电力巡检吊舱大容量存储系统的设计与实现

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(1.广东电网有限责任公司电力科学研究院,广州 510000; 2.郑州航空工业管理学院,郑州 450000;3.中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所,河南 洛阳 471000; )

0 引言

国内电力线路具有分布范围广、地形环境复杂等特点，特别是有些杆塔线路架设在高山、峡谷、河流等地方，不便于巡线人员到达，采用人工巡线的方法并不能很好的完成巡检任务。随着无人机和光电巡检吊舱技术的发展和应用，无人机挂载光电巡检吊舱逐渐成为电力巡线的一个重要的手段，弥补了传统巡检方式的不足，提高巡检效率。

电力巡检数据信息是无人机电力巡线的重要目的,也是电力巡检自动化、数字化的重要组成部分；是后期任务管理、数据分析、数据存档、数据查询的重要数据源。无人机电力巡检数据存储系统是巡检系统的一个必不可少的组成部分。

通常具有自主任务功能的无人机电力巡检吊舱具有以下几种传感器：可见光摄像机、红外传感器、照相机、定位定姿系统。可见光摄像机主要是获取电力设施的高清视频影像，从整体上观察电力设施是否存在缺陷；红外传感器获取电力设施的红外热图数据，对异常发热点进行成像探测，判断电力设施是否存在破损故障；照相机提供电力设施高分辨率照片，用于观察电力设施的局部细节，查看销钉级的故障；定位定姿系统主要为吊舱提供GPS位置和姿态信息，用于电力巡检吊舱的自动精确瞄准目标。以上电力巡检吊舱的传感器信息作为巡检数据均需要进行存储和记录。由于常规巡检用无人机的作业时间一般不超过4小时，所以电力巡检吊舱存储系统满足4小时的数据记录要求。

1 系统设计原则

存储系统主要满足巡检吊舱各类数据采集和存储功能，数据内容包括可见光视频数据、红外热图数据、照相机照片、GPS信息、巡检吊舱状态信息等。存储系统位于电力巡检吊舱的内部，所以该存储系统需要和吊舱进行一体化集成设计，既要满足电力巡检吊舱的整体设计要求，又要满足大容量数据的存储需求。

存储系统设计时需要从以下几个方面进行考虑：

功耗：电力巡检吊舱内部是一个气密空间，如果发热量过大，不利于其内部各传感器性能的发挥，同时影响元器件的工作寿命，所以吊舱内部各模块功耗要严格控制。存储系统功耗不宜过大，设计目标在15 W以内。

密封性：巡检吊舱是一个密封的整体，存储系统的数据进行存储和导出时，不能影响电力巡检吊舱整体的密封性。存储系统对外接口的插座采用密封插座形式。

小体积：存储系统位于吊舱的内部，吊舱内部结构紧凑，对各个模块的体积有严格的要求，所以存储系统需要以尽可能小的体积，完成其功能。

抗振性：无人机进行巡检任务时，巡检吊舱处于机载振动环境中，存储系统需要连接牢固、可靠，可以在机载振动环境中进行长期稳定的工作[1]。

嵌入式：在整个运行过程中，没有用户界面可以观察，在进行存储、停止存储、系统非正常断电的过程中不应损伤存储器和存储系统，且存储系统再次通电能够正常运转。

大容量：由于存储系统需要记录巡检吊舱采集的可见光视频信息、红外热图信息、可见光照片、控制指令信息、位置状态信息等，数据量很大，存储系统需要能够同时处理众多类型的数据信息并能长时间存储。无人机巡检作业的最大时长定为4小时，存储系统需要完成巡检周期内的数据存储工作。

2 系统设计和实现

2.1 系统接口和组成

根据存储系统需要实现的功能，存储系统需要和各传感器进行交联和采集数据。存储系统对外的接口包括以下几个方面：

1)可见光视频的SDI接口；

2)红外热图的网络接口；

3)照相机的USB接口；

4)定位定姿系统的串行通讯接口；

5)命令状态信息的串行通讯接口；

6)对外导出数据的网络接口。

存储系统需要具备以上接口，同时存储系统具备处理数据和存储数据的能力。按照功能模块划分，存储系统分为以下几个部分，如图1所示，存储系统包括：SDI视频信号存储模块、热图网络数据存储模块、定位数据存储模块、命令状态数据存储模块、USB照相数据接口模块和数据导出模块。

图1 存储系统功能组成图

2.2 数据容量分析

存储系统的容量需要解决的首要问题，现在分别对存储的各个类型的数据进行逐个分析计算。视频信号为SDI高清视频，以分辨率1 920×1 080，帧率25 p来计算，根据每秒的数据量=分辨率×每个像素需要的字节数×帧率计算，1 920×1 080×3×25=155520000B≈155 MB(注B=byte，b=bit)， 4个小时的数据量为：4小时×60分×60秒×155 MB=2232000 MB≈2.23 TB。根据计算所得，视频信号如果按照每个像素进行存储数据会非常庞大，不利于后期的存储和数据分析。根据后期数据处理的要求，视频信号在满足清晰度的情况下，可以通过压缩以节省存储空间。视频信号按照H264编码方式进行压缩存储，可以很大规模的降低存储容量，H264编码方式对1 080 P视频信号的极高码率约为2 MB/s,4个小时的数据量约为4小时×60分×60秒×2 MB≈28 GB，可见通过压缩编码处理，存储4个小时1 080 p的SDI高清视频信号需要的存储空间约为28 GB。采用压缩处理的方法需要视频存储模块具有SDI信号采集、压缩编码、存储的能力。

