WiSE–一种基于卫星的远程监控系统外文翻译资料

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WiSE--一种基于卫星的远程监控系统

Sajid Nazir ，Gorry Fairhurst和Fabio Verdicchio

阿伯丁大学工程学院，AB24 3UE Aberdeen，英国

概要

最近在传感器，处理器和通信技术方面的技术进步使其能够从远程位置执行环境数据的数字采集。电子和传感器成本的下降和小型化使得智能远程监控系统的设计成为可能。这些进展为新的工具铺平了道路，通过从舒适的办公室实际上将研究人员拓展到实地研究领域，为支持实地工作提供了新的工具。无线互联网传感环境项目开发了一种架构，利用互联网回程在远程位置为网络传感器和摄像机提供数据控制和检索。卫星连接使该设备能够部署到偏远地区以支持生态应用。本文描述了这一具有挑战性问题空间的体系结构和创新设计特性，包括运动事件检测，电源管理和上传收集数据的方法。

关键词：远程监控;卫星回程;无线上网;物联网;终端电源管理;网络协议

1.引言

交通基础设施的恶劣条件和/或距离可能会使访问远程站点变得困难/不可能，从而导致对远程数据回程和自治系统操作的期望。传感器和通信技术的技术进步使得长期智能监测系统的开发成为可能。该技术扩展到一系列应用场景[1]，包括监控，应急通信，支持和环境监控。本文重点介绍一种新兴应用，以支持使用摄像机和传感器网络进行长期环境监测。这可以用于监测自然资源，生物多样性以及生态和社会可持续性的生态学研究[2-4]。这类研究感兴趣的许多领域在地理上是孤立的，并且需要系统能够长时间无人值守地运行。当地通信基础设施的缺乏激发了卫星通信服务的使用。

本文介绍的架构是为英国苏格兰阿伯丁大学的WiSE项目[5]开发的。该系统支持零星事件的长期监测。虽然这是关键，但系统可以报告所有感兴趣的事件，并且系统还必须仔细管理其使用的电源，以确保长期部署的可用性。商用现成的宽带卫星终端向几乎没有其他通信的地点提供回程通信，但该平台也可以结合通用分组无线业务/全球移动通信系统[6,7]，其中由商业移动接入网覆盖。有线/无线局域网连接运动和网络环境传感器。

无线互联网传感环境（WISE）平台的主要特点如下：（1）双向通信，提供基于事件和定时的环境传感; （2）在功率受限的恶劣环境中自主运行;和（3）可扩展的架构，可以适应每个测量活动的需求。在现有方法的重大改进中，我们的系统可以记录，回传和显示运动触发的图像，并通过互联网将实况视频传输给远程研究人员。

WISE系统的一个示例应用是对野外动物行为的研究。目前这通常使用摄像机陷阱来执行，其中每个陷阱使用传感器在检测到移动目标（动物）时激活摄像机[8]。这种陷阱需要频繁的现场访问[9]来从每个摄像机中检索图像，并可能调整摄像机（或其传感器）的位置/灵敏度。

从恶劣环境下的视频监控[10]到生境监控[11]等其他应用都存在一系列挑战和要求。太阳能可以用来使系统独立于当地电力。自供电的卫星回程系统已经用于各种应用，包括在灾难发生后重新建立通信服务（例如用于应急通信的卫星无线基础设施[12]）。应用于野生动物监测的太阳能卫星回程技术的例子包括监测海鸟巢，报告光和温度数据[13]，北极熊相机[14]和BearCam相机系统[15]的系统。后者使每日视频从北极圈附近的一个站点流向基站，在基站中收集和分析图像。然而，尽管耗电量是通过仅流4小时来管理的，但BearCam收集的图像通常没有熊[15]。同样，基于图像的照相机陷印经常被发现捕捉不包含主题的图像，主要是由于传感器错误触发。在引起存储，传输或分析成本[16]之前消除无用图像的愿望是我们系统开发的关键驱动力。 WISE通过远程访问图像和传感器数据以及自动选择图像来解决这些缺点。

本书的其余部分结构如下：第2部分提供系统概述并描述架构和部署挑战。结果和测量结果在第3节中进行了描述。最后，第4节为这项工作提供了结论。

2.系统概述和体系结构

WiSE平台结合了图像和传感器数据的远程访问，同时优化了部署资源的利用率（电力，存储和传输成本）。自供电架构的设计在其长达一年的部署期间具有灵活性。在远程系统中嵌入#39;智能#39;不仅可以实现资源的智能使用，还可减轻研究人员分析的负担，并在不包含有价值的信息给用户时避免图片的浪费传输，从而延长系统的使用寿命[5 ]。完整的基础设施可以用卡车运输，而在我们的测试中，整个系统可能会在大约20个小时内部署。最耗时的任务是安装并固定卫星宽带天线和太阳能电池板，以便它们能够承受远程部署地点预期的强烈阵风。

