极低频ADU-07e主机远程视频监控系统的设计与实现

王向亮，丁 成

(河北省地震局承德地震监测中心站，河北 承德 067000)

0 引言

随着“极低频探地(WEM)工程”项目的实施，2013年丰宁台电磁观测站增设极低频GMS-07e综合电磁法仪(以下简称极低频)。观测系统主要由用于数据采集的ADU-7e主机，存储数据的DELL服务器，观测电场南、北、东、西四个方向的电极，观测磁场南北、东西、垂直三个方向的磁探头及太阳能板、蓄电池组的供电系统组成。其中，ADU-7e主机是极低频系统的核心设备。

为保证极低频系统正常工作，除进行定时巡检外，主要通过人工查看极低频主机网页来判断主机的工作状态，出现有时未及时发现主机异常状态的情况。当主机死机时，一般通过现场断电重启进行恢复。位于达二营的丰宁电磁观测站距丰宁台车程20 min左右，主机的故障影响数据记录，增加台站运维成本。为保证极低频观测的连续率及数据质量，节约运维成本，笔者试图研发一种极低频ADU-07e主机远程视频监控系统。该系统可自动查询极低频主机状态，及时发现主机异常并提醒工作人员；工作人员也可应用本系统软件查看仪器面板信息状态，通过远程通断电控制功能，实现对极低频主机的远程断电重启。

1 系统设计

1.1 系统的体系结构

极低频视频监控系统采用C/S架构。其中，服务器端由树莓派、继电器模块和摄像头模块组成，安置于丰宁台电磁观测站极低频主机室内，主要功能是响应台站客户端的远程控制请求，向台站客户端提供极低频主机视频图像信息；客户端为台站工作电脑上的极低频视频监控软件，主要包含极低频主机状态显示异常报警、极低频主机视频信息显示和极低频主机远程通断电控制3个功能模块。

当系统部署完成后，台站工作人员可通过极低频视频监控系统客户端软件查看极低频主机状态。当主机状态异常时，该客户端软件可实现弹窗报警、声音报警及向通讯录内人员发送邮件报警；通过视频监控功能，可查看当前极低频主机的指示灯状态，判断仪器工作状态；通过远程通断电控制功能，可查看当前通断电状态，当仪器主机状态异常，可进行主机断电及通电操作(相当于工作人员在现场直接进行断电重启)。极低频视频监控系统架构如图1所示。

图1 系统示意图Fig.1 System diagram

1.2 系统软件设计

极低频远程视频监控系统客户端软件由视频监视、主机状态显示、通断电控制、报警功能及软件配置5个功能模块组成(见图2)。

图2 软件功能架构Fig.2 Software functional architecture

极低频远程视频监控系统客户端软件业务流程如图3所示。客户端软件启动后，通过向主机发送查询请求，在软件主界面显示当前仪器的GPS状态、数据记录状态、主机时间、主机电压值等信息。当返回的主机状态信息中存在异常时(如，主机时间与当前时间不一致)，汇集各种异常，以弹窗、声音、邮件等方式发布告警信息。当工作人员接收报警信息后，通过异常状态，结合远程视频信息，对异常进行初步判断。如，主机需要重启，可通过远程通断电控制功能实现主机的远程重启。

图3 客户端软件业务流程Fig.3 Client software business process

极低频远程视频监控系统服务器端主要基于树莓派作为服务器接收客户端的请求。服务器端的程序配置主要包括摄像头模块和继电器控制模块。树莓派是由注册于英国的慈善组织“Raspberry Pi基金会”开发的一款基于ARM的微型电脑主板，外形如信用卡片大小，使用5 V/Micro USB电源输入。以TF卡为内存硬盘，操作系统采用开源的Linux系统，如，Debian、ArchLinux等；也可采用Windows系统，如，简化的Windows on Raspberry。树莓派提供WiFi、蓝牙、USB、RJ45以太网接口，可运行开源软件，满足网络服务等基本功能。用户可通过外置显示器、键盘、鼠标进行配置操作[1]。该系统的树莓派安装的是Linux操作系统。

摄像头模块应用的是Motion软件。Motion是Linux下一款免费且开源的摄像头监控程序。通过安装配置Motion软件，在客户端软件中可查看树莓派摄像头的视频画面[2]；继电器控制模块通过在树莓派运行tcp服务器端python程序，接收并执行从客户端发来的对继电器的各种操作指令，对继电器的操作通过树莓派GPIO接口实现。GPIO(General Purpose Input Output)是树莓派的通用输入、输出接口，用户可通过GPIO接口和硬件进行数据交互(如，UART)、控制硬件工作(如，LED、蜂鸣器等)、读取硬件的工作状态信号(如，中断信号)等。GPIO接口使用广泛，编程人员可通过在程序中控制GPIO来实现控制硬件。系统服务器端python程序中继电器控制关键代码如下：

