文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.07.008
中文引用格式： 勇婭詢，劉維亭,，劉懷芝,，等. 基于ARM9和Linux的風暴潮監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].電子技術應用，2015,，41(7)：30-32,，36.
英文引用格式： Yong Yaxun，Liu Weiting,，Liu Huaizhi,，et al. The design of storm surge monitoring system based on ARM9 and Linux[J].Application of Electronic Technique，2015,，41(7)：30-32,，36.
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,，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,。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,，且對接收的數據進行查詢、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據,，保存在SD卡中,并定時上傳數據至主臺保存,；光控開關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；所有數據經過交換機接入因特網,，通過因特網將數據上傳至主站或者PC主機,，可以遠程登錄該系統(tǒng)進行相關操作。
1.1 系統(tǒng)的硬件設計
綜合考慮系統(tǒng)功能的實現和當今嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,，在硬件平臺的構建上,，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,、數據記錄儀、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
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采樣數據,，光控開關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 數據存儲部分
視頻數據存儲采用硬盤,，硬盤容量為2 T,，可以連續(xù)保存100天錄像數據,。海洋要素信息保存至SD卡，每分鐘保存一次數據,，SD卡采用16 GB容量卡,，可以保存5年以上的數據。只要網絡暢通,保存的數據就能實時上傳到主機,。
1.2.3 傳感器與波浪儀的選擇
風速風向數據采集采用美R.M.YOUNG公司生產的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轉換模塊進行轉換,。
氣壓傳感器采用美國Setra 278型號的優(yōu)質傳感器，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,，分壓后信號經過運放跟隨,，最后進入高精度A/D轉換模塊進行轉換。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,，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,、數據處理及本地存儲、網絡通信的設計,，驅動部分主要包括USB攝像頭的驅動等,。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內核、根文件系統(tǒng)以及應用程序等[7],。
根據Linux的結構編寫風暴潮監(jiān)控系統(tǒng)的應用程序,，數據采集處理程序的流程圖如圖4左半邊。系統(tǒng)在傳感器,、波浪儀采集到數據以后,，定時計數器也同步啟動，將設定時間內所采集到的數據全部都存入SD卡中,，對于異常數據進行處理,，將這些數據中的最小值和最大值刪除然后取平均。數據處理流程圖如圖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據,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，內核,、驅動,、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,。
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。
由于視頻流對數據傳輸設備信號要求高,，所以采用有線傳輸方式,，將數據通過以太網傳輸至主機進行最終的分析和處理。
3 數據分析與界面顯示
完成交叉編譯平臺的搭建,構建u-boot的移植,、內核的移植,、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據時間以及風速,、風速等級,、風向、氣壓的最新數據值,。顯示海浪的最新數據時間以及最大波高,、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)實現了現場高清,、高幀數視頻流數據的獲取與存儲，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,；進行了平臺數據集成管理,，平臺軟件采用可視化管理，可通過視頻實時看到現場海浪情況并實現了集成數據結果顯示,，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
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