红外热图数据以常见的分辨率640×480为例，每个像素存储需要2个字节，由于红外热图数据需要后期进行每一点的温度测量和解算，所以红外热图数据需要进行无压缩的原始数据存储。每个拍摄点的时间约为1秒左右，每秒钟采集9帧热图画面，每秒的数据量=640×480×2×9=5 529 600 B≈5.5 MB，4个小时的数据量为：4小时×60分×60秒×5.5 MB≈79 200 MB≈79 GB。根据数据率(5.5 MB×8=44 Mb)的计算，红外热图数据的网口传输率不低于100 Mbps。(目前网口分3种10兆网、百兆网和千兆网)

定位定姿串行数据，以100 ms为周期，每个周期32个字节的数据计算，4个小时的数据量为：4小时×60分×60秒×(10×32)≈4.6 MB。

命令状态串行数据，类似定位定姿串行数据，数据量约为4.6 MB[2]。

照相机的照片存储在相机的存储卡内，这样可以保证照片的存储照片的速度。进行照片导出和删除操作时通过相机的USB口进行。

图2 存储系统原理框图

根据上述计算结果：4个小时总的数据存储容量约为：28 G+79 G+4.6 M+4.6 M≈107 G，所以存储容量需要大于107 GB。数据的存储速度约为：2 M+5.5 M=7.5 M(B/s)=7.5×8 M(b/s)=60 M(b/s)，存储器的存储速度需要大于60 Mb/s，根据冗余设计的原则，存储器的存储速度不低于100 Mb/s。

由于存储系统位于巡检吊舱的内部，存储数据需要在巡检结束时需要进行导出。导出时间设计上不大于30分钟。以107 GB数据量计算，数据传输率：107 G×8/30/60 bps≈476 Mbps，目前通用的接口中USB3.0和千兆网口可以满足要求。USB3.0的最高传输率为5.0 Gbps，千兆网的最高传输率为1.0 Gbps。由于数据导出时需要通过密封连接器进行导出电缆的连接，同时考虑到吊舱的机载环境，从接口的可靠性、信号传输的抗干扰能力、接口应用的广泛性等方面综合考虑，选择千兆网口作为数据的导出接口。

2.3 存储系统的选型与构建

根据设计需求，存储系统处理机既要满足体积小、功耗低，又要满足多接口需要，还要满足数据的存储容量和数据存储速度的要求。经过对比选择，采用以ATOM D2550低功耗处理器为核心的3.5″工业主板，板块尺寸为146 mm×102 mm，该尺寸的板块可放入吊舱内部，满足体积小的要求；该主板具有1.86 GHz的处理器，配置DDR3 2 GB板载内存，具有2个千兆网口、6个串口、2个USB口和1个miniPCIE插槽和1个miniSATA插槽，满足存储系统的接口要求；同时系统最大功耗为13 W，低于设计功耗15 W，满足存储系统的功耗要求；内存等采用板载贴片的形式，散热采用冷板的结构形式，满足机载振动环境的要求；该主板为工业级使用环境，满足系统的环境温度要求。吊舱对外的网络采用雷莫公司的气密连接器，满足吊舱的整体气密要求，同时又满足千兆网的传输要求。

存储系统的miniSATA插槽配备1个miniSATA硬盘，容量为240 G，写入速度为530 MB/s，满足存储系统的存储容量要求和存储速度要求。

系统miniPCIE插槽配备miniPCIE接口的SDI视频采集卡，该采集卡具备以下几个功能：

1)SDI视频接口1路输入，1路环出；

2)可采集分辨率1 920×1 080，60 p/50 p/30 p/25 p的SDI信号；

3)MiniPCIE接口形式；

4)具有硬件压缩功能。

此接口的采集卡可以完成SDI信号的采集、压缩、环出功能。

存储系统的原理如图2所示。

存储系统的硬件组成包括多接口低功耗工业主板、miniSATA大容量高速电子盘和miniPCIE接口的SDI采集卡等。

2.4 操作系统的选择

存储系统的硬件构建完成后，存储系统的操作系统也是其重要组成部分；传统的WindowsXP系统使用方便、软件兼容性强、开发环境选择多，但是该存储系统集成在吊舱内部，没有显示输出，具有操作不可见等特点，而吊舱的使用过程中，不会专门对操作系统进行关机。吊舱断电情况下容易造成XP系统崩溃，XP系统的特性也决定了其不太适合做嵌入式操作系统。

