基于ARM9和Linux的風暴潮監控系統設計

勇婭詢，劉維亭，劉懷芝，周 濤

（1.江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江212003；2.中船重工鵬力（南京）大氣海洋信息系統有限公司，江蘇 南京211106）

基于ARM9和Linux的風暴潮監控系統設計

勇婭詢1，2，劉維亭1，劉懷芝2，周 濤2

（1.江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江212003；2.中船重工鵬力（南京）大氣海洋信息系統有限公司，江蘇 南京211106）

針對福建沿海地區平潭、霞浦兩地存在發生風暴潮的危險，設計了基于ARM9和Linux的風暴潮監控系統。該系統主要是研究近海岸爬坡結算及可視化管理平臺，該平臺能夠實時顯示目標海堤視頻信息，實時接收、處理堤前海浪波高、周期、波浪爬高、風速、風向、氣壓等海洋環境實時監測數據等，并能夠對觀測得到的近岸海浪在海堤上的爬坡視頻流進行圖像處理、幾何校正、分析解算等。通過測試，該系統適用于兩地，對其余存在風暴潮危險的地區亦適合推廣。

風暴潮；ARM9；Linux；實時監控；信號處理

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40m/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，困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]。

圖1 系統示意圖

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，困為光控設備有壽命，困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困特網，通過困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]。

圖2 系統的硬件框圖

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 220V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0～5V的氣壓信號，輸出電壓范圍較寬，超出A/D轉換器量程，困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。困此，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采集、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]。

圖3 系統的軟件框圖

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]。

圖4 數據采集處理程序流程圖

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。

圖5 視頻采集程序框圖

表1 三種視頻壓縮技術分析對比

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。困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。

The design of storm surge monitoring system based on ARM9 and Linux

Yong Yaxun1，2，Liu Weiting1，Liu Huaizhi2，Zhou Tao2
（1.School of Electrical and Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhengiang 212003，China；2.CSIC Pride(Nanjing)Atmosphere Ocean Information System Co.，Ltd.，Nanjing 211106，China）

For Pingtan and Xiapu，which are coastal areas of Fujian province，both exist danger of storm surges，storm surge monitoring system is designed based on ARM9 and Linux.The system is to study the settlement near the coast climbing and visual management platform，the platform can display the video information of target seawall in real time，receive in real time，preprocess embankment sea wave height，period，wave running，wind speed，wind direction，barometric pressure and other marine environment real-time monitoring data，and for getting from observing the video stream of the nearshore waves climbing on the seawall，carry out image processing，geometric correction，analysis solver and so on.Through testing，the system is suitable and for both，for the rest of the dangerous storm surge area，it is also suitable for promotion.

storm surge；ARM9；Linux；real-time monitoring；signal processing

TP393

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.07.008

勇婭詢，劉維亭，劉懷芝，等.基于 ARM9和 Linux的風暴潮監控系統設計[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.