微功耗高清信息采集系統(tǒng)在ITS中的應(yīng)用

引言

傳統(tǒng)的視頻監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng),都集中在城鎮(zhèn)以及其他方便取電和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膮^(qū)域,已經(jīng)初步形成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘的運(yùn)算體系,為城市交通、居民消費(fèi)、市政設(shè)施和城市管理等做出了積極的貢獻(xiàn)。但是,這些數(shù)據(jù)采集僅限于城鎮(zhèn),城鎮(zhèn)以外廣闊區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)匱乏,使人工智能和大數(shù)據(jù)服務(wù)無用武之地。本文介紹的微功耗高清信息采集系統(tǒng)讓數(shù)據(jù)采集不再受環(huán)境限制,能夠更主動(dòng)、更廣泛、更深入地獲取豐富的數(shù)據(jù)。

1微功耗高清信息采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

如圖1所示,微功耗高清信息采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)主要包括三部分:前端監(jiān)控設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)和中心平臺(tái)。其中,前端監(jiān)控設(shè)備主要由微功耗云臺(tái)高清攝像機(jī)、小功率(60w）太陽能電池板和一體化控制主機(jī)組成:傳輸網(wǎng)絡(luò)主要設(shè)計(jì)采用運(yùn)營商的4G或5G通信網(wǎng)絡(luò),實(shí)時(shí)將視頻信號(hào)傳輸?shù)焦芾碇行?中心平臺(tái)主要由視頻分析、識(shí)別、管理軟件及配套的服務(wù)器和存儲(chǔ)硬件組成。

2微功耗高清信息采集系統(tǒng)前端

如圖2所示,微功耗高清信息采集系統(tǒng)前端主要由微功耗云臺(tái)高清攝像機(jī)、小功率(60w）太陽能電池板和一體化控制主機(jī)組成。

其中,微功耗云臺(tái)高清攝像機(jī)主要負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)視頻信息,其功能組件如圖3所示。

微功耗高清IPC部分采用200萬/300萬像素CMos圖像傳感器:匹配20/30倍光學(xué)變倍的自動(dòng)和手動(dòng)對(duì)焦鏡頭,快門速度為1/30000～1/3s:用于實(shí)現(xiàn)彩色圖像采集環(huán)境下≤0.05Lux@F1.6低照度性能并支持日夜轉(zhuǎn)換功能。微功耗全方位智能云臺(tái)采用PELC0-P/D協(xié)議3D智能云臺(tái)解碼器,預(yù)置位為255,支持巡視軌跡、花樣掃描、水平掃描、自動(dòng)掃描等。視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)為H.264/H.265/M-JPEG,最大分辨率為1920×1080@H.264/M-JPEG,圖像最大幀率為25fps(PAL）、30fps(NTsC）,固定碼率為256kb/s～4Mb/s或可變碼率,碼流種類為主碼流、副碼流和第三碼流。通信接口為10/100MBase-T自適應(yīng)以太網(wǎng)接口,支持組播(多播）功能,平臺(tái)協(xié)議為0Nvif/GB28181一2011/2016。由于微功耗高清IPC部分采用微功耗技術(shù),該部分平均功率不大于2w,只有一般高清IPC的1/10,配合智能主控一體機(jī),即使是在無任何供電電源的場(chǎng)合也能實(shí)現(xiàn)視頻輸出15天。

智能主控一體機(jī)按功能可劃分為蓄能控制模塊、充放電管理模塊和傳輸模塊三部分,如圖4所示。其中,蓄能控制模塊以工業(yè)鋰電池組為主,容量36～72Ah可選配,采用合理嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟季趾屯晟频亩嘀乇Ｗo(hù)功能,保證蓄能控制模塊的各個(gè)組成部分在惡劣條件下仍具有良好的工作狀態(tài),在太陽能電池板供電的條件下,該系統(tǒng)能夠全年不間斷工作。充放電管理模塊能夠高效地將太陽能板的電能轉(zhuǎn)化到蓄能電池組中,具備多重充放電保護(hù),包括過充、過放、短路、超載和超溫等保護(hù),保證了蓄能模塊的長壽命以及蓄能控制模塊的經(jīng)久耐用,并能高效地為各個(gè)部件分配電能,提供穩(wěn)定可靠的內(nèi)部供電環(huán)境:同時(shí),該組件具有一鍵電量、電壓顯示和一鍵安全放電功能,方便在安裝和維護(hù)過程中保障蓄能模塊的安全。傳輸模塊主要采用4G或5G模組實(shí)現(xiàn)高清攝像機(jī)視頻信息的數(shù)據(jù)傳送,也可以根據(jù)用戶的需要采用光纖或數(shù)字微波方式。這三部分模塊有機(jī)地集成在一個(gè)整體單元中,形成高度集成的集蓄能、控制和傳輸于一體的智能化控制設(shè)備。

