供電局現(xiàn)場(chǎng)層次式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉一凡

摘 要：隨著數(shù)字圖像壓縮技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到各行各業(yè)中，并不斷發(fā)揮著應(yīng)有的作用，文章針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)層次式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，并以供電局為例進(jìn)行講述，從而設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠接入三個(gè)市區(qū)局和一個(gè)變電站的視頻監(jiān)控主機(jī)至平臺(tái)，對(duì)供電局和變電站實(shí)現(xiàn)層次式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)供電局和變電站內(nèi)的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：供電局；現(xiàn)場(chǎng)層次式；網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）27-0063-03

1 分層式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

在分層式的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中需要將前端的監(jiān)控設(shè)備中所采取的音頻和視頻的信號(hào)以及報(bào)警信號(hào)進(jìn)行壓縮，然后將壓縮的信號(hào)進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包，并通過以太網(wǎng)或者是光纖網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)傳輸功能傳送到網(wǎng)絡(luò)上，這樣管理人員就可以從網(wǎng)絡(luò)上遠(yuǎn)程監(jiān)視供電局和市區(qū)局的現(xiàn)場(chǎng)畫面，下文主要介紹本次設(shè)計(jì)中主要應(yīng)用到幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 TCP/IP協(xié)議

在網(wǎng)絡(luò)中不管是數(shù)據(jù)流的傳輸還是數(shù)據(jù)流的控制都是建立在TCP/IP協(xié)議的基礎(chǔ)之上的，可以說TCP/IP協(xié)議是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)視頻控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕?/p>

但是如果在設(shè)計(jì)的過程中采用了IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，勢(shì)必會(huì)造成數(shù)據(jù)的外流，存在很大的安全隱患，比如說一些圖像或者是視頻被盜取，這樣就會(huì)造成重要信息的泄露，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)除了采用必要的用戶口令驗(yàn)證之外還需要對(duì)相應(yīng)的IP地址進(jìn)行保護(hù)，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中為了充分的考慮到數(shù)據(jù)的安全性，將視頻監(jiān)控主機(jī)和前端攝像頭均連接至視頻專用交換機(jī)，設(shè)置局內(nèi)網(wǎng)IP地址。并將視頻監(jiān)控專用接入層交換機(jī)之間采用級(jí)聯(lián)方式建立視頻專網(wǎng)，匯聚后通過光纖或六類千兆網(wǎng)線連接至辦公大樓核心交換機(jī)相應(yīng)端口。

1.2 視頻編碼及解碼技術(shù)

視頻在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸之前需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，這樣才能夠在一定程度上降低視頻數(shù)據(jù)所占的內(nèi)存，就目前來說所采用的視頻數(shù)據(jù)壓縮算法主要包括兩種：MPEG編碼標(biāo)準(zhǔn)和H.26x編碼標(biāo)準(zhǔn)。

其中MPEG-7編碼標(biāo)準(zhǔn)在進(jìn)行編碼的過程中能夠滿足實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)應(yīng)用的需求，H.26x編碼標(biāo)準(zhǔn)則是比MPEG編碼標(biāo)準(zhǔn)更為先進(jìn)的一種編碼標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)能夠在保證相同的視頻圖像質(zhì)量的前提下，還能夠有效的提高轉(zhuǎn)換的效率，在視頻圖像的壓縮過程中能夠具有更好的壓縮比和IP網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性。

H.26x在進(jìn)行編碼的過程中加入了幀內(nèi)的預(yù)測(cè)編碼，能夠利用周圍數(shù)據(jù)之間的差分對(duì)數(shù)據(jù)所描述的畫面進(jìn)行重構(gòu)，保證畫面的清晰圖和真實(shí)度。

同時(shí)H.26x編碼標(biāo)準(zhǔn)在進(jìn)行解碼時(shí)還能夠有效的解決在IP網(wǎng)絡(luò)視頻中視頻數(shù)據(jù)所占比例較大的問題，從而在保證視頻質(zhì)量的基礎(chǔ)上，減少數(shù)據(jù)量。

1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的圖像和視頻的質(zhì)量要求越來越高，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)要求也日益增多，因此在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理技術(shù)也成為一項(xiàng)重要的技術(shù)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)保存在本地視頻監(jiān)控主機(jī)的硬盤中，這樣當(dāng)發(fā)生事故時(shí)運(yùn)維管理人員就可以調(diào)取視頻進(jìn)行查看，找到事故發(fā)生的前因后果，因此在進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)儲(chǔ)存管理的過程中除了要對(duì)視頻和圖像信息進(jìn)行保存之外，還需要注明視頻采集的時(shí)間、地點(diǎn)和采集的狀況，這樣才能夠保證數(shù)據(jù)信息的完整性。

