基于4G網(wǎng)絡(luò)的防竊電智能視頻監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

馮 凌 ，熊德智 ，楊華夏 ，魏 東 ，陳文輝

（1.國網(wǎng)重慶市電力公司 電力科學(xué)研究院，重慶 404100；2.武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，武漢 430070；3.鄭州萬特電氣股份有限公司，鄭州 450000）

基于4G網(wǎng)絡(luò)的防竊電智能視頻監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

馮 凌1，熊德智2，楊華夏1，魏 東1，陳文輝3

（1.國網(wǎng)重慶市電力公司 電力科學(xué)研究院，重慶 404100；2.武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，武漢 430070；3.鄭州萬特電氣股份有限公司，鄭州 450000）

該文分析了當(dāng)前常見的防竊電技術(shù)、措施及其存在的缺陷；運(yùn)用4G通信模塊、智能視頻取證等關(guān)鍵技術(shù)，研制了一款基于4G網(wǎng)絡(luò)的集防竊電、現(xiàn)場視頻監(jiān)控于一體的智能視頻監(jiān)控終端。給出了其總體設(shè)計(jì)方案；提出了軟件設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)介紹了防竊電終端圖像采集流程的設(shè)計(jì)，提出了門節(jié)點(diǎn)開關(guān)觸發(fā)與紅外熱釋探測(cè)觸發(fā)的攝像頭觸發(fā)方案。該設(shè)備能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場的各種竊電行為并進(jìn)行取證，從而有效地解決竊電現(xiàn)場取證難的問題，為依法打擊竊電提供了重要手段，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

視頻監(jiān)控終端；防竊電；4G網(wǎng)絡(luò)；總體設(shè)計(jì)方案；現(xiàn)場取證

隨著電能計(jì)量水平的不斷提高，防竊電技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展。目前，電力行業(yè)通常采用的防竊電技術(shù)、措施雖然不少，但都存在缺點(diǎn)或問題，尤其是有效取證困難。采用專用計(jì)量柜（箱）加鉛封的方式，普通鉛封容易被仿冒，也容易被竊電者打開后復(fù)原，而防偽、防撬鉛封的方式也未能解決取證問題[1-4]；使用高位電能表、高壓電能表給抄表和定期檢驗(yàn)帶來不便。使用防竊電電能表、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控遠(yuǎn)程抄表、計(jì)量裝置故障記錄儀等，存在防竊電死角，排查困難，取證困難[5-7]。在現(xiàn)實(shí)中經(jīng)常采用多種防竊電技術(shù)組合實(shí)施，但存在實(shí)時(shí)性差、舉證困難等缺點(diǎn)[8]。

發(fā)現(xiàn)竊電難，取證更難?，F(xiàn)在竊電方法越來越智能化，竊電手段越來越高科技化，竊電用戶非法改變用電量的行為很難被發(fā)現(xiàn)，即使發(fā)現(xiàn)了，供電部門調(diào)查取證也十分困難[9-10]。因此，在反竊電工作方面電力企業(yè)面臨著很大的困難和壓力，特別是加強(qiáng)電能計(jì)量裝置的監(jiān)管及竊電取證工作更顯得十分重要。對(duì)此，亟需研制一款基于4G網(wǎng)絡(luò)的集防竊電、現(xiàn)場視頻監(jiān)控于一體的智能視頻監(jiān)控終端。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 總體設(shè)計(jì)

基于4G網(wǎng)絡(luò)的防竊電智能視頻監(jiān)控終端配套用電信息采集主站使用，終端與主站之間采用第四代移動(dòng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，將圖像采集、圖像數(shù)據(jù)壓縮等技術(shù)應(yīng)用于終端嵌入式硬件平臺(tái)，利用先進(jìn)的4G通信技術(shù)作為傳輸通道，具備紅外攝像、4G圖像傳輸、短信通知等功能。

為達(dá)到硬件配置的靈活性，基于4G網(wǎng)絡(luò)的防竊電智能視頻監(jiān)控終端采用模塊化設(shè)計(jì)思路，主要由通信模塊、圖像采集及壓縮模塊（帶紅外補(bǔ)償和紅外觸發(fā)裝置）、主控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)組成。其設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

終端的主控系統(tǒng)使用9G45芯片作為主控平臺(tái)，該款MPU具備以下功能齊全的功能模塊及接口：

（1）集成電路總線 I2C（inter-integrated circuit），是一種多向控制總線，主要用于連接整體電路，這種方式簡化了信號(hào)傳輸總線接口；

