基于無線傳輸?shù)乃畮煲曨l監(jiān)控系統(tǒng)

傅 川，劉金峰，白萍萍

（山東省膠東調(diào)水局，山東 濟(jì)南 250100）

棘洪灘水庫是引黃濟(jì)青工程的唯一調(diào)蓄水庫，位于膠州市、即墨市和城陽區(qū)交界處，庫區(qū)面積達(dá)14.422 km2，圍壩長 14.277 km，設(shè)計(jì)水位 14.2 m，總庫容1.46億m3，日供水30萬m3，為青島地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供了可持續(xù)的水資源保證。庫區(qū)范圍較廣，周邊環(huán)境較復(fù)雜，做好庫區(qū)安防尤顯重要。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

1.1 視頻信號的采集、處理和傳輸

1）視頻信號的采集。該系統(tǒng)有1個(gè)中心點(diǎn)、11個(gè)遠(yuǎn)端點(diǎn)。遠(yuǎn)端點(diǎn)距中心點(diǎn)最遠(yuǎn)距離7 km，且地理位置分布在240度區(qū)內(nèi)，11個(gè)遠(yuǎn)端點(diǎn)與監(jiān)控中心均可視。每個(gè)遠(yuǎn)端點(diǎn)需要架設(shè)一套監(jiān)控設(shè)備，傳輸1路視頻圖像和1路報(bào)警信號。每路圖像經(jīng)1臺編碼器采集圖像信息后通過無線遠(yuǎn)端設(shè)備傳輸。在局域網(wǎng)范圍內(nèi)的任意位置經(jīng)過授權(quán)后都可看到視頻圖像和報(bào)警信息。其中遠(yuǎn)端站點(diǎn)需要在傳輸視頻流媒體的同時(shí)傳輸計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)信號。

2）視頻信號的處理和傳輸。由于攝像頭拍攝的視頻信號是連續(xù)的模擬信號，無法直接用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行傳輸，因此要通過視頻壓縮設(shè)備對模擬信號進(jìn)行編碼調(diào)制成數(shù)字信號，再由無線網(wǎng)橋進(jìn)行發(fā)送。每個(gè)無線遠(yuǎn)端網(wǎng)橋設(shè)備最大無線帶寬為54 Mbps，各個(gè)遠(yuǎn)端點(diǎn)通過無線遠(yuǎn)端網(wǎng)橋設(shè)備實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),共享中心54 Mbps的帶寬。在理想環(huán)境下無線遠(yuǎn)端網(wǎng)橋設(shè)備實(shí)際總帶寬可達(dá)35 Mbps左右，實(shí)際各遠(yuǎn)端點(diǎn)可達(dá)的速率與現(xiàn)場信噪比及無線網(wǎng)橋設(shè)備的型號有關(guān)。

1.2 數(shù)字云臺的控制

為了能更加全面地對水庫實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，攝像機(jī)加裝了可控云臺，中控室可根據(jù)自己的要求對攝像方位進(jìn)行調(diào)整?？刂菩盘栍蔁o線網(wǎng)絡(luò)傳送至配線箱內(nèi)的雙碼流視頻編碼器，信號經(jīng)第一步解析后由該設(shè)備上的485總線傳送給控制云臺的解碼器，從而實(shí)現(xiàn)對云臺、雨刷的控制。

1.3 服務(wù)器及客戶機(jī)

視頻圖像及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過無線接入點(diǎn)傳至服務(wù)器，由服務(wù)器接收并存儲于視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫；同時(shí)服務(wù)器還將建立Web服務(wù)器，在局域網(wǎng)內(nèi)發(fā)布?xì)v史視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。服務(wù)器端的Web服務(wù)器還應(yīng)能夠鏈接到各無線網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)上，以方便監(jiān)控人員察看實(shí)時(shí)監(jiān)控信息。 客戶機(jī)只要安裝Web瀏覽器嵌入的Media player視頻播放插件，就能播放視頻監(jiān)控圖像。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的選擇

目前對視頻流進(jìn)行數(shù)字壓縮的標(biāo)準(zhǔn)主要有：MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4 以及 H.263。 H.263 是國際電信聯(lián)盟為64 K窄帶信道制定的極低碼率編碼標(biāo)準(zhǔn)，對帶寬要求低、圖像質(zhì)量較低。MPEG-1、2、4標(biāo)準(zhǔn)是MPEG組織制定的移動圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)，其中，MPEG-1能達(dá)到VCD圖像效果，在352×288的分辨率下的位速率一般1.5 Mb/s；MPEG-2是MPEG-1的超集，能達(dá)到DVD圖像質(zhì)量，在720×576的分辨率下，位速率需3.5 Mb/s以上。MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率要求較低，在4800～64 kbits/sec之間，分辨率為176×144。與 MPEG-1和 MPEG-2相比，MPEG-4為多媒體數(shù)據(jù)壓縮提供了一個(gè)更為廣闊的平臺。它可以將各種各樣的多媒體技術(shù)充分用進(jìn)來，包括壓縮本工具、算法，也包括圖像合成、語音合成等技術(shù)。而且MPEG4標(biāo)準(zhǔn)的占用帶寬可調(diào)，占用帶寬與圖像的清晰度成正比。采用MPEG-4視頻壓縮技術(shù)，可以從根本上很好地解決圖像數(shù)字化和帶寬之間的突出矛盾，算法的特點(diǎn)在于它實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量視頻圖像的極高壓縮比。

由于MPEG-4視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)具有壓縮比高、圖像質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)將采用這一標(biāo)準(zhǔn)對原始視頻圖像進(jìn)行壓縮，可以大大的減小在WLAN中需傳送的數(shù)據(jù)量；完全可以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。