就目前而言，對(duì)數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)主要有兩種方式，一種是數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，另一種是文件系統(tǒng)存儲(chǔ)。其中數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)能夠方便在以后使用中的信息查詢和檢索，但是一旦完成存儲(chǔ)就很難對(duì)存儲(chǔ)的信息進(jìn)行擴(kuò)充，而且存儲(chǔ)效率較為低下。

文件系統(tǒng)在存儲(chǔ)的過程中具有較快的存儲(chǔ)效率，但是在數(shù)據(jù)查詢和檢索時(shí)運(yùn)行效率低下。因此在供電局的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的過程中可以將這兩種存儲(chǔ)方式進(jìn)行結(jié)合使用，這樣既可以保證檢索的效率還能夠保證較高的存儲(chǔ)效率。

2 分層網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

由于各安防系統(tǒng)中視頻監(jiān)控所占有的網(wǎng)絡(luò)流量寬帶最大，需要對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、視頻主機(jī)和前端攝像頭作如下規(guī)定。

2.1.1 一級(jí)場(chǎng)所的設(shè)計(jì)要求

一級(jí)場(chǎng)所（局大院大樓、輸變電管理所、新大樓）的設(shè)計(jì)要求為：

①視頻監(jiān)控主機(jī)和前端攝像頭均連接至視頻專用交換機(jī)，設(shè)置局內(nèi)網(wǎng)IP地址。

②視頻監(jiān)控專用接入層交換機(jī)之間采用級(jí)聯(lián)方式建立視頻專網(wǎng)，匯聚后通過光纖或六類千兆網(wǎng)線連接至辦公大樓核心交換機(jī)相應(yīng)端口。

③視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)保存于本地視頻監(jiān)控主機(jī)硬盤中，運(yùn)維管理人員通過監(jiān)控平臺(tái)遠(yuǎn)程查看。

2.1.2 二級(jí)場(chǎng)所的設(shè)計(jì)要求

二級(jí)場(chǎng)所（各區(qū)局辦公大樓、變電站、供電所和營(yíng)業(yè)廳）設(shè)計(jì)要求為：

①視頻監(jiān)控主機(jī)和前端攝像頭均連接至視頻專用交換機(jī)，設(shè)置局內(nèi)網(wǎng)IP地址。

②視頻監(jiān)控專用接入層交換機(jī)通過光纖或六類千兆網(wǎng)線連接至辦公大樓樓層交換機(jī)相應(yīng)端口。

③視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)保存于本地視頻監(jiān)控主機(jī)硬盤中，運(yùn)維管理人員通過監(jiān)控平臺(tái)遠(yuǎn)程查看。

2.2 網(wǎng)絡(luò)流量規(guī)劃

①統(tǒng)計(jì)各市區(qū)局視頻監(jiān)控?cái)z像頭數(shù)量，對(duì)流量帶寬進(jìn)行分析，上報(bào)給設(shè)備部和信息中心，設(shè)備管理部將評(píng)估流量帶寬，信息中心統(tǒng)一分配IP地址。

②視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)保存于本地視頻監(jiān)控主機(jī)硬盤中，運(yùn)維管理人員通過監(jiān)控平臺(tái)遠(yuǎn)程調(diào)用進(jìn)行查看。

③制定運(yùn)維管理制度，規(guī)定運(yùn)維管理人員通過視頻監(jiān)控平臺(tái)只允許最多查看各辦公和生產(chǎn)場(chǎng)所的五路視頻監(jiān)控，流量控制在5～10 M之內(nèi)。

④在運(yùn)維管理中心匯聚層交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)端口上限制寬帶為10 M。

2.3 全局視頻監(jiān)控系統(tǒng)IP規(guī)劃

視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件主要為宇視和大華等品牌，共有新舊視頻監(jiān)控主機(jī)86套，采用模擬信號(hào)/數(shù)字信號(hào)方式采集數(shù)據(jù)，B/S架構(gòu)，無(wú)視頻監(jiān)控平臺(tái)軟件。

舊款視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用模擬信號(hào)采集數(shù)據(jù)，未設(shè)置IP地址，錄像為本地存儲(chǔ)，為標(biāo)清視頻；