（2）安全數(shù)字輸入輸出卡 SDIO（secure digital input and output card），可作為系統(tǒng)的擴(kuò)展設(shè)備，用于增加系統(tǒng)的攝像控制功能；

（3）通用異步收發(fā)傳輸器UART（universal asynchronous receiver/transmitter），是一種異步收發(fā)傳輸器，主要將資料在串行通信與并行通信間作傳輸轉(zhuǎn)換；

（4）通用輸入/輸出 GPIO（general purpose input output），簡化了I/O口的擴(kuò)展。當(dāng)微控制器沒有足夠的I/O端口，或當(dāng)系統(tǒng)需要采用遠(yuǎn)端串行通信或控制時(shí)，GPIO能夠提供額外的控制和監(jiān)視功能；

圖1 防竊電智能視頻監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)方案Fig.1 Design scheme of preventing electricity-stolen intelligent video monitoring terminal

（5）串行外設(shè)接口 SPI（serial peripheral interface），是一種高速、同步、全雙工的通信總線，節(jié)約了芯片的管腳，同時(shí)為PCB的布局節(jié)省空間，提供方便；

（6）嵌入式安全控制模塊ESAM（embedded secure access module），用于存儲(chǔ)一些重要的終端數(shù)據(jù)和參數(shù)，同時(shí)具有身份識(shí)別的功能，可與外部系統(tǒng)進(jìn)行雙向身份認(rèn)證；

（7）實(shí)時(shí)時(shí)鐘 RTC（real-time clock），是由晶振及相關(guān)電路組成的時(shí)鐘電路的生成脈沖，每次系統(tǒng)初起時(shí)，通過RTC初始化系統(tǒng)時(shí)鐘；

（8）數(shù)字/模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換器 AD（digital analog converter），是把數(shù)字量轉(zhuǎn)變成模擬量的器件。

MPU通過系列功能模塊或接口與外圍設(shè)備或組件連接，實(shí)現(xiàn)控制、監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)裙δ?。具體如下：

（1）遙信輸入主要是遙信信號(hào)端子通過接入到現(xiàn)場負(fù)荷開關(guān)的輔助端子，來監(jiān)測(cè)現(xiàn)場負(fù)荷開關(guān)的分合閘情況；

（2）煙霧報(bào)警通過監(jiān)測(cè)現(xiàn)場表箱內(nèi)空氣中煙霧氣體的濃度，來判斷是否發(fā)生火災(zāi)，從而選擇是否啟動(dòng)煙霧報(bào)警，防止事故發(fā)生；

（3）紅外溫度探測(cè)主要通過紅外來探測(cè)人體溫度，來判斷是否有人闖入或開啟計(jì)量箱；

（4）ESAM加密主要用于存儲(chǔ)系統(tǒng)的一些重要參數(shù)，用于重要數(shù)據(jù)的加解密，同時(shí)具有身份識(shí)別功能，與外部進(jìn)行雙向身份認(rèn)證；

（5）遙控輸出主要用于輸出控制信號(hào)，控制終端內(nèi)部繼電器分（合）閘，從而觸發(fā)控制線路接入到終端控制端子的用戶負(fù)荷開關(guān)分（合）閘；

（6）控制臺(tái)作為外部設(shè)備，需要時(shí)用來對(duì)終端系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場升級(jí)、數(shù)據(jù)讀取等；

（7）CT檢測(cè)輸入主要定時(shí)檢測(cè)線路電流數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)將電流數(shù)據(jù)傳給系統(tǒng)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)；

（8）4G通訊模塊通過串行接口與終端連接，實(shí)現(xiàn)終端系統(tǒng)與采集主站之間的數(shù)據(jù)通信及信息交互，將主站下達(dá)的數(shù)據(jù)參數(shù)、采集命令等通過移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)傳送給現(xiàn)場終端；

（9）將現(xiàn)場終端采集的圖像數(shù)據(jù)、抄表數(shù)據(jù)等通過移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)傳送給采集主站；

（10）看門狗是一個(gè)定時(shí)器電路，來監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行，如果出現(xiàn)死循環(huán)，或者說PC指針不能回來，那么定時(shí)時(shí)間到后就會(huì)通過關(guān)閉電源模塊（3.3 V和1.8 V）使系統(tǒng)復(fù)位。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 圖像采集與圖像壓縮技術(shù)

