，劉國繁，曹少坤,，等.基于ARM的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].計算機工程與設計,，2010，31(6)：1191-1194.

[5] 丁秩.基于嵌入式的無線圖像監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].武漢：武漢理工大學,，2006.

[6] 周鵬.嵌入式Linux基礎教程[M].北京：人民郵電出版社,，2012.

[7] 陳賾，秦貴,，徐華中,，等.ARM9嵌入式技術(shù)及Linux高級實踐教程[M].北京：北京航空航天大學出版社,，2005.

[8] 段智文,，陳惠.基于video for Linux內(nèi)核的USB攝像頭視頻信號采集實現(xiàn)[J].價值工程，2011，30(5)：152-153.

[9] 金余義.基于ARM和嵌入式Linux船舶氣象儀的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的開發(fā)[D].山東：中國海洋大學,，2010.

[10] 路錦正.MPEG-4/H.264視頻編解碼工程實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社,，2011.