該組件在設(shè)計(jì)上采用MPPT智能高效充放電控制技術(shù),陰雨天也可以充電:采用TI專用充放電管理芯片,將充電、放電和使用過程中的電量轉(zhuǎn)換效率提高到95%,再小的電量都能夠存儲(chǔ)和供應(yīng)。同時(shí),采用BMs框架標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合光伏供電的特點(diǎn),應(yīng)用自主研發(fā)的智能均衡技術(shù),延長模塊的壽命,提高其環(huán)境適應(yīng)能力。另外,使用新能源動(dòng)力的電量回收技術(shù),將云臺(tái)運(yùn)行中極小的反向能量轉(zhuǎn)化回收存儲(chǔ),提高微功耗設(shè)備的續(xù)航能力。在工業(yè)化生產(chǎn)方面,采用絕熱效果最好的氣凝膠保溫層,對(duì)電池組的6個(gè)面進(jìn)行無縫保護(hù),同時(shí)采用動(dòng)態(tài)恒溫的控制方式,讓每個(gè)鋰電池的溫度都保證均衡,處于完全的充放電環(huán)境中,有利于延長模塊的使用壽命:并采用一體化防撞防沖擊內(nèi)架,能夠保證蓄能模塊在沖擊和碰撞的條件下不發(fā)生意外,配合主控一體機(jī)上的"安全放電"按鈕,保證了存儲(chǔ)、運(yùn)輸和使用過程中不會(huì)對(duì)蓄能模塊有影響。

3傳輸網(wǎng)絡(luò)

傳輸網(wǎng)絡(luò)主要設(shè)計(jì)采用運(yùn)營商的4G或5G通信網(wǎng)絡(luò),實(shí)時(shí)將視頻信號(hào)傳輸?shù)焦芾碇行?并接收管理中心下發(fā)的調(diào)焦、轉(zhuǎn)向、雨刮運(yùn)行等控制命令。在有特定需求的情況下,也可采用光纖或數(shù)字微波傳輸?shù)姆绞健?

4中心平臺(tái)

中心平臺(tái)主要由視頻分析、識(shí)別、管理軟件及配套的服務(wù)器和存儲(chǔ)硬件組成。其主要作用是對(duì)前端傳送過來的車輛運(yùn)行視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行行為分析與識(shí)別,準(zhǔn)確判斷在定向車道管理區(qū)域內(nèi)行駛的車輛是否存在違法行為,若發(fā)現(xiàn)相關(guān)違法車輛,則對(duì)車輛相關(guān)信息如車牌號(hào)碼、號(hào)牌顏色、車輛類型、車身顏色、車輛品牌等)進(jìn)行提取,并上傳給交通管理的執(zhí)法平臺(tái)。同時(shí),中心平臺(tái)還具備對(duì)設(shè)備的管理和控制功能,能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的登記、操控、監(jiān)測(cè)、刪除等的應(yīng)用。圖5為使用微功耗高清信息采集系統(tǒng)采集的違章車輛合成信息。

5智能電池監(jiān)測(cè)技術(shù)

電池動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試如圖6所示。根據(jù)圖6a)可知,當(dāng)電池容量低于80%時(shí),電池不可用:當(dāng)每次放電深度為10%時(shí),電池的循環(huán)壽命高于9000次:當(dāng)每次放電深度達(dá)25%時(shí),電池的循環(huán)壽命低于3500次。因此,每次放電深度越低,電池循環(huán)壽命就越長。

結(jié)合光伏供電的特點(diǎn),該系統(tǒng)前端采用智能電池監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)控器),監(jiān)控器有助于監(jiān)測(cè)計(jì)準(zhǔn)確測(cè)量各種化合物如鋰離子、磷酸鐵鋰和鎳氫)的荷電狀態(tài)和健康狀態(tài),在每個(gè)單獨(dú)的電池上實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步測(cè)量,可實(shí)時(shí)提供電池電壓、溫度和電流的精確讀數(shù),精確的監(jiān)控可提高電源使用效率,從而延長運(yùn)行時(shí)間并減小電池尺寸和降低電池成本。系統(tǒng)還集成了噪聲濾除功能,無須外部噪聲濾除即可提高測(cè)量完整性和精度,改善通道間測(cè)量同步并縮短所有測(cè)量值返回主機(jī)的時(shí)間,具有集成式可編程保護(hù)功能的監(jiān)控器可全面控制電壓、電流和溫度,自動(dòng)觸發(fā)保險(xiǎn)絲和板載診斷功能,從而實(shí)現(xiàn)出色的系統(tǒng)性能,延長模塊壽命,提高其環(huán)境適應(yīng)能力。

該系統(tǒng)前端設(shè)計(jì)的蓄能模塊每天放電深度<6.6%,比10%放電深度線更為平坦,如圖6(b）所示,根據(jù)積累的數(shù)據(jù)和趨勢(shì)推測(cè),循環(huán)放電9000次以后的容量仍然大于90%,按每天一次6.6%的放電深度來推算,9000次循環(huán)壽命,合計(jì)約24年,還能保持90%的容量。

6結(jié)語

本文所述微功耗高清信息采集系統(tǒng)在ITs中有著廣闊的應(yīng)用前景,本系統(tǒng)與市場(chǎng)現(xiàn)有的監(jiān)控設(shè)備相比,減少了實(shí)施中的很多環(huán)節(jié),例如無須敷設(shè)專用管道,無須專用市電接入等,無須光纖通信接入等,設(shè)備安裝極其簡化,設(shè)備的維護(hù)、拆卸和位移都非常便捷,同時(shí)先進(jìn)的微功耗及蓄能控制技術(shù)還能保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定的不間斷工作。