在滿足專變終端現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上，還要滿足兩路圖像采集通道所獲得的圖像與終端之間的指令、數(shù)據(jù)傳輸?shù)冉换ト蝿?wù)，這需要優(yōu)化系統(tǒng)軟硬件資源。

為了能提高終端對(duì)圖像數(shù)據(jù)的存取能力和圖像采集效果的軟硬件調(diào)試，采用Atmel公司的9G45作為終端MPU，采用2個(gè)獨(dú)立的功能模塊用于圖像的采集和壓縮，這2個(gè)功能模塊與MPU進(jìn)行獨(dú)立的信息交互。圖像采集模塊使用美國OmniVision公司的OV96系列（130萬像素，最大支持1280×1024分辨率）cmos圖像采集芯片，其所在的功能模塊具有獨(dú)立地圖像采集、處理的功能，采集后的圖像通過圖像采集功能模塊進(jìn)行圖像壓縮，供系統(tǒng)使用，這樣可以減少CPU的負(fù)擔(dān)，并且能得到較快的速度。模塊采用了影像光源自動(dòng)增益補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，能顯示較好的畫面。功能模塊采用全速USB 2.0方式與CPU進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)傳輸，理論速度為12 Mb/s，這對(duì)壓縮后的單張圖像而言已經(jīng)滿足在1 s內(nèi)對(duì)圖像進(jìn)行傳輸?shù)囊?，保證了圖像高速傳輸和對(duì)現(xiàn)場的及時(shí)監(jiān)測(cè)。圖像采集過程還具有紅外夜視功能，滿足24 h對(duì)現(xiàn)場的圖像監(jiān)控。由于終端在不開蓋或者表箱不打開的情況下也可能出現(xiàn)竊電的行為，所以可使用內(nèi)置和外置2個(gè)攝像頭組合監(jiān)測(cè)，2個(gè)攝像頭相互覆蓋對(duì)方的攝像范圍，全方位監(jiān)控現(xiàn)場情況。終端系統(tǒng)配置有8 G（最高可提高到32 G）的SD卡，圖像采集模塊可以把壓縮后暫存的圖像傳遞到SD卡進(jìn)行更長時(shí)間的存儲(chǔ)。

1.2.2 上行圖像數(shù)據(jù)傳輸與4G通信技術(shù)

為了方便主站對(duì)圖像數(shù)據(jù)的管理和降低圖像處理功能模塊的復(fù)雜度，來自主站命令的圖像的查看、刪除等操作統(tǒng)一通過終端MPU進(jìn)行，4G通信模塊不與2個(gè)圖像處理模塊進(jìn)行直接數(shù)據(jù)交互，上行數(shù)據(jù)操作統(tǒng)一通過MPU與4G模塊通道進(jìn)行。在主站一側(cè)，主站在收到圖像數(shù)據(jù)后，可向相關(guān)的電力公司維護(hù)人員發(fā)送短信息和圖片信息，提示應(yīng)注意查看現(xiàn)場情況。4G通信具有通信速度快、網(wǎng)絡(luò)頻譜寬、通信靈活等特點(diǎn)，它對(duì)于圖像的傳輸比現(xiàn)行的2G和3G通信技術(shù)都具有很大的技術(shù)進(jìn)步和優(yōu)勢(shì)。另外，各運(yùn)營商的4G無線通訊制式也相互兼容，這也是一大優(yōu)勢(shì)。該設(shè)備4G公網(wǎng)通信和有線的網(wǎng)絡(luò)通信可同時(shí)具備，并且模塊可拔插，所以在個(gè)別無4G網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域可優(yōu)先采用網(wǎng)絡(luò)通信，如無網(wǎng)絡(luò)布線可采用3G通信。

2 軟件設(shè)計(jì)

1）軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足無線通信的實(shí)時(shí)性要求，簡化客戶端維護(hù)工作，監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用B/S混合應(yīng)用架構(gòu)，Java開發(fā)，使用Oracle數(shù)據(jù)庫。

2）軟件功能設(shè)計(jì)

軟件功能主要由設(shè)備管理、告警管理、系統(tǒng)日志、短信通知、系統(tǒng)設(shè)置等幾大功能模塊組成。同時(shí)，增加主站的規(guī)約內(nèi)容，對(duì)監(jiān)控的圖像進(jìn)行查看等操作要增加有針對(duì)性的說明。對(duì)涉及到圖像預(yù)覽或者圖像從主站遠(yuǎn)程獲取的內(nèi)容還會(huì)增加一定的人機(jī)界面。