新款視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)信號(hào)采集數(shù)據(jù)，視頻監(jiān)控主機(jī)和前端攝像頭均設(shè)置私有IP地址，錄像為本地存儲(chǔ)，為高清視頻。

本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是改造三個(gè)市區(qū)局和一個(gè)變電站接入市局運(yùn)維管理中心，需要為視頻監(jiān)控主機(jī)和攝像頭預(yù)留IP地址90個(gè)。

2.4 系統(tǒng)總的設(shè)計(jì)方案

為了更好的滿足本次設(shè)計(jì)的要求，本文選用的是層次式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上主要包括三個(gè)內(nèi)容：監(jiān)控中心、遠(yuǎn)程監(jiān)控終端和傳輸網(wǎng)絡(luò)。其中分層式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

其中網(wǎng)絡(luò)可以采取IP網(wǎng)絡(luò)模式，也可以采用局域網(wǎng)，在分層式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的基本單元就是監(jiān)控中心，監(jiān)控中心在結(jié)構(gòu)上可以分為監(jiān)控服務(wù)器、監(jiān)控前端、監(jiān)控終端、報(bào)警器和局域網(wǎng)組成。每一個(gè)監(jiān)控服務(wù)區(qū)在自己所管轄的范圍內(nèi)對(duì)所有的數(shù)據(jù)資源進(jìn)行監(jiān)控，從而為以下各級(jí)的用戶提供控制服務(wù)。在監(jiān)控的前端可以通過局域網(wǎng)的形式與監(jiān)控服務(wù)器相連，對(duì)監(jiān)控前端的攝像頭以及報(bào)警裝置的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并采集相對(duì)應(yīng)的視頻數(shù)據(jù)，然后將該數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮傳送到IP網(wǎng)絡(luò)中。

3 監(jiān)控前端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控前端主要包括采集視頻數(shù)據(jù)的攝像頭和進(jìn)行報(bào)警裝置的報(bào)警器，在監(jiān)控前端的設(shè)計(jì)中采用了多媒體技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)以及遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)等。監(jiān)控前端采用了嵌入式系統(tǒng)，大大提高了前端對(duì)數(shù)據(jù)處理的能力，這樣在低質(zhì)量要求的狀況下，嵌入式系統(tǒng)能夠直接對(duì)圖像進(jìn)行編碼，這樣省去了專用編解碼的裝置的作用，從而有效的提高了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換效率。因此監(jiān)控前端能夠進(jìn)行圖像視頻傳輸、遠(yuǎn)程控制、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集等一些最為常見的視頻監(jiān)控功能。

在本次的設(shè)計(jì)中監(jiān)控前端主要采用的Linux嵌入式的系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于ARM處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠在監(jiān)控的過程中提供較高質(zhì)量的視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。監(jiān)控前端在采集到視頻數(shù)據(jù)后會(huì)利用H.264編碼芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼壓縮，其中監(jiān)控前端的主要的硬件模型設(shè)計(jì)，如圖2所示。

從上圖中我們可以看出，監(jiān)控前端的硬件部分主要是ARM處理器的CPU，系統(tǒng)的內(nèi)存，以太網(wǎng)的接口、編碼模塊、Flash存儲(chǔ)模塊、視頻信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊等。且相互之間都存在一定的關(guān)聯(lián)系，該模塊的主要工作流程是：

攝像頭對(duì)三個(gè)市區(qū)局和一個(gè)變電站內(nèi)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的采集，采集到的信號(hào)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換之后會(huì)得到視頻圖像幀的數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)會(huì)在編碼模塊中進(jìn)暫存，存放在編碼模塊中的緩沖區(qū)內(nèi)，處理器的CPU會(huì)從緩沖區(qū)內(nèi)讀取到該信號(hào)，并發(fā)布?jí)嚎s指令，將數(shù)字信號(hào)壓縮打包成為IP包，然后將該壓縮包在以太網(wǎng)中進(jìn)行傳輸，傳輸?shù)焦╇娭行牡谋O(jiān)控電腦上進(jìn)行儲(chǔ)存。

除此之外，在監(jiān)控前端還串聯(lián)著一些外圍的設(shè)備，比如說報(bào)警裝置等，這些設(shè)備能夠利用電平的高低實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能的控制，一旦監(jiān)控點(diǎn)出現(xiàn)異常的狀況，報(bào)警裝置能夠快速的反應(yīng)，在供電中心的屏幕上進(jìn)行異常狀況顯示，并采取相對(duì)應(yīng)的應(yīng)急措施。

