山东科学
Ｓ Ｈ Ａ Ｎ Ｄ Ｏ Ｎ ＧＳ Ｃ Ｉ Ｅ Ｎ Ｃ Ｅ Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ７ ６ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ２－ ４ ０ ２ ６ ． ２ ０ １ ４ ． ０ ５ ． ０ １ ７
第２ ７卷 第 ５期 ２ ０ １ ４年 １ ０月出版 Ｖ ｏ ｌ ． ２ ７Ｎ ｏ ． ５Ｏ ｃ ｔ ． ２ ０ １ ４
４ ］ 接收客户端组成 ［ ， 系统组成示意图
如图 １所示。依据海洋监测浮标上的 特殊使用环境， 主要进行了视频系统 供电的电源管理设计与摄像头的防护 与水密设计。电源管理模块主要以单
图１ 浮标无线视频监控系统示意图 Ｆ ｉ ｇ １ Ｉ ｌ ｌ ｕ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｂ ｕ ｏ ｙｗ ｉ ｒ ｅ ｌ ｅ ｓ ｓ ｖ ｉ ｄ ｅ ｏｍ ｏ ｎ ｉ ｔ ｏ ｒ ｉ ｎ ｇｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
３ ］ 术的发展 ［ ， 使得在大型海洋监测浮标上安装视频监控系统成为可能。
针对视频监控系统在无人值守的海洋监测浮标上应用存在的问题， 本文设计了一种应用在大型海洋资 料浮标上的无线视频传输系统。目前， 该系统已经在我国近海的赤潮浮标上安装应用两年多， 取得了较好的 实际应用效果。
１ 总体设计
无线视频监控系统由供电系统、 ３ Ｇ无线视频传输模块、 视频传输控制 模块、 防水摄像头、 外置天线以及视频
摘要： 设计了一种应用在无人值守的大型海洋资料浮标上的 ３ Ｇ无线视频传输系统。系统采用值班电路对无线视频传输 模块进行功耗控制， 降低了系统的功耗。同时， 对普通摄像头进行了防水工艺设计， 可以有效耐受海上恶劣的使用环境。 该系统已经在海上业务运行的浮标上安装应用， 近两年的视频数据表明， 监控效果良好， 可有效地发现涉及浮标安全和 海洋污染等问题。 关键词： ３ Ｇ无线视频系统； 监控； 浮标 中图分类号： Ｐ ７ １ ５ 文献标识码： Ａ 文章编号： １ ０ ０ ２ ４ ０ ２ ６ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ５ ０ ０ ９ ３ ０ ５
海洋科技与装备专栏
海洋监测浮标上的 ３ Ｇ无线视频监控系统设计
郭发东１， 刘海丰１， 李麟２， 李选群１， 李民１， 刘世萱１， 李效东２
（ １ 山东省海洋环境监测技术重点实验室， 山东省科学院海洋仪器仪表研究所， 山东 青岛 ２ ６ ６ ０ ０ １ ； ２ 福建省大气探测技术保障中心， 福建 福州 ３ ５ ０ ０ ０ １ ）
Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎｏ ｆ ３ Ｇｗ ｉ ｒ ｅ ｌ ｅ ｓ ｓｖ ｉ ｄ ｅ ｏｍｏ ｎ ｉ ｔ ｏ ｒ ｉ ｎ ｇ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍｏ ｎｏ ｃ ｅ ａ ｎｍｏ ｎ ｉ ｔ ｏ ｒ ｉ ｎ ｇｂ ｕ ｏ ｙ
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在大型海洋浮标上安装视频传输系统可以实时观察浮标布放海域的真实场景， 比如过往船只、 海水污 染、 海上漂浮物、 实时海况和浮标受到的船只碰撞或人为破坏等情况， 对浮标的安全运行发挥着非常重要的
１ ］ 作用 ［ 。因此， 无线视频监控传输系统在大型海洋资料浮标上的应用研究， 对于浮标的业务运行、 故障判断
ｓ ｈ ｒ ｏ ｕ ｄ
涂抹 ９ ０ ６密封胶， 特别恶劣的环境下还可以在外面刷一层防锈油漆。经过改良的此摄像头装置地达到了防 水、 防潮、 防腐蚀与防暴晒的目的， 大大延长了摄像头的使用寿命。不锈钢护罩与浮标采用连杆连接， 安装时 可以按具体要求去自由调整摄像角度。通过实际应用证明， 此设计安装使用方便， 能够很好地完成系统所要 求的功能。 ２ ５ 天线 由于海洋监测浮标整体是由铁壳构成的封闭屏蔽壳体， 普通室内天线放在舱内没有信号， 因此天线部分 的设计采用视频天线先用馈线引至浮标小平台， 然后再连接外置天线的方式。外置天线采用高增益抗恶劣 环境的玻璃钢全向天线。