WiSE系统的首次部署位于苏格兰凯恩戈姆国家公园（图1）。系统架构（图2）包含一个由网关连接的传感器和多台摄像机组成的网络。网关包括一个系统控制器[17]，用于监视和控制子系统，卫星室内单元（IDU）和现场局域网设备的电源。传感器节点网络监控网关附近的区域。传感器可以通过有线或低功率无线连接来监控环境，执行运动检测等。传感器触发的消息和图像与用于检测感兴趣事件（例如动物运动）的记录的上下文信息一起存储在数据储存库中。该存储库是作为系统控制器中的SQLite数据库[18]实现的。当传感器节点检测到其本地附近的移动（或者其他参数，例如本地温度的变化）时，它发送触发消息以启用智能图像捕获。在典型的应用中，处理器使用一组规则自动实时查询存储库，这些规则自动决定何时开始通过每个基于互联网协议（IP）的相机记录视频或静止图像（相机可能远离网关，通过CAT-5非屏蔽双绞线（UTP）供电。每台摄像机的图像被捕获为两个具有MJPEG和H.264编码的同时视频流。传感器节点也可以有车载摄像头。我们的系统可以自动分析拍摄的图像，以检测场景中感兴趣目标的存在。

主要系统组件及其功能在以下小节中进行介绍。

图1.无线Internet感应环境系统部署。商用摄像机单元（两个类似），传感器节点，摄像机节点和IP摄像机都是杆式安装。太阳能电池板框架下可以看到防风雨的网关外壳和电池盒。 [颜色图可以在wileyonlinelibrary.com上查看]

图2.无线Internet感应环境系统架构。 [颜色图可以在wileyonlinelibrary.com上查看]

2.1系统控制器

系统控制器使用Raspberry Pi [17]平台（图3）。这负责整个网关的控制：（1）处理来自传感器节点的消息; （2）照相机和卫星设备的启动和关闭;和（3）图像和传感器数据的存储和回程。一般使用Raspberry Pi的多用途输入输出接口，并使用模数转换器（ADC）板v2 [19]，通过八个模拟通道输入/输出引脚进行补充。四个模拟通道测量两个电池组的内部（外壳）和外部（环境）温度和电池电压。另外两个通道启用以太网交换机和卫星终端设备的电源控制。

该软件采用Python编程语言编写，支持广泛可用的库，例如，硬件与树莓派接口以及通过图像和视频捕获命令控制IP摄像机。

图3.无线Internet感应环境网关。电子元件安装在IP66盒内进行保护。树莓 派为使用通用输入输出接口的所有设备实施了电源控制。 [颜色图可以在wileyonlinelibrary.com上查看]

2.2 WISE网关的电源系统

WISE系统需要自供电。因此电力系统包括用于电力管理的电池和电源以及控制算法。

需要能量收集技术来提供电力，如太阳能电池板和/或小型风力涡轮机[14]。对于考虑的应用，风力涡轮机需要远离终端，以避免干扰野生动物。相比之下，太阳能电池板没有移动部件，也没有被认为会对野生动物造成任何干扰。另一个优势是太阳能电池板有望提供更可预测和一致的能源。

表I总结了系统功率预算，约需60瓦。太阳能电池板的设计基于卫星运行所需的最大负载（每天持续12小时）。具有典型（晴空）条件的IDU被测量为具有24W的总直流电（DC）功率消耗以及20W的接收功率。运行WiSE系统的总负载计算为1.44千瓦时/天（5 A * 12 W * 24 h）。所需负载因此是0.72千瓦时/天。

表II显示了苏格兰高地山区为维持这一负荷所需的太阳能电池板面积。维持所需负载所需的面板面积按月变化（取决于平均日照量）。 3.2平方米的面板面积足以连续使用12小时超过75％的面积 一年，但在冬季需要电力管理，每天收费可能会降至几个小时。系统控制器提供了电池电源管理功能，可在预期部署期间持续运行。在太阳能电池板接收较少的日光并且可能容易受到雪覆盖的冬季，电源管理至关重要。

表I.典型功耗和指定的工作温度

DC，直流电; IDU，室内单元; PIR，被动红外。

表II.预测太阳能电池板的性能（57°N，英国）

最终设计结合了两个独立的电源（称为电池“A”和“B”）。每个使用Axitec 235 W光伏太阳能电池板[20]。最大功率点跟踪（MPPT）[21]方法用于捕获效率最高的太阳能。 MPPT控制器接受来自太阳能电池板的输入电压最高为40 V，并将其转换为13.8 V，以便为电池充电。这导致高平均转换效率。每个电源使用一组12伏胶体电池（70 Ah容量[22]）用于储能。由两个独立单元提供的冗余使系统控制器能够在发生故障时自动切换为只使用

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