北部灣沿海航道航標(biāo)無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究

任虎++陳金柱+張長騰+郭剛

摘 要：提出了一種基于3G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程視頻傳輸系統(tǒng)，本系統(tǒng)利用成熟的RTU遠(yuǎn)程遙測遙控終端，利用應(yīng)用編程接口，采集遠(yuǎn)端航標(biāo)燈燈質(zhì)視頻信息；通過成熟的3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將數(shù)據(jù)流發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，以便于航道技術(shù)人員對(duì)航道航標(biāo)燈燈質(zhì)的損壞程度做出判斷并及時(shí)進(jìn)行響應(yīng)，不僅大幅提高航道航標(biāo)的維護(hù)效率，節(jié)省了時(shí)間成本和人力成本，還為延長巡航時(shí)間做出有力保障。本系統(tǒng)在北部灣沿海航道中進(jìn)行試運(yùn)行，獲得非常好的效果。

關(guān)鍵詞：3G 視頻監(jiān)控 遙控遙測

項(xiàng)目背景

隨著水運(yùn)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的航標(biāo)管理模式越來越不適應(yīng)現(xiàn)代化管理的需要，成為制約提高航標(biāo)管理的瓶頸。為進(jìn)一步提高航標(biāo)遙測遙控的技術(shù)水平，在前期航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究開發(fā)具有無線視頻監(jiān)控功能的遙測遙控終端，建設(shè)北部灣沿海航道無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。采用針對(duì)航標(biāo)維護(hù)而專門開發(fā)的視頻傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)航標(biāo)燈燈質(zhì)異常的遠(yuǎn)程監(jiān)控，就可以對(duì)航標(biāo)燈進(jìn)行單點(diǎn)監(jiān)控和維護(hù)，不僅大大縮短對(duì)航標(biāo)的響應(yīng)時(shí)間，節(jié)約成本。

航道航標(biāo)的由于分布范圍廣，且絕大部分漂浮于水面上，故傳統(tǒng)的通訊方式如RS485總線，或RJ45網(wǎng)線等都不適合航道航標(biāo)的信息傳輸機(jī)制；其他新興的無線傳輸方式諸如藍(lán)牙、WIFI、Zig-Bee等，其有限的傳輸距離，同樣無法滿足航道航標(biāo)分布范圍廣泛的特點(diǎn)。

3G互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，讓遠(yuǎn)程視頻傳輸成為了可能，高可用的上下行帶寬，大范圍的傳輸距離，無須布線，組網(wǎng)靈活，升級(jí)容易等特點(diǎn)，滿足航道對(duì)組網(wǎng)分布廣泛，監(jiān)控實(shí)現(xiàn)難度大的需求。因此，通過3G無線通信技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)航道航標(biāo)在設(shè)備巡航和維護(hù)方面的需求，是解決航道監(jiān)控系統(tǒng)最為有效的監(jiān)控方案。

基于3G網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)

1、網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)

整個(gè)航道航標(biāo)系統(tǒng)基于3G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信功能和數(shù)字視頻解碼系統(tǒng)為一體，采用3G通訊模塊，H.264高流暢度視頻處理技術(shù)，用現(xiàn)有已廣泛覆蓋的3G網(wǎng)絡(luò)和wifi網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)隧道技術(shù)，構(gòu)成了基于3G網(wǎng)絡(luò)的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

3G無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控采用時(shí)下最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的第三代移動(dòng)通信技術(shù)，結(jié)合VPN隧道技術(shù)進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男滦拖到y(tǒng)。采用視頻壓縮技術(shù)，整合了wifi，3G數(shù)據(jù)通訊功能、VPN技術(shù)和數(shù)字視頻編碼功能，把遠(yuǎn)端攝像機(jī)采集到的數(shù)據(jù)通過壓縮編碼算法壓縮，并通過3G通信發(fā)送到監(jiān)控中心網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)在分發(fā)到視頻監(jiān)控主屏和移動(dòng)監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)端航標(biāo)燈燈質(zhì)信息的監(jiān)控。

2、數(shù)據(jù)傳輸方案設(shè)計(jì)

3G視頻在傳輸過程中，通過無線通訊發(fā)射基站，接入到Internet廣域網(wǎng)環(huán)境中，再通過基站傳輸回指定的3G網(wǎng)關(guān)；數(shù)據(jù)傳輸過程是雙向傳輸，考慮到將來還將會(huì)擴(kuò)展其他應(yīng)用，在視頻監(jiān)控終端上預(yù)留了足夠的網(wǎng)絡(luò)接口，以便于將來的應(yīng)用擴(kuò)展；目前可以實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用是通過遠(yuǎn)端監(jiān)控中心或者移動(dòng)監(jiān)控終端，通過發(fā)送指令，切斷攝像頭對(duì)航標(biāo)燈的視頻錄制，以達(dá)到節(jié)省流量和航標(biāo)燈蓄電池電能的功效。

