基于4G無線網(wǎng)絡(luò)的泵站視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

程 雪，馬 晴，曹華志，徐學(xué)鴻

（1.江蘇省新沂市水利局，江蘇 徐州 221400；2.江蘇省水利廳機(jī)關(guān)后勤服務(wù)中心，江蘇 南京 210029）

0 引言

隨著4G通信網(wǎng)絡(luò)的普及和流量費(fèi)用的不斷降低，無線視頻監(jiān)控能夠在特殊押運(yùn)、資源監(jiān)控等眾多領(lǐng)域為人們提供更好、更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)[1-2]。監(jiān)控系統(tǒng)在企業(yè)的生產(chǎn)、安全保障環(huán)節(jié)中發(fā)揮著越來越重要的作用，但是傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)受地理環(huán)境的影響,布線復(fù)雜、系統(tǒng)靈活性差，工作效率低，系統(tǒng)反饋現(xiàn)場情況不夠及時準(zhǔn)確，導(dǎo)致指揮人員難以快速決策，而且設(shè)備費(fèi)用高，維修不方便[3-4]。無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)，具有現(xiàn)場不用布線、安裝簡單、可移動、可固定、靈活性高等特點，具有綜合成本低、安裝周期短、便于維護(hù)、可擴(kuò)展性好等優(yōu)勢，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的諸多不足[5]。

本文所研究的內(nèi)容正是基于4G無線網(wǎng)絡(luò)組建泵站遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對泵站工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控和移動目標(biāo)監(jiān)測報警功能。相較于運(yùn)用GPRS網(wǎng)絡(luò)的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，4G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率更快，可以保證在監(jiān)控中心獲得的視頻更加流暢清晰。同時，本系統(tǒng)可以檢測移動的物體并向監(jiān)控人員報警，提高監(jiān)控中心對泵站的監(jiān)控力度。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于4G無線網(wǎng)絡(luò)的泵站視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體框架為分層、分布、模塊式體系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用分層分布式實時動態(tài)監(jiān)控、人機(jī)交互通訊方式、遠(yuǎn)距離編解碼傳輸控制等技術(shù)[6]，集多種功能于一體，包括泵站圖像信息采集存儲、4G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸、監(jiān)控中心遠(yuǎn)程監(jiān)控等，借助4G無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息數(shù)據(jù)傳輸，有利于系統(tǒng)軟硬件的維護(hù)、擴(kuò)展與升級。

同時遵循公專結(jié)合原則，在已有的通信網(wǎng)絡(luò)及信息資源基礎(chǔ)上，運(yùn)用4G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸信息，避免重復(fù)建設(shè)。4G無線網(wǎng)絡(luò)泵站視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖2所示。

1.2 系統(tǒng)功能模塊

基于4G無線網(wǎng)絡(luò)的泵站視頻監(jiān)控系統(tǒng)由泵站視頻采集及存儲、4G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸、監(jiān)控中心遠(yuǎn)程監(jiān)控3部分組成，各部分主要功能如下：

圖1 4G無線網(wǎng)絡(luò)泵站視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

（1）泵站視頻采集及存儲部分

前端泵站設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、工業(yè)路由器和硬盤錄像機(jī)。泵站監(jiān)測點的多個攝像機(jī)共用一個工業(yè)路由器和硬盤錄像機(jī)，針對重點監(jiān)控區(qū)域，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)高清攝像頭進(jìn)行實時視頻采集。將采集的視頻信息存儲到網(wǎng)絡(luò)高清硬盤錄像機(jī)中，存儲方式分為前端、后端和兩端。本系統(tǒng)采用兩端存儲方式，前端硬盤錄像機(jī)可以存儲最近30 d的視頻信息，后端存儲時間大于6個月，采用的是大容量的硬盤錄像機(jī)。前端采集的視頻信息先是存儲在前端硬盤錄像機(jī)一定時間，在需要上傳時，將圖像打包壓縮傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，這樣可以大幅節(jié)省流量費(fèi)用，降低設(shè)備運(yùn)行負(fù)載。每個監(jiān)控點路由設(shè)備采用工業(yè)級VPN路由器，組成一個獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將采集的視頻信息通過4G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