2.2 無線傳輸技術(shù)以及頻率的優(yōu)化

本系統(tǒng)采用MIMO（多入多出）+OFDM（正交頻分復(fù)用）的方式進(jìn)行無線信號的傳輸。MIMO是指信號系統(tǒng)發(fā)射端和接收端，分別使用了多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，因而該技術(shù)被稱為多發(fā)送天線和多接收天線(簡稱多入多出)技術(shù)，它可看成是分集技術(shù)的一種衍生。MIMO技術(shù)的實(shí)質(zhì)是為系統(tǒng)提供了空間復(fù)用增益和空間分集增益?？臻g復(fù)用就是使用多天線系統(tǒng)，使每副發(fā)射天線發(fā)送的信號都與其它發(fā)射天線發(fā)送的信號有微小區(qū)別，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一信道中，同時(shí)傳輸多路信號，從而使得系統(tǒng)容量大為提高。在接收端可用單一天線，也可用多個(gè)天線進(jìn)行接收，當(dāng)然每個(gè)接收天線接收到的是所有發(fā)送信號與干擾信號的疊加，MIMO的空時(shí)解碼系統(tǒng)利用數(shù)學(xué)算法拆開和恢復(fù)糾纏在一起的傳輸信號并將它們正確地識別出來。

MIMO具有抗多徑衰落的能力，但對于頻率選擇性衰落，MIMO技術(shù)卻是無能為力的。目前解決MIMO技術(shù)中頻率選擇性衰落的方案是結(jié)合OFDM技術(shù)，將頻率選擇性衰落轉(zhuǎn)換為載波上的平坦衰落。該技術(shù)實(shí)際上是MCM（多載波調(diào)制）中的一種。

因此，將MIMO技術(shù)與OFDM技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生出的MIMO-OFDM技術(shù)，則能取長補(bǔ)短，相得益彰。其信號的處理過程是：在發(fā)射端將信號進(jìn)行空時(shí)編碼，然后經(jīng)OFDM調(diào)制后將信號同時(shí)從多個(gè)天線發(fā)射出去；在接收端利用多個(gè)接收天線接收信號，信號除作OFDM的解調(diào)外，還進(jìn)行相應(yīng)的空時(shí)解碼以還原信號。由于OFDM本身利用了信道的頻率分集，MIMO采用了空間分集和時(shí)間分集，因而MIMOOFDM技術(shù)同時(shí)具有了時(shí)間、頻率和空間3種分集技術(shù)，從而使系統(tǒng)抗干擾能力大大增強(qiáng)。利用MIMO-OFDM技術(shù)，不僅可大幅提升整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息吞吐量，增大傳輸距離，而且提高了信號質(zhì)量，使WLAN在性能上發(fā)生質(zhì)的飛躍。

由于設(shè)備運(yùn)行的環(huán)境復(fù)雜，我們對11個(gè)外圍點(diǎn)運(yùn)用了不同的信號增益設(shè)備，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試，對外圍點(diǎn)距中心站小于3 km的設(shè)備加DB的增益天線；對外圍點(diǎn)距中心站大于3 km而小于5 km的設(shè)備加DB的增益天線；對外圍點(diǎn)距中心站大于5 km的設(shè)備加DB的增益天線。由于無線網(wǎng)絡(luò)信號穿越水面，根據(jù)時(shí)間的不同水面上空的水蒸氣密度差別也比較大，對信號傳輸?shù)挠绊懸脖容^大，因此，在早、中、晚等多時(shí)對中心站的頻率進(jìn)行反復(fù)的調(diào)試設(shè)置，最終確定最優(yōu)頻率使各點(diǎn)的視頻信號均能及時(shí)、清晰的傳輸?shù)街行恼尽?/p>

2.3 避雷措施

由于棘洪灘水庫地處平原，周圍沒有高建筑群，所以戶外設(shè)備的避雷措施顯得尤為重要。首先，對設(shè)備所安裝的線桿頂端加上避雷針，防止雷直接落到配線箱上；其次，對配線箱內(nèi)部做了3層避雷措施。電源線和由無線網(wǎng)橋傳輸下來的網(wǎng)絡(luò)線進(jìn)入三合一避雷模塊，經(jīng)過第一層隔離后，電源線再接入1∶1的隔離變壓器，最后接入避雷插排，供其他設(shè)備使用。

2.4 低照度攝像頭在微光下的效果調(diào)試

為了保證水庫的夜間安全，本系統(tǒng)所用的攝像機(jī)均為低照度攝像機(jī)，在白天或光源充足時(shí)為彩色攝像機(jī)，當(dāng)夜晚降臨或光源不足時(shí) （一般在1LUX～3LUX）即利用數(shù)位電路將彩色信號消除掉，成為黑白影像，且為之搭配了紅外線，亦拿掉了彩色攝像機(jī)不可或缺的紅外線濾除器，使它在微光下也能較為清晰的進(jìn)行拍攝。通過實(shí)地的調(diào)試，對攝像頭的光圈不斷調(diào)整，使它能發(fā)現(xiàn)300 m以外的活動物體。若同時(shí)和管理房上的遙控探照燈配合使用，即能清晰觀測到500 m范圍的地域。

2.5 監(jiān)控系統(tǒng)與其他安防設(shè)備的對接

無線監(jiān)控系統(tǒng)作為整個(gè)水庫安防的核心，起到了至關(guān)重要的作用。水庫的安防還包括一個(gè)電子圍欄系統(tǒng)，上面帶有6 000 V高壓和1 000 V低壓的電脈沖。它不僅能對入侵者起到警示擊退作用，被觸發(fā)后還能由防區(qū)主機(jī)發(fā)出一個(gè)開關(guān)量信號，接入到監(jiān)控配線箱內(nèi)的解碼器上。此信號可通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行恼镜姆?wù)器上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的預(yù)警機(jī)制。