對(duì)于各級(jí)監(jiān)控中心之間，以及監(jiān)控中心，他們數(shù)據(jù)傳輸量比較大，而且專線接入比較方便，因此在設(shè)計(jì)時(shí)候考慮MSTP（多業(yè)務(wù)傳輸平臺(tái)）專線技術(shù)，它能實(shí)現(xiàn)基于SDH平臺(tái)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)TDM、ATM、以太網(wǎng)等多種業(yè)務(wù)的接入、處理和傳送，提供統(tǒng)一網(wǎng)管的多業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)。

綜上所述，航道航標(biāo)遙測遙控的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案最好的方案是采用移動(dòng)通信機(jī)制作為前端數(shù)據(jù)采集，MSTP傳輸技術(shù)作為業(yè)務(wù)后端數(shù)據(jù)傳輸為較優(yōu)方案。該方案不僅解決了各航道監(jiān)測中心間的數(shù)據(jù)同步互聯(lián)問題，同時(shí)只要接入3G網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)終端客戶，均可通過預(yù)置監(jiān)控客戶端來訪問和監(jiān)控各個(gè)終端的燈質(zhì)情況。

3G通信系統(tǒng)

“3G”（3rd—generation）是第三代移動(dòng)通信技術(shù)的簡稱，是一種支持語音，視頻等高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動(dòng)通信技術(shù)，目前國內(nèi)支持的三個(gè)3G無線接口標(biāo)準(zhǔn)，分別是中國電信的CDMA2000，中國聯(lián)通的WCDMA和中國移動(dòng)的TD—SCDMA。三家運(yùn)營商的3G技術(shù)均不屬于同一種制式，三種制式的參數(shù)詳見下表1。

3G設(shè)備撥號(hào)上網(wǎng)，是通過設(shè)備終端使用3G網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)運(yùn)營商的私有網(wǎng)絡(luò)，訪問公網(wǎng)時(shí)在運(yùn)營商內(nèi)經(jīng)過地址轉(zhuǎn)換才進(jìn)入公用網(wǎng)絡(luò)，而公網(wǎng)無法直接訪問運(yùn)營商的私有網(wǎng)絡(luò)，即外部無法直接連接3G設(shè)備，只能通過運(yùn)營商內(nèi)部設(shè)備撥號(hào)的方式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接；這樣既保證了設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，又保證設(shè)備的身份識(shí)別只能通過內(nèi)部撥號(hào)機(jī)制去完成，數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩缘玫竭M(jìn)一步保障。

從我國現(xiàn)有3G通訊技術(shù)而言，中國聯(lián)通的WCDMA是帶寬速率最大，上下行速率最高的通訊技術(shù)，而從資費(fèi)上面考慮，中國電信的資費(fèi)在三家運(yùn)營商中最低，中國移動(dòng)的TD-SCDMA，為國內(nèi)自主研發(fā)，從技術(shù)方面，實(shí)際測試方面和資費(fèi)方面都比中國聯(lián)通和中國電信有一定差距；考慮到成本問題，且本項(xiàng)目對(duì)傳輸速率要求不是很高，故項(xiàng)目選擇中國電信的CDMA2000作為主要無線通訊方式。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32L152VDT6芯片作為CPU對(duì)整塊電路板做數(shù)據(jù)收發(fā)的控制，NEO-6Q 、SIM900A分別作為GPS和GSM模塊，分別用作整個(gè)電路板的衛(wèi)星定位和通訊功能，使用獨(dú)立的視頻編碼模塊對(duì)攝像頭采集的視頻進(jìn)行編碼/解碼操作，并通過MPEG4編碼庫壓縮成MPEG4視頻標(biāo)準(zhǔn)格式的文件進(jìn)行傳輸和保存。

系統(tǒng)通過使用高精度采樣電阻，對(duì)連接終端航標(biāo)燈的蓄電池、太陽能電池板、航標(biāo)燈等進(jìn)行電壓電流的采樣，所采集信息通過RS485串口與主機(jī)通訊，主機(jī)將從機(jī)上傳信息通過GSM模塊發(fā)送到基站。系統(tǒng)硬件功能規(guī)劃如圖2所示：

STM32L152VDT6芯片主要控制數(shù)據(jù)間的傳輸，數(shù)據(jù)處理和指令分發(fā)，終端配備Flash/SD卡，通過SPI口與CPU相連接，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息等。終端板卡附帶GPS模塊，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，定位誤差小于5米；數(shù)據(jù)傳輸使用GSM模塊發(fā)送，視頻傳輸使用3G模塊進(jìn)行傳送。硬件板卡搭載看門狗SP706REN芯片，可防止系統(tǒng)異常重啟，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，使得待機(jī)時(shí)間大大增加。endprint

視頻監(jiān)控軟件系統(tǒng)

