基于物聯網的多視角實操培訓系統(tǒng)的開發(fā)

李冰然 傅洪全 陳曦 鄧建 軍馬駿

摘? 要：在各相關專業(yè)的培訓、鑒定、競賽過程中，最重要的考察內容就是學員對實際操作的掌握程度。然而，傳統(tǒng)的實操培訓效果往往受限于一系列客觀因素，諸如輸電線路及輸電帶電實訓項目多在高空進行，培訓師在高空進行實操項目演示時，受限于地面與高空的長距離，學員無法看清實操細節(jié)，從而影響了實操培訓效果;受限于每套裝置周圍狹小的培訓空間，培訓師進行參數設置等細微操作時，無法將全部信息清晰直觀地展示給每位學員，培訓效果也因此大打折扣。隨著科技日新月異的發(fā)展，綜合利用已較為成熟的高清攝像、無線傳輸、觸控屏、軟件開發(fā)等技術。借助該系統(tǒng)，可以有效地實時展示培訓師或學員進行操作時的細節(jié)，大大提高實操培訓效率，增強培訓效果。

關鍵詞：高清攝像;多視角;培訓系統(tǒng);無線傳輸;物聯網

中圖分類號：TN959.4;TN919.82? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）07-0144-03

Abstract：In the process of training，appraisal and competition of relevant majors，the most important content of the investigation is the mastery of the students’actual operation. However，the traditional practical training effect is often limited by a series of objective factors，such as transmission lines and transmission and electrification training projects are mostly carried out at high altitude. When the trainer performs demonstrations of actual operation projects at high altitude，it is limited by the length of the ground and the sky distance，the college can not see the details of the actual operation，further affecting the effect of practical training;limited by the small training space around each device，the trainer to perform parameter settings and other subtle operations，can not show all the information clearly and intuitively to each college. The training effect of the students was greatly reduced. With the rapid development of science and technology，we have comprehensively utilized technologies such as high-definition camera，wireless transmission，touch screen and software development. With the system，the operational details of the trainer or the trainee can be effectively displayed in real time and in real time，and the efficiency of the practical training can be greatly improved and the training effect can be enhanced.

Keywords：HD camera;multi-view;training system;wireless transmission;internet of things

0? 引? 言

進入現代高科技時代，物聯網技術現在已經與各個行業(yè)、各個領域深度融合，利用物聯網技術能夠實現無線化、實時化，在物聯網系統(tǒng)中，借助數量龐大的各類前端節(jié)點能夠實現對各個參數的感知[1]。

從本培訓中心的實際需求出發(fā)，本文提出了基于物聯網的多視角實訓培訓系統(tǒng)，下文中將給出多視角實訓培訓系統(tǒng)的設計方案、系統(tǒng)模型和實現方法。圖像采集端主要借助?？低暤脑婆_Wi-Fi攝像機，通過Wi-Fi發(fā)射機來接收六部的無線攝像頭信號，通過電腦屏幕、電視機屏幕，安卓或者蘋果平板設備顯示接收圖像，并且系統(tǒng)可以接入運營商的網絡，可以實現在全球各地遠程觀看整個培訓過程[2]。

本系統(tǒng)主要由Wi-Fi云臺攝像機、麥克風、Wi-Fi發(fā)射機、運營商網絡發(fā)送機、UPS電源、電腦、安卓平板構成。Wi-Fi云臺攝像機將畫面、麥克風音視頻信號進行編碼后通過Wi-Fi的無線協(xié)議傳輸到Wi-Fi發(fā)射機，電腦端和Wi-Fi發(fā)射機通過TCP/IP連接，在實時傳輸的圖像上疊加RTU采集的數據。

1? 多視角實操培訓系統(tǒng)整體架構

基于物聯網的多視角實操培訓系統(tǒng)開發(fā)項目最終能夠實現多視角的遠程在線觀看[3]，同時野外支持6臺攝像頭無線拍攝，續(xù)航時間超過一個小時，具備運營商4G網絡遠程操作功能，可用于多工種的實操培訓教學。

1.1? 多視角實操培訓系統(tǒng)技術指標

該系統(tǒng)整體技術指標見表1。

1.2? 快拆結構的設計

目前，在多視角實操培訓系統(tǒng)中，攝像頭一方面需要磁吸式安裝，另一方面需要安裝在三腳架上，但傳統(tǒng)安裝方式大多為一體式固定安裝，這種安裝方式拆卸比較麻煩，也不利于攝像頭更換安裝位置。因此，在本系統(tǒng)當中設計出一種適用于攝像頭的多用途底座安裝裝置很有必要，整個安裝結構件包括：①磁鐵;②磁鐵;③底座;④扎帶;⑤扎帶。

磁鐵1和磁鐵2分別用AB膠水粘在底座3上，安裝后磁鐵上表面略高于底座3的上表面，這樣在使用磁鐵吸合時可以使得磁鐵完全接觸吸合表面，得到最大化的磁力;底座3采用鋁合金制作，可以在保證強度的同時，最大可能地減輕重量;底座3從上至下一次開有M3、1/4、M3螺紋孔，兩個M3的螺紋孔可以與目前市面上的攝像頭底座進行固定，M3的螺紋孔上銑一個圓形平面，用于填平攝像頭底座通孔處的凸出部分，使得攝像頭底座與底座3完全貼合，1/4螺紋孔可以與市面上的三腳架等裝置進行固定;底座3的上下端部各開有通孔，用于安裝扎帶。

