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，處于南亞熱帶北界，以平潭為例，在季風環流影響下，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境使得兩地存在風暴潮的威脅，因而建立風暴潮監控系統勢在必行。

1 系統的整體設計

    系統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。系統示意圖如圖1所示^[3]。

    系統流程：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進行相關操作。

1.1 系統的硬件設計

    綜合考慮系統功能的實現和當今嵌入式系統的發展趨勢，在硬件平臺的構建上，MCU采用Atmel公司AT91SAM9G35，系統的硬件框圖如圖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、報警系統和醫療設備等。

1.2 外接設備與主要模塊功能的實現

1.2.1 供電系統照明系統

    供電系統采用市電和太陽能發電互補，主電采用交流220 V市電，副電采用太陽能發電，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能可靠運行。交流電經過防雷防浪涌器件接入系統，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超過設定時間的情況下自動打開，照明系統隨之打開。照明系統的燈采用節能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工作，在供電部分加入了自恢復保險絲，提高了系統運行的可靠性。

    波浪儀采用SBY1-1 型壓力式波浪儀，其具有精度高、穩定性好、抗腐蝕、抗磨損和抗沖擊性好等優點。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、運用嵌入式系統之前，由于嵌入式開發系統存儲大小有限，通常需要在PC上建立一個用于目標板的交叉編譯環境。在創建交叉編譯環境后，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，就可以開始創建嵌入式Linux系統了，一個完整的嵌入式Linux系統包括Linux內核、根文件系統以及應用程序等^[7]。

    根據Linux的結構編寫風暴潮監控系統的應用程序，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，然后運行PC上的Linux操作系統，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，設計了風暴潮監控系統，通過測試該系統實現了現場高清、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，整個系統適用于沿海地區對風暴潮的監控，易于推廣。

參考文獻

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