#导入GPIO库

import RPi.GPIO as GPIO

#设置继电器应用的引脚号

Relay_Ch1 = 26

#设置GPIO的编号方式为BCM

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

#设置继电器所用到的引脚为输出模式

GPIO.setup(Relay_Ch1,GPIO.OUT)

#将继电器引脚设置成高电位，此时，继电器常闭端闭合，常开端打开

GPIO.output(Relay_Ch1,GPIO.HIGH)

#将继电器引脚设置成低电位，此时继电器常闭端打开，常开端关闭

GPIO.output(Relay_Ch1,GPIO.LOW)

2 系统实现

极低频远程视频监控系统分服务器端和客户端。其中，客户端软件通过模拟Http请求、AForge.NET、Socket通信等技术实现。服务器端由硬件部分树莓派、继电器模块、摄像头及运行于树莓派中的继电器控制服务器程序和Motion视频监视软件组成。服务器端和客户端通过网络形成统一整体。

2.1 客户端

客户端软件应用C#语言进行开发，仪器状态界面包括系统状态区、时钟状态区、存储状态区、总体状态区、信息提示区及错误信息列表区(见图4)。

图4 仪器状态界面Fig.4 Instrument status interface

监控控制界面包含视频监视区、信息显示区及重启控制区。其中，客户端的监控功能主要使用AForge.NET框架实现。AForge.NET基于C#语言设计，在计算机视觉和人工智能方面拥有强大功能的开源框架[3](见图5)；设置界面提供联系人编辑功能，当出现异常时，软件向联系人列表发送邮件(见第32页图6)。

图5 监控控制界面Fig.5 Monitoring control interface

图6 设置界面及收到的报警邮件Fig.6 Setting interface and received alarm mail

2.2 服务器端

服务器端由树莓派、继电器、摄像头组成(见图7)。树莓派型号为树莓派3B型，博通BCM2837B0芯片组，集成四核ARM Cortex-A53(ARMv8)64位@1.4 GHz CPU，集成博通Videocore-IV GPU，内存为1 GB LPDDR2 SDRAM；有线网络为千兆以太网(通过USB2.0通道，最大吞吐量300 Mbps)，无线网络为2.4 GHz和5 GHz双频Wi-Fi，支持802.11 b/g/n/ac。摄像头选用的是树莓派摄像头，具有500万像素，感光芯片OV5647。摄像头参数CMOS，尺寸1/4英寸，光圈(F)2.9，焦距3.51 mm，对角视场角(FOV)69.1度，传感器像素1 080 p,该摄像头可直接连接树莓派进行使用；继电器为微雪三路继电器扩展板，采用优质继电器，负载达交流250 V/(5 A)，直流30 V/(5 A)。带光耦隔离，避免高压电路干扰。带继电器指示灯，方便查看继电器的工作状态。通过控制两路继电器的闭合及打开，完成主机的断电及重启。

图7 树莓派、继电器及摄像头Fig.7 Raspberry pi,relay and camera

服务器端的软件使用python编写TCP服务器程序[4]，用于接收客户端发送的控制命令。

3 系统测试

为减少对极低频主机的影响，采用一个工作电压12 V的电灯泡进行继电器控制测试，电路连接方式与极低频主机电路方式一致(见第33页图8、图9)。正常情况下，供电电路处于闭合状态，灯泡亮(极低频主机通电中)；当通过客户端点击“断电”按钮，供电线路处于打开状态，灯泡灭(极低频主机断电中)。

图8 通电界面Fig.8 Power on interface

图9 断电界面Fig.9 Power off interface

2018年12月7日07:25(世界时)，极低频主机的GPS状态出现异常，软件开始报警。通过视频监视功能，查看到当时GPS灯处于闪烁状态，说明GPS未能完全同步(见第33页图10)。

图10 GPS异常界面Fig.10 GPS abnormality interface

4 结语

极低频ADU-07e主机远程视频监控系统可自动定时查看主机状态，出现异常时进行报警；配合网络摄像头和远程电路控制器，实现对极低频主机远程断电重启，实时观察重启后仪器面板的状态。该系统有助于提高观测资料的连续率和观测质量，节约台站运维成本，提高工作效率。