B/S架構(gòu)即客戶端和服務(wù)器架構(gòu)，目前基于B/S結(jié)構(gòu)具有先進(jìn)的開發(fā)技術(shù)，方便管理和可維護(hù)等特性而成為最為流行的應(yīng)用方式。本次項(xiàng)目主要采用B/S、C/S系統(tǒng)相結(jié)合的架構(gòu)設(shè)計(jì)，配合電子地圖、網(wǎng)站系統(tǒng)和通訊服務(wù)器間的數(shù)據(jù)通訊來完成數(shù)據(jù)的采集和呈現(xiàn)。

航標(biāo)遙測遙控通訊服務(wù)依托數(shù)據(jù)通訊平臺(tái)， 支持TCP/IP、UDP、HTTP、AT指令集等多種通訊協(xié)議，支持短信貓、GSM/GPRS無線網(wǎng)絡(luò)，Internet互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)間復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通訊，為航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)提供通訊服務(wù)支持，實(shí)現(xiàn)航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化分級(jí)管理與實(shí)時(shí)監(jiān)控。監(jiān)控中心與遙測遙控終端RTU間的數(shù)據(jù)通訊，各監(jiān)控中心間的數(shù)據(jù)通訊采用TCP/IP協(xié)議，以Socket通訊方式在服務(wù)器和客戶端間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)嚴(yán)格遵照Windows的設(shè)計(jì)規(guī)范，充分結(jié)合.NET/XML/GIS/Web Service技術(shù)，按照三層架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)（數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和表示層），如下：

軟件系統(tǒng)主要業(yè)務(wù)有航標(biāo)基準(zhǔn)安裝位置信息維護(hù)，航標(biāo)基本屬性信息維護(hù)，終端固定屬性信息維護(hù)，燈質(zhì)信息維護(hù)，終端安裝信息維護(hù)，SIM卡信息維護(hù)，航道基礎(chǔ)信息維護(hù)，航標(biāo)維護(hù)信息管理，3G遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控等幾個(gè)板塊；系統(tǒng)報(bào)警方案設(shè)置有警報(bào)實(shí)時(shí)監(jiān)測，警情上報(bào)，警情展示和查詢，報(bào)警項(xiàng)目管理幾塊，各個(gè)功能模塊分工明確，確保遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集監(jiān)測、報(bào)警功能能夠正常執(zhí)行。

系統(tǒng)使用3G技術(shù)，將遠(yuǎn)程視頻通過運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心CS系統(tǒng)收集該視頻數(shù)據(jù)，并將視頻和采集上來的其他數(shù)據(jù)通過web界面或客戶端呈現(xiàn)給監(jiān)控人員。通過該系統(tǒng)，監(jiān)控人員、系統(tǒng)維護(hù)技術(shù)人員可以實(shí)現(xiàn)透過接入互聯(lián)網(wǎng)的PC或者3G手機(jī)終端監(jiān)測到航道航標(biāo)燈的現(xiàn)場燈質(zhì)狀況，并可以實(shí)現(xiàn)簡單的操控，以達(dá)到對(duì)航標(biāo)燈現(xiàn)場做出快速的反應(yīng)；系統(tǒng)可自設(shè)閥值報(bào)警，在系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過設(shè)定閥值之后，系統(tǒng)將及時(shí)通過GSM，短信或者郵件的方式提醒監(jiān)控人員對(duì)報(bào)警航標(biāo)燈進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控；主動(dòng)將航標(biāo)燈損壞卻無人監(jiān)管的風(fēng)險(xiǎn)降到最低，實(shí)現(xiàn)真正意義上的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

結(jié)語

基于3G技術(shù)的航標(biāo)燈遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，將3G技術(shù)和傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的有點(diǎn)相結(jié)合，使用ArcGIS電子海圖地理信息平臺(tái)，利用遠(yuǎn)程視頻技術(shù)，全方位模擬現(xiàn)場環(huán)境并進(jìn)行有效數(shù)據(jù)抓取，從而解決航標(biāo)燈的遠(yuǎn)程監(jiān)控。本產(chǎn)品最大的特點(diǎn)就是跨平臺(tái)和覆蓋范圍廣，航道航標(biāo)監(jiān)控人員可以通過任何具有Internet訪問權(quán)限的PC或手機(jī)直接觀測到當(dāng)前航標(biāo)燈燈質(zhì)狀況和電流電壓等其他信息，大大縮短了人為對(duì)航標(biāo)燈維護(hù)的響應(yīng)時(shí)間，及時(shí)發(fā)現(xiàn)及時(shí)維護(hù)；航標(biāo)燈遙測遙控技術(shù)的推廣，將會(huì)為航標(biāo)燈維護(hù)事業(yè)提供更有有力的技術(shù)保障。系統(tǒng)在北部灣沿海航道進(jìn)行了長達(dá)半年的試運(yùn)行，各項(xiàng)指標(biāo)都表明研究是成功的。

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（第一作者單位：北京數(shù)字方舟信息技術(shù)有限公司）endprint