（2）4G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸部分

在進(jìn)行4G無線傳輸時，利用系統(tǒng)的IP尋址功能，實現(xiàn)監(jiān)控中心服務(wù)器與前端路由器的握手。將多個泵站的視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€監(jiān)控中心，如果監(jiān)控中心和每一個泵站監(jiān)測點都是采用動態(tài)IP方式接入網(wǎng)絡(luò)，那么只有在每一個泵站監(jiān)測點將其最新IP地址發(fā)送到監(jiān)控中心后，監(jiān)控中心才可以監(jiān)控每一個泵站的狀態(tài)，這顯然是不合適的。如果為監(jiān)控中心和每一個泵站監(jiān)測點都申請靜態(tài)IP地址又會增加系統(tǒng)建設(shè)的成本，這也不是一個很好的解決方案。本系統(tǒng)采用的方法是：泵站監(jiān)測點與監(jiān)控中心采用不同的網(wǎng)絡(luò)接入方式，泵站監(jiān)測點采用動態(tài)IP，監(jiān)控中心采用靜態(tài)IP。監(jiān)控中心路由器配置有IP解析軟件，泵站監(jiān)測點路由器需先輸入監(jiān)控中心的靜態(tài)IP，經(jīng)過公網(wǎng)激活后，系統(tǒng)會為泵站監(jiān)測點分配一個動態(tài)IP，并發(fā)送到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心通過訪問泵站監(jiān)測點的IP地址建立連接，讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行監(jiān)控任務(wù)。在運(yùn)營商公網(wǎng)的基礎(chǔ)上，4G無線路由器通過建立VPN隧道方式傳輸視頻信息，前端4G路由器與監(jiān)控中心固網(wǎng)路由器組建虛擬內(nèi)網(wǎng)，其方式如下：1）監(jiān)控中心，配置公網(wǎng)的靜態(tài)IP，建立與VPN服務(wù)器之間的連接，映射所有端口地址到VPN服務(wù)器上。2）泵站4G無線路由器，配置動態(tài)IP，開通GG業(yè)務(wù)的UIM卡，配置VPN和其他所需功能。

（3）監(jiān)控中心遠(yuǎn)程監(jiān)控部分

監(jiān)控中心是整個系統(tǒng)的核心部分，指揮協(xié)調(diào)系統(tǒng)的各項功能，實現(xiàn)對所有設(shè)備的控制、管理、檢測以及權(quán)限的分配。監(jiān)控中心接收4G無線網(wǎng)絡(luò)采集的前端攝像機(jī)視頻圖像及存儲信號，將監(jiān)控視頻信息實時顯示在大屏顯示器上，在需要時也可進(jìn)行回放查看，針對一些重要的數(shù)據(jù)信息，可以進(jìn)行備份存儲。為了實時準(zhǔn)確地監(jiān)測泵站設(shè)備的運(yùn)行狀況，可以運(yùn)用軟件平臺對比采集到的圖像，及時發(fā)現(xiàn)一些異常情況，及時調(diào)整泵站設(shè)備運(yùn)行狀況。監(jiān)控中心設(shè)備包括工業(yè)級VPN路由服務(wù)器、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、視頻網(wǎng)關(guān)平臺、硬盤錄像機(jī)、視頻工作站和大屏監(jiān)視器。高清視頻圖像傳輸時每路占用帶寬為6Mbit/s，如果前端安裝20臺攝像機(jī)，則最大占用帶寬為120Mbit/s。交換機(jī)與大屏顯示系統(tǒng)相連，如果把每一臺設(shè)備將所有的視頻信息同時顯示出來，那么每一臺設(shè)備所占用的帶寬至少是120Mbit/s，這已經(jīng)超出了交換機(jī)百兆口的容量上限。此時，交換機(jī)電口需配置為千兆口，從而避免監(jiān)控畫面出現(xiàn)卡滯和停頓現(xiàn)象，有效保證了監(jiān)控中心對泵站設(shè)備的監(jiān)控控制。

在泵站的日常監(jiān)控工作中，出現(xiàn)前端設(shè)備與監(jiān)控中心連接斷線是在所難免的。此時，網(wǎng)關(guān)平臺的主動注冊功能可以使前端設(shè)備與監(jiān)控中心重新建立連接，實現(xiàn)泵站設(shè)備的主動注冊，監(jiān)控中心實時在線監(jiān)控，有效保證了視頻信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件選型

在泵站視頻監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)過程中，主要用到了開關(guān)電源、工業(yè)交換機(jī)、串口服務(wù)器、4G路由器，紅外網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)、VPN網(wǎng)關(guān)等硬件設(shè)備，其技術(shù)參數(shù)如下：