以及赤潮、 溢油等海洋环境灾害的观测具有重要意义。 由于海洋监测浮标在无人值守、 由太阳能供电、 高湿高盐以及温度跨度大等环境条件下工作， 因此浮标
收稿日期： ２ ０ １ ３ ０ ９ １ ７ 基金项目： 国家高技术研究发展计划（ ８ ６ ３计划） （ ２ ０ ０ ７ Ａ Ａ ０ ９ ２ ０ ０ １ １ ） ； 福建省社会发展重点项目（ ２ ０ １ ３ Ｙ ０ ０ ２ ０ ） 。 作者简介： 郭发东（ １ ９ ７ ６－ ） ， 男， 高级工程师， 研究方向为海洋仪器设备的应用。
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ∶Ｗｅｄ ｅ ｖ ｉ ｓ ｅａ３ Ｇｗ ｉ ｒ ｅ ｌ ｅ ｓ ｓｖ ｉ ｄ ｅ ｏｍｏ ｎ ｉ ｔ ｏ ｒ ｉ ｎ ｇｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｂ ｌ ｅｔ ｏｌ ａ ｒ ｇ ｅ ｓ ｃ ａ ｌ ｅｕ ｎ ａ ｔ ｔ ｅ ｎ ｄ ｅ ｄｏ ｃ ｅ ａ ｎｄ ａ ｔ ａｂ ｕ ｏ ｙ ．Ｉ ｔ ｅ ｍｐ ｌ ｏ ｙ ｓａｄ ｕ ｔ ｙｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｔ ｏｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｓ ｕ ｍｐ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｔ ｈ ｅｗ ｉ ｒ ｅ ｌ ｅ ｓ ｓｖ ｉ ｄ ｅ ｏｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎｍｏ ｄ ｕ ｌ ｅ ，ｓ ｏｉ ｔ ｓｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｓ ｕ ｍｐ ｔ ｉ ｏ ｎ ，ｗ ｈ ｉ ｃ ｈｃ ａ ｎｅ ｎ ｄ ｕ ｒ ｅｈ ａ ｒ ｓ ｈｏ ｃ ｅ ａ ｎｅ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍｅ ｎ ｔ ．Ｉ ｔ ｉ ｓｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ．Ｗｅａ ｌ ｓ ｏｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｐ ｒ ｏ ｏ ｆ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙｆ ｏ ｒ ａ ｎｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ａ ｒ ｙｃ ａ ｍｅ ｒ ａ ｈ ａ ｓｂ ｅ ｅ ｎｉ ｎ ｓ ｔ ａ ｌ ｌ ｅ ｄｉ ｎａｂ ｕ ｓ ｉ ｎ ｅ ｓ ｓｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｂ ｕ ｏ ｙ ．Ｒ ｅ ｃ ｅ ｎ ｔ ｔ ｗ ｏ ｙ ｅ ａ ｒ ｖ ｉ ｄ ｅ ｏｄ ａ ｔ ａｓ ｈ ｏ ｗｔ ｈ ａ ｔ ｉ ｔ ｓｍｏ ｎ ｉ ｔ ｏ ｒ ｉ ｎ ｇｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｓｂ ｅ ｔ ｔ ｅ ｒ ，ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ａ ｔ ｉ ｔ ｃ ａ ｎｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙｆ ｉ ｎ ｄｓ ｕ ｃ ｈｉ ｓ ｓ ｕ ｅ ｓａ ｓｂ ｕ ｏ ｙｓ ａ ｆ ｅ ｔ ｙａ ｎ ｄｍａ ｒ ｉ ｎ ｅｐ ｏ ｌ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｋ ｅ ｙｗｏ ｒ ｄ ｓ ∶３ Ｇｗ ｉ ｒ ｅ ｌ ｅ ｓ ｓｖ ｉ ｄ ｅ ｏｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ；ｍｏ ｎ ｉ ｔ ｏ ｒ ｉ ｎ ｇ ；ｂ ｕ ｏ ｙ