3）與相關(guān)系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

為保證接口數(shù)據(jù)安全及實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)與原有需求側(cè)系統(tǒng)間采用WebService接口方式獲取電表數(shù)據(jù)，進(jìn)行二次告警分析。與原有營銷系統(tǒng)庫采用中間表方式獲取用戶基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并與營銷系統(tǒng)保持動(dòng)態(tài)一致。

4）防竊電終端圖像采集流程設(shè)計(jì)

智能防竊電終端圖像采集流程如圖2所示。由圖可見，有2個(gè)相機(jī)觸發(fā)的“判斷條件”和3個(gè)“事件”。

圖2 防竊電終端圖像采集流程Fig.2 Image acquisition flow chart of preventing electricity-stolen terminal

條件1—人體紅外觸發(fā)拍照 探測(cè)距離7 m以內(nèi)（距離可調(diào)）。人體的恒定體溫一般在37℃，會(huì)發(fā)出特定波長10 μm左右的紅外線，被動(dòng)式紅外探頭是依靠探測(cè)人體發(fā)射的10 μm左右的紅外線而工作的。紅外觸發(fā)電路由單獨(dú)的功能模塊電路完成，區(qū)別于CMOS鏡頭成像的紅外發(fā)射補(bǔ)償燈所發(fā)出的較弱的主動(dòng)紅外線。

有人員進(jìn)入現(xiàn)場探測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，相機(jī)便可進(jìn)入觸發(fā)拍攝狀態(tài)，觸發(fā)的時(shí)間間隔可以通過硬件設(shè)置，最大為5 min。當(dāng)圖像采集模塊接收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)，可以執(zhí)行圖像采集命令，也可以通過軟件設(shè)置拍照的時(shí)間間隔，擬設(shè)定觸發(fā)時(shí)間間隔為5 s，若有人進(jìn)入拍攝范圍內(nèi)系統(tǒng)可再連續(xù)拍照5次，間隔時(shí)間分別為 5 s，10 s，20 s，30 s，45 s的時(shí)間點(diǎn)。 在隨后的5 min內(nèi)，每隔1 min采集1張圖像，之后的10 min內(nèi)，每隔5 min采集1次。如果16 min之后，現(xiàn)場仍然有人在，就再隔6 min采集1次數(shù)據(jù)，連續(xù)采集3次。然后在1 h之內(nèi)不再采集圖像。若1 h后檢測(cè)到有人在現(xiàn)場，則重復(fù)上述動(dòng)作。一輪拍照的動(dòng)作共采集15張圖像，持續(xù)時(shí)間為34 min，在1 h之內(nèi)剩余的26 min不再采集圖像。

條件2—計(jì)量箱開關(guān)觸發(fā)拍照該拍照模式是當(dāng)計(jì)量箱的開關(guān)有動(dòng)作時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)拍照。其觸發(fā)控制環(huán)節(jié)可以通過監(jiān)測(cè)終端的“門節(jié)點(diǎn)”接口進(jìn)行檢測(cè)，再通過MPU單元控制相機(jī)拍照的觸發(fā)動(dòng)作。每次計(jì)量箱打開后，連續(xù)拍照3張，每次間隔5 s。當(dāng)表箱此后一直為開啟狀態(tài)時(shí)則不予處理。

事件A—拍照、存儲(chǔ)并上報(bào)告警信息該事件是在判斷條件1或者條件2任何一個(gè)滿足要求時(shí)執(zhí)行拍照動(dòng)作，記錄對(duì)應(yīng)的告警信息并反饋給主站。

事件B—主站根據(jù)告警信息預(yù)覽或者獲取圖像當(dāng)主站接收到告警信息時(shí)，可人工進(jìn)行預(yù)覽或打開并另存為主站的本地圖片，也可以通過主站刪除確認(rèn)為不需要的圖片。

事件C—早期拍照的圖像將會(huì)被后期新拍照的新圖像覆蓋該事件意味著原來拍照的圖像主站未經(jīng)查看或者預(yù)覽、查看后認(rèn)為沒有必要保留的圖像將會(huì)被新拍照的圖像覆蓋，從而保證新拍的照片有足夠的存儲(chǔ)空間。

事件D—用U盤取過照片時(shí)將刪除已取得照片對(duì)應(yīng)的終端系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)的照片終端可以通過U盤取出終端內(nèi)的照片，如果存儲(chǔ)空間不夠，后續(xù)的照片將覆蓋最早存儲(chǔ)的照片。