具體實施方式：按圖1所示裝好各個零件，將攝像頭通過底座3上的兩個M3螺紋孔進行固定;如果是安裝在三腳架等裝置上，則直接用1/4螺紋孔進行固定，此時可以不使用扎帶4和扎帶5對底座3進行二次加固;如果需要安裝在鐵質設備，且沒有打孔條件的地方，則可以用磁鐵直接進行安裝;一般情況下，磁鐵的吸力已經完全可以吸住攝像頭，但為了防止磁鐵在使用過程中意外消磁或者振動等外部因素的影響，可以使用扎帶4和扎帶5對底座3進行二次固定，起到保護作用。多視角實操培訓系統(tǒng)方案中，需要實時對多路Wi-Fi云臺攝像機進行接收其視頻和語音信號的操作，由于6路高清攝像頭數據量較大，傳統(tǒng)的接收機帶寬不夠，本方案中設計了6路接收通道，達到了實時大數據量接收的設計[4]。

無線視頻接收器由MT7688 SoC、128M DDR2存儲器、Flash存儲器、以太網接口組成。系統(tǒng)中集成6通道的MT7688模組，實現6個Wi-Fi AP端，可以同時與6個視頻節(jié)點實現一對一的連接，在單獨的Wi-Fi信道中單獨傳輸信號，做到相互不干擾，達到最佳的視頻傳輸效果。每個Wi-Fi AP端與視頻節(jié)點通過TCP連接，保證了傳輸的準確性，在50米可視范圍內能滿足無卡頓傳輸[5]。

1.4? 運營商網絡的應用

本方案充分利用移動、電信、聯通成熟的全網通4G無線網絡傳輸技術、視頻壓縮技術[6]，目前4G無線視頻傳輸技術融合了4G技術、視音頻編解碼技術、數字加解密技術、網絡傳輸技術，其有較大的優(yōu)勢，即具有特殊的無線移動性、高帶寬、雙向性等特點。

基于運營商的網絡傳輸技術采用了先進的視頻壓縮算法H264，流媒體視頻數據壓縮技術無線傳輸網絡解決方案，整合了無線網絡數據通訊功能和數字視頻編碼功能的一體化應用，可以傳輸流暢的視頻數據及其他數據信息，它將攝像機圖像經過視頻壓縮編碼模塊進行壓縮，通過無線通訊終端發(fā)送到4G網絡，實現視頻數據的交互、發(fā)送、接收、加解密、加解碼、鏈路的控制維護等功能[7]。

通過4G網絡傳輸的鏈路，本多視角實操培訓系統(tǒng)能夠實現六部高清1080P的音視頻的傳輸，以目前的編碼技術，200kps以下的傳輸帶寬只能做到QCIF圖像傳輸，其視頻精度達不到培訓的需求，而現在的4G鏈路能夠滿足CIF格式的傳輸，且傳輸速度能夠達到25幀每秒。

4G網絡無線鏈路通道包含上行和下行兩個方向的傳輸通道[8]，因為實操培訓系統(tǒng)需要將六個節(jié)點的圖像和聲音持續(xù)送到網絡終端，因此主要使用的是無線鏈路的上行通道，經過我們實際測試，通過傳輸數字視頻圖像可以達到1920×720P和25幀每秒的效果[9]，并且在傳輸1080P圖像的同時聲音信號也可以同步流暢地進行傳輸。（具體效果以當地運營商實際強弱信號而定。）

2? 軟件顯示界面

整個多視角實操培訓的軟件分為電腦客戶端和手機端軟件，能夠支持在同一局域網的情況下實時觀看、語音對講，控制轉臺也能夠在互聯網支持下實現全球遠程觀看。

3? 結? 論

本文對基于物聯網的多視角實操培訓系統(tǒng)的整個系統(tǒng)進行了描述，并對其中的快拆結構、Wi-Fi發(fā)射機、4G傳輸鏈路進行了詳細的介紹，本實操培訓系統(tǒng)在實際使用過程中效果顯著，較好地提高了教學的便利性，受到了廣大學員的好評，能夠使培訓的效果得到顯著的提高。

參考文獻：

[1] 周洪波.物聯網技術、應用、標準和商業(yè)模式 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[2] 傅仁軒，肖連風.基于物聯網技術的新型數據采集與監(jiān)控系統(tǒng)設計 [J].移動通信，2011，35（9）：79-82.

[3] 潘國輝.智能網絡視頻監(jiān)控技術詳解與實踐 [M].北京：清華大學出版社，2010.

[4] WANG Ershen，ZHANG Shufang，ZHANG Zhixian.Research and Implement of PPP and TCP/IP Protocol Based on GPRS[C]// International Conference on Wireless Communications. IEEE，2011.

[5] Nayebi A，Sarbazi Azad H，Karlsson G.Performance analysis of opportunistic broadcast for delay-tolerant wireless sensor networks [J].The Journal of Systems & Software，2010，83（8）：1310-1317.

[6] 張慶全，王培東，林富明，等.車輛監(jiān)控系統(tǒng)中GPRS通信平臺的設計與實現 [J].測繪與空間地理信息，2006，29（5）：79-82.

[7] 余雷，許宏科，胡欣，等.基于物聯網的遠程視頻監(jiān)控優(yōu)化方法研究 [J].科技通報，2015，31（10）：226-228.

[8] 姚珺.大區(qū)域報警的物聯網管理平臺 [D].杭州：浙江大學，2012.

[9] 張勇.遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中傳輸技術的實現 [D].成都：電子科技大學，2004.

作者簡介：李冰然（1990-），男，漢族，江蘇蘇州人，講師，本科，研究方向：輸電線路運檢。