開關(guān)電源選用臺灣明緯75 W工業(yè)用DIN導(dǎo)軌安裝式開關(guān)電源，具備恒流模式過載保護(hù)功能，適合各種各樣的電感性或電容性負(fù)載應(yīng)用。工業(yè)交換機(jī)采用摩莎的EDS-205A系列產(chǎn)品，EDS-205A/208A系列是5口或8口工業(yè)非網(wǎng)管型以太網(wǎng)交換機(jī)，支持IEEE802.3/802.3u/802.3x，10/100M，全 /半雙工，MDI/MDI-X自適應(yīng)[7]。串口服務(wù)器選用康海時代NC604系列產(chǎn)品，NC600系列串口服務(wù)器是一種用于擴(kuò)展串行設(shè)備通信應(yīng)用的產(chǎn)品，可以很容易通過局域網(wǎng)或Internet中的任意位置訪問現(xiàn)有串行設(shè)備。宏電H792X 4G Router支持LTE 4G網(wǎng)絡(luò)、HSPA+3.5G網(wǎng)絡(luò)，通過無線連接3G/3.5G/LTE網(wǎng)絡(luò)，提供高速無線網(wǎng)絡(luò)帶寬。紅外網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)選用?？低旸S-2CD3T25系列產(chǎn)品，這款網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)圖像均勻、沒有暗角。網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)采用?？低旸S-7800N-K1系列產(chǎn)品，支持網(wǎng)絡(luò)視頻接入。監(jiān)控中心VPN網(wǎng)關(guān)采用華為AR201-S企業(yè)級路由器，傳輸速率為10/100Mbps[8]。

2.2 軟件開發(fā)平臺

監(jiān)控系統(tǒng)軟件基于Visual Studio2015（簡稱VS2015）開發(fā)環(huán)境、采用C#語言開發(fā)完成。VS是一個基本完整的開發(fā)工具集，它包括了整個軟件生命周期中所需要的大部分工具，如UML工具、代碼管控工具、集成開發(fā)環(huán)境（IDE）等等。所寫的目標(biāo)代碼適用于微軟支持的所有平臺，包括Microsoft Windows、Windows Mobile、Windows CE 等[9]。

?？低曉O(shè)備網(wǎng)絡(luò)SDK是基于設(shè)備私有網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議開發(fā)的，為嵌入式網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、網(wǎng)絡(luò)球機(jī)、視頻服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)存儲等產(chǎn)品服務(wù)的配套模塊，用于遠(yuǎn)程訪問和控制設(shè)備軟件的二次開發(fā)。設(shè)備網(wǎng)絡(luò)SDK具有圖像預(yù)覽，文件回放和下載，日志管理遠(yuǎn)程重啟/關(guān)閉，格式化硬盤等功能[10]。

當(dāng)在進(jìn)程連接時，轉(zhuǎn)接盒接收來自網(wǎng)線的信號，然后再用VGA線與顯示屏幕直接連接。在遠(yuǎn)程連接時，可根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸連接寬帶，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)、電腦進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。SDK起到一個內(nèi)部存儲的作用，在監(jiān)控安保設(shè)備中極其重要。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)的應(yīng)用效果

監(jiān)控軟件系統(tǒng)是基于.Net框架開發(fā)而成的，可以運(yùn)行在Windows7/8/10等操作系統(tǒng)上。登錄泵站監(jiān)控系統(tǒng)的主界面，如圖3所示。

圖3 無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)主窗體

登錄泵站監(jiān)控系統(tǒng)后，點擊【添加泵站】按鈕，對泵站的屬性（IP地址、端口號、數(shù)據(jù)采樣周期等）進(jìn)行配置。泵站配置完畢之后，點擊頂部工具欄中的【開始監(jiān)視】按鈕，即可啟動遠(yuǎn)程監(jiān)視，無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)主窗體檢測效果如圖4所示。

圖4 無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)主窗體監(jiān)測效果

點擊頂部工具欄的【攝像機(jī)數(shù)據(jù)】按鈕，可以查詢和導(dǎo)出網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的歷史數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 無線監(jiān)測系統(tǒng)攝像機(jī)數(shù)據(jù)查詢窗體

點擊頂部工具欄的【傳感器數(shù)據(jù)】按鈕，可以查詢和導(dǎo)出傳感器的歷史數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 無線監(jiān)測系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)查詢窗體

4 結(jié)語

系統(tǒng)利用現(xiàn)有的4G無線網(wǎng)絡(luò)來完成泵站無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線視頻監(jiān)控系統(tǒng)對目標(biāo)進(jìn)行視頻監(jiān)控，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的諸多不足。新沂泵站視頻監(jiān)控系統(tǒng)充分體現(xiàn)出了4G無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)勢：綜合成本低、安裝周期短、便于維護(hù)、可擴(kuò)展性好等。本系統(tǒng)可以檢測移動的物體并向監(jiān)控人員報警，提高監(jiān)控中心對泵站的監(jiān)控力度?；?G無線網(wǎng)絡(luò)的泵站視頻監(jiān)控系統(tǒng)不僅保證了泵站設(shè)備安全高效的運(yùn)轉(zhuǎn)，而且?guī)砹艘欢ǖ慕?jīng)濟(jì)與社會效益，為新沂泵站引入了現(xiàn)代化管理模式，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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