3 主要?jiǎng)?chuàng)新及優(yōu)勢(shì)

即插即用的模塊化設(shè)計(jì)，靈活性好。終端無線通信模塊為即插即用型，4G無線數(shù)據(jù)通信不必受通信制式的影響，實(shí)時(shí)性好，且組網(wǎng)方便、易維護(hù)、擴(kuò)展性好、接入靈活；外置的圖像采集模塊可根據(jù)現(xiàn)場情況隨意安放并調(diào)整角度，最大限度地滿足監(jiān)控要求。

智能的防竊電監(jiān)控和取證方式。傳統(tǒng)的防竊電方式即使判斷為現(xiàn)場有竊電行為，也無法有效取證。該設(shè)計(jì)在現(xiàn)有的專變采集終端中增加了紅外攝像功能，可以24 h全天候有效地抓拍現(xiàn)場情況，為電力客戶追回?fù)p失提供了有力的證據(jù)。雙攝像頭抓拍裝置，能夠更全面捕捉可疑對(duì)象。

通信方式創(chuàng)新。綜合利用4G移動(dòng)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)及圖像壓縮技術(shù)，研發(fā)出一套防竊電圖像監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一種安裝于現(xiàn)場的終端裝置和一套中心監(jiān)控軟件，系統(tǒng)采用傳感檢測(cè)技術(shù)作為啟動(dòng)圖像抓拍的依據(jù)，采用紅外攝像、SD卡貯存技術(shù)、JPEG或者PNG圖像壓縮技術(shù)，當(dāng)發(fā)生報(bào)警時(shí)主動(dòng)采集圖像并通過TD-LTE的4G通信網(wǎng)絡(luò)將圖像上傳至主站，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)量裝置的遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控和竊電取證。

安全性高，可靠性好。采用專網(wǎng)方式，保證了信息安全；終端支持大容量外置存儲(chǔ)卡存儲(chǔ)，圖像采用先本地存儲(chǔ)，后傳送的方式，即使網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不佳，也不會(huì)造成圖像丟失。終端上線后可通過遠(yuǎn)程讀取的方式將圖像重新取回中心；監(jiān)控終端自帶電池，在停電的情況下能夠支持終端運(yùn)行15 min；系統(tǒng)有詳盡的日志記錄，保證系統(tǒng)異常時(shí)有據(jù)可查。

4 結(jié)語

本文分析了當(dāng)前常見的防竊電技術(shù)、措施及其存在的缺陷。為解決對(duì)竊電行為進(jìn)行取證的難題，提出了采用4G通信模塊、智能視頻取證等關(guān)鍵技術(shù)，研制出一款基于4G網(wǎng)絡(luò)的，集防竊電、現(xiàn)場視頻監(jiān)控于一體的智能視頻監(jiān)控終端，為依法打擊竊電提供重要手段。

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Design of Preventing Electricity-stolen Intelligent Video Monitoring Terminal Based on 4G Network

FENG Ling1，XIONG De-zhi2，YANG Hua-xia1，WEI Dong1，CHEN Wen-hui3
（1.Electric Power Research Institute，Chongqing Electric Power Company，Chongqing 404100，China；2.School of Information Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；3.Zhengzhou Wante Electric Co.，Ltd.，Zhengzhou 450000，China）

The current common preventing electricity-stolen technology and existing defects is analyzed.Using 4G communication module，intelligent video forensics and other key technologies，a intelligent video monitoring terminal basing on 4G network is developed，which integrates power stealing，power stealing and field video monitoring.Its overall design scheme is given.A software design method is proposed.the design of the image acquisition process of the preventing electricitystolen is mainly introduced，and the trigger scheme of the camera triggered by the door node switch trigger and infrared thermal-release detection is put forward.The device can timely find the scene of the various power theft and to obtain evidence，can effectively solve the difficulty of electricity larceny evidence collection，provides important means for power will be punished in accordance with the law.It has a strong practical value and broad application prospects.

video monitoring terminal；preventing electricity-stolen；4G network；overall design scheme；scene evidence obtaining

TM933.4

B

1001-9944（2017）08-0048-05

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.08.012

2017-03-27；

2017-07-15

國家電網(wǎng)公司科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2017）

馮凌（1976—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娔苡?jì)量、用電信息采集等；熊德智（1979—），男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)通信、智能配電網(wǎng)、電測(cè)量技術(shù)等。