4 監(jiān)控服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

層次式監(jiān)控服務(wù)器既能夠?yàn)楸緦哟蔚谋O(jiān)控終端服務(wù)，還能夠?yàn)樯弦患?jí)的監(jiān)控終端服務(wù)，因此每個(gè)服務(wù)終端的管理員都需要有自己專有的用戶名和密碼，這樣用戶就可以在監(jiān)控終端上進(jìn)行資源的管理。監(jiān)控服務(wù)器在結(jié)構(gòu)上又可以分為：網(wǎng)絡(luò)接口模塊和消息處理模塊。

其中網(wǎng)絡(luò)接口模塊主要就是接收網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)中。

信息處理模塊又可以根據(jù)模塊間功能的不同繼續(xù)進(jìn)行分層式劃分，分為四個(gè)模塊：用戶管理模塊、設(shè)備管理模塊、服務(wù)器管理模塊、圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊。在這四個(gè)模塊中用戶管理模塊的主要功能是對(duì)用戶的信息進(jìn)行記錄，當(dāng)用戶進(jìn)行操作指令時(shí)，該模塊能夠識(shí)別用戶的信息并對(duì)指令進(jìn)行響應(yīng)。

一般來說用戶的指令包括用戶的注冊(cè)、登錄、注銷、刪除、信息修改等一些基本的操作指令。設(shè)備管理模塊主要是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)配置的設(shè)備進(jìn)行管理，比如說在供電局和變電站中的監(jiān)控前端的攝像頭、報(bào)警器、供電中心的監(jiān)控終端等進(jìn)行管理，并提供相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)接口服務(wù)。服務(wù)器管理模塊的主要功能就是對(duì)服務(wù)器的管理能力和屬性的配置進(jìn)行監(jiān)控，確保服務(wù)器能夠正常的工作。圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊主要是在用戶和存儲(chǔ)模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，當(dāng)用戶發(fā)出自己的需求指令之后，監(jiān)控頻道上的圖像數(shù)據(jù)就會(huì)通過圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊進(jìn)行傳輸，傳輸?shù)接脩艚K端。

5 監(jiān)控客戶端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)實(shí)際上就是控制軟件的設(shè)計(jì)。監(jiān)控的軟件是在基于Windows操作系統(tǒng)的PC機(jī)上進(jìn)行運(yùn)行的，通過較大的寬帶連接，連接到監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)中實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)控。其中監(jiān)控終端的模型，如圖3所示。

從上圖中我們可以看出，在監(jiān)控終端中主要包括五部分即：系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)接口、管理人員和用戶。其中系統(tǒng)管理主要是對(duì)市區(qū)局和變電站中各個(gè)設(shè)備進(jìn)行訪問和屬性的設(shè)置。視頻監(jiān)控/警報(bào)提示主要是將系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，在供電中心中進(jìn)行顯示，并根據(jù)顯示的狀況采取相對(duì)應(yīng)的報(bào)警處理功能。管理人員就是對(duì)用戶的各種信息比如說注冊(cè)、登錄、修改信息、賬戶注銷等進(jìn)行操作。

6 結(jié) 語(yǔ)

在供電局中采用層次式的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)能夠保證每個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)獨(dú)立的進(jìn)行監(jiān)控工作，這樣當(dāng)一項(xiàng)監(jiān)控功能出現(xiàn)異常時(shí)，其他的監(jiān)控系統(tǒng)還能夠獨(dú)立的工作，從而有效的提高系統(tǒng)在使用過程中的有效性。

層次式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)在供電局中的使用能夠大大的提高供電局管理人員的工作效率，但是由于系統(tǒng)在研究過程尚淺，還需要進(jìn)一步的研究與優(yōu)化，比如說隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)視頻解碼的要求也越來越高，如何在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上繼續(xù)完善編碼模塊，或者是當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警裝置時(shí)，監(jiān)控界面需要及時(shí)的出現(xiàn)報(bào)警現(xiàn)場(chǎng)的視頻信息，但是圖像在傳輸?shù)倪^程中經(jīng)常存在延時(shí)現(xiàn)象，如果層次越多延時(shí)越嚴(yán)重，在供電局管理中如何選擇最優(yōu)的層次等等，這些都是需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

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