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山 东 科 学 ２ ０ １ ４年
上的供电能力有限， 环境恶劣。当前工业或民用的视频监控系统大都采用 ２ ２ ０Ｖ交流供电， 不需要考虑供电
２ ］ 能力的问题， 应用场合环境相对较好， 对摄像头外壳材质防水防盐雾等工艺要求也不高 ［ 。而在浮标上应
用实时视频监控系统， 亟需解决系统功耗控制及摄像头在恶劣环境下的防护问题。到目前为止， 国内外的浮 标受电源容量、 摄像头在海上的使用寿命和数据传输带宽等因素的制约， 基本没有安装视频传输系统， 有的 也只是安装了本地录像系统， 没有实现视频或图片的实时传输。随着当前网络通信、 安防和太阳能供电等技
６ ］ ３ ２位嵌入式处理器， 内嵌完备的 Ｔ Ｃ Ｐ ／ Ｉ Ｐ协议栈， 可适应不同的行业应用需求和运营商的网络环境 ［ 。
图２ 视频控制模块硬件结构原理示意图 Ｆ ｉ ｇ ２ Ｉ ｌ ｌ ｕ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｔ ｈ ｅｈ ａ ｒ ｄ ｗ ａ ｒ ｅｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅｏ ｆ ｖ ｉ ｄ ｅ ｏｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｍ ｏ ｄ ｕ ｌ ｅ
５ ］ 电系统采用太阳能电池板与免维护蓄电池组合方式供电 ［ 。
第 ５期
郭发东， 等： 海洋监测浮标的 ３ Ｇ无线视频监控系统设计
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２ ３ 视频系统电源管理模块设计 视频控制模块的主要功能是将输入的宽范围的电压（ ９～ １ ８Ｖ ） 转换为满足视频传输模块和摄像头的工
７ ］ 作电压（ １ ２Ｖ ） ， 并可用于控制视频传输模块的加断电时间 ［ ， 例如可以设置系统只在白天加电工作或者每
个小时只工作几分钟的工作模式， 这样既能保证图片质量， 还可以节约浮标系统的耗电量。 ２ ４ 防腐蚀水密摄像头设计 海上长期暴晒与水雾的长期腐蚀， 使得摄像设备材料容易开 裂或者受到化学腐蚀， 影响摄像头的拍摄， 所以对摄像头与防护 外壳的材质要求很高， 既要考虑防护壳内摄像头的紧固和密封， 又要保证拍摄的清晰度。因此本系统在摄像设备外部增加一层 专用 ３ １ ６不锈钢外壳保护装置（ 见图 ３ ） ， 不锈钢材料抗腐蚀与防 暴晒性能良好， 外壳的前端放置一层玻璃， 玻璃周围不锈钢壳前
８ ］ Ｏ ” 型圈密封 ［ ， 周边 端凸出一部分， 玻璃内嵌在里面， 内部采用“
再涂抹 ９ ０ ６密封胶。这样既考虑了密封， 又保证了拍摄清晰度， 紫外线、 耐腐蚀的尼龙 ６ ６材质的防水索头引出， 外层各连接处再
图３ 摄像头不锈钢护罩三维示意图
两层外壳对摄像头起到了双重保护的作用。通信电缆通过由防 Ｆ ｉ ｇ ３３ Ｄｉ ｌ ｌ ｕ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆｃ ａ ｍ ｅ ｒ ａｓ ｔ ａ ｉ ｎ ｌ ｅ ｓ ｓｓ ｔ ｅ ｅ ｌ
２ 系统硬件设计
视频控制模块硬件结构见图 ２所 示。 ２ １ 浮标供电系统简介 为了防止功耗较大的视频监控系 统对浮标采集控制系统造成干扰， 视 频监控系统由浮标上的配电箱提供一 路独立的开关进行单独供电。浮标供 ２ ２ ３ Ｇ无线视频传输模块 本设计中的 ３ Ｇ无线视频传输模块采用市面上成熟的 ３ Ｇ无线视频模块。这类模块一般采用高性能的