需要选择一种既具有Windows系统的优点，又符合嵌入式系统的使用需求，Windows XPE嵌入式系统为我们完美的解决了这个问题。Windows XPE是Windows XP系统的组件版本，拥有Windows XP系统的所有功能和属性，具有系统内核小、占用系统资源少、启动速度快、拥有写保护、软件兼容性强、基于win32编程、可移植性强、可维护性高等特点。

Windows XPE嵌入式系统需要在存储系统的硬件基础上开发完成，首先在存储系统处理机上建立Windows XPE开发环境，然后通过硬件平台分析、制作硬件信息组件、初始化配置、添加系统组件和功能组件、生成镜像和部署XPE系统等步骤完成XPE系统的生成和应用。XPE嵌入式系统具体的生成方法和步骤参考相关文档[3]。

2.5 存储系统软件

存储系统软件采用VS2008开发环境开发，以C++语言为基础，进行多线程软件开发，完成多种数据的同时存储。

存储软件需要完成下面几个方面的功能：

1)接受上位机命令，解析命令，响应存储指令；

2)将当前的存储状态进行整理上报；

3)对各个文件进行分段存储，防止突然掉电造成大文件的丢失；

4)解析从定位定姿系统收到的时间信息，为各命令和文件提供时间基准；

5)存储可见光视频信息；

6)存储红外网络热图原始数据；

7)存储定位定姿信息；

8)存储命令和状态信息。

2.5.1 任务设计和优先级设置

本存储系统要同时完成4种数据的存储。为保证存储任务的并行处理，每种数据存储对应一个线程，线程之间使用信号量实现线程同步。命令状态数据存储线程接收并解析上位机的控制指令，优先级设置为高于平常(Above normal)；视频存储线程、红外热图数据存储线程、定位定姿信息存储线程优先级设置为正常(normal)。

2.5.2 命令串口数据处理任务

命令状态串口数据存储线程中串口接收数据以异步I/O方式进行，串口数据为一帧数据，该数据具有帧头、帧尾、有效数据和检验。查找接收一帧数据的时候，先查找数据的帧头，再接收整帧数据，最后对整帧数据的有效性性进行验证。对有效帧进行解析处理，解析出上位机命令，并对其他线程进行控制，其流程如图3所示。

图3 串口数据接收流程图

定位定姿信息存储线程流程和命令串口数据存储线程流程类似，不再单独说明。

2.5.3 红外热图数据存储任务

红外组件和存储系统之间的数据交互以网络通信的模式进行。网络通信采用Windows Sockets套接字的方式来实现，存储系统为服务器端(Server)，红外热图源为客户端(Client)，两者之间以非阻塞的方式进行异步I/O通讯。

存储系统红外热图数据存储逻辑如下：进行存储任务之前，首先创建连接并初始化，设置非阻塞模式，设置超时时间，进行连接，然后接收数据，分析数据，存储数据，重复此过程。在接收数据的过程中，如果超过5秒没有接收到热图数据，认为网络通讯故障，重新进行网络连接。红外热图进行数据存储时，如果连续存储时间超过10分钟(用户设置时间)，则将数据存入新文件，即防止单个文件过大，又防止系统突然掉电造成大文件丢失[4]。热图存储流程如图4所示。

图4 热图数据任务流程图

2.5.4 视频存储任务

存储系统通过视频采集卡采集SDI视频信号，视频采集卡完成视频信号的硬件压缩功能，存储系统软件调用视频采集卡的底层驱动完成视频的分段存储。由硬件和底层驱动完成存储的方式可以大大降低CPU的占用率，减少内存使用，简化存储系统的程序。存储视频线程循环检索存储命令，根据存储命令进行视频的存储工作[5]。

3 试验结果与分析

该存储系统在无人机电力精细巡检吊舱的进行了设计实现和试验验证，并随吊舱整机系统进行了温度试验、振动试验等环境试验。试验过程中存储系统工作稳定。温度试验验证了存储系统的高低温性能满足吊舱的整机要求；振动试验验证了存储系统的抗振性满足吊舱的整机要求；气密性试验验证了存储系统数据导出口设计满足吊舱气密性要求；对吊舱进行了多次的上下电试验，存储系统均工作正常，未出现系统崩溃等现象，满足吊舱上下电工作模式的使用需求；同时对系统进行了多次连续工作试验，存储系统多次工作中的典型指标值如表1所示[6]。

表1 存储软件运行系统参数表

电力巡检吊舱的存储系统的XPE操作系统进行了必要性裁剪，使用时只占用极少的内存；同时使用SDI视频硬件压缩卡大大降低的CPU使用率，同时又降低了存储系统的功耗，满足长时间工作要求。占用硬盘容量、功耗、数据导出速率均满足设计要求。

4 结论

针对电力巡检吊舱多接口数据设计制造了大容量存储系统，并集成于电力巡检吊舱内部进行了实践应用。使用结果表明该存储系统可以正确、完整地记录所需的多种类型数据，并且运行稳定、可靠，可以满足无人机电力巡检吊舱连续记录4个小时的存储需求。