供電局現場層次式網絡視頻監控系統設計與實現

劉一凡

摘 要：隨著數字圖像壓縮技術的不斷發展，數字監控系統已經廣泛的應用到各行各業中，并不斷發揮著應有的作用，文章針對現場層次式網絡視頻監控系統的設計進行研究，并以供電局為例進行講述，從而設計出一個能夠接入三個市區局和一個變電站的視頻監控主機至平臺，對供電局和變電站實現層次式網絡視頻監控系統的設計，對供電局和變電站內的情況進行實時動態監控。

關鍵詞：供電局；現場層次式；網絡視頻監控系統

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）27-0063-03

1 分層式網絡視頻監控系統的關鍵技術

在分層式的網絡視頻監控系統中需要將前端的監控設備中所采取的音頻和視頻的信號以及報警信號進行壓縮，然后將壓縮的信號進行編碼轉換為網絡標準的數據包，并通過以太網或者是光纖網絡的信號傳輸功能傳送到網絡上，這樣管理人員就可以從網絡上遠程監視供電局和市區局的現場畫面，下文主要介紹本次設計中主要應用到幾項關鍵技術。

1.1 TCP/IP協議

在網絡中不管是數據流的傳輸還是數據流的控制都是建立在TCP/IP協議的基礎之上的，可以說TCP/IP協議是整個網絡視頻控制系統數據傳輸的基石。

但是如果在設計的過程中采用了IP網絡進行數據的傳輸，勢必會造成數據的外流，存在很大的安全隱患，比如說一些圖像或者是視頻被盜取，這樣就會造成重要信息的泄露，在進行設計時除了采用必要的用戶口令驗證之外還需要對相應的IP地址進行保護，本次系統設計中為了充分的考慮到數據的安全性，將視頻監控主機和前端攝像頭均連接至視頻專用交換機，設置局內網IP地址。并將視頻監控專用接入層交換機之間采用級聯方式建立視頻專網，匯聚后通過光纖或六類千兆網線連接至辦公大樓核心交換機相應端口。

1.2 視頻編碼及解碼技術

視頻在網絡上進行傳輸之前需要對數據進行壓縮，這樣才能夠在一定程度上降低視頻數據所占的內存，就目前來說所采用的視頻數據壓縮算法主要包括兩種：MPEG編碼標準和H.26x編碼標準。

其中MPEG-7編碼標準在進行編碼的過程中能夠滿足實時或非實時應用的需求，H.26x編碼標準則是比MPEG編碼標準更為先進的一種編碼標準，該標準能夠在保證相同的視頻圖像質量的前提下，還能夠有效的提高轉換的效率，在視頻圖像的壓縮過程中能夠具有更好的壓縮比和IP網絡的適應性。

H.26x在進行編碼的過程中加入了幀內的預測編碼，能夠利用周圍數據之間的差分對數據所描述的畫面進行重構，保證畫面的清晰圖和真實度。

同時H.26x編碼標準在進行解碼時還能夠有效的解決在IP網絡視頻中視頻數據所占比例較大的問題，從而在保證視頻質量的基礎上，減少數據量。

1.3 數據存儲管理技術

隨著科學技術的不斷發展，人們對監控系統的圖像和視頻的質量要求越來越高，同時對數據的存儲要求也日益增多，因此在網絡監控系統中數據存儲管理技術也成為一項重要的技術。視頻監控系統對所傳輸的數據保存在本地視頻監控主機的硬盤中，這樣當發生事故時運維管理人員就可以調取視頻進行查看，找到事故發生的前因后果，因此在進行視頻數據儲存管理的過程中除了要對視頻和圖像信息進行保存之外，還需要注明視頻采集的時間、地點和采集的狀況，這樣才能夠保證數據信息的完整性。

就目前而言，對數據信息的存儲主要有兩種方式，一種是數據庫存儲，另一種是文件系統存儲。其中數據庫存儲能夠方便在以后使用中的信息查詢和檢索，但是一旦完成存儲就很難對存儲的信息進行擴充，而且存儲效率較為低下。

文件系統在存儲的過程中具有較快的存儲效率，但是在數據查詢和檢索時運行效率低下。因此在供電局的數據存儲的過程中可以將這兩種存儲方式進行結合使用，這樣既可以保證檢索的效率還能夠保證較高的存儲效率。

2 分層網絡視頻監控系統的模型設計

2.1 系統的設計要求

由于各安防系統中視頻監控所占有的網絡流量寬帶最大，需要對視頻監控系統、視頻主機和前端攝像頭作如下規定。

2.1.1 一級場所的設計要求

一級場所（局大院大樓、輸變電管理所、新大樓）的設計要求為：

①視頻監控主機和前端攝像頭均連接至視頻專用交換機，設置局內網IP地址。

②視頻監控專用接入層交換機之間采用級聯方式建立視頻專網，匯聚后通過光纖或六類千兆網線連接至辦公大樓核心交換機相應端口。

③視頻監控數據保存于本地視頻監控主機硬盤中，運維管理人員通過監控平臺遠程查看。

2.1.2 二級場所的設計要求

二級場所（各區局辦公大樓、變電站、供電所和營業廳）設計要求為：

①視頻監控主機和前端攝像頭均連接至視頻專用交換機，設置局內網IP地址。

②視頻監控專用接入層交換機通過光纖或六類千兆網線連接至辦公大樓樓層交換機相應端口。

③視頻監控數據保存于本地視頻監控主機硬盤中，運維管理人員通過監控平臺遠程查看。

2.2 網絡流量規劃

①統計各市區局視頻監控攝像頭數量，對流量帶寬進行分析，上報給設備部和信息中心，設備管理部將評估流量帶寬，信息中心統一分配IP地址。

②視頻監控數據保存于本地視頻監控主機硬盤中，運維管理人員通過監控平臺遠程調用進行查看。

③制定運維管理制度，規定運維管理人員通過視頻監控平臺只允許最多查看各辦公和生產場所的五路視頻監控，流量控制在5～10 M之內。

④在運維管理中心匯聚層交換機網絡端口上限制寬帶為10 M。

2.3 全局視頻監控系統IP規劃

視頻監控系統軟硬件主要為宇視和大華等品牌，共有新舊視頻監控主機86套，采用模擬信號/數字信號方式采集數據，B/S架構，無視頻監控平臺軟件。

舊款視頻監控系統采用模擬信號采集數據，未設置IP地址，錄像為本地存儲，為標清視頻；

新款視頻監控系統采用數據信號采集數據，視頻監控主機和前端攝像頭均設置私有IP地址，錄像為本地存儲，為高清視頻。

本次設計的主要內容是改造三個市區局和一個變電站接入市局運維管理中心，需要為視頻監控主機和攝像頭預留IP地址90個。

2.4 系統總的設計方案

為了更好的滿足本次設計的要求，本文選用的是層次式網絡視頻監控系統，該系統在結構上主要包括三個內容：監控中心、遠程監控終端和傳輸網絡。其中分層式網絡視頻監控系統的結構示意圖，如圖1所示。

其中網絡可以采取IP網絡模式，也可以采用局域網，在分層式網絡視頻監控系統中的基本單元就是監控中心，監控中心在結構上可以分為監控服務器、監控前端、監控終端、報警器和局域網組成。每一個監控服務區在自己所管轄的范圍內對所有的數據資源進行監控，從而為以下各級的用戶提供控制服務。在監控的前端可以通過局域網的形式與監控服務器相連，對監控前端的攝像頭以及報警裝置的狀態進行監控，并采集相對應的視頻數據，然后將該數據進行壓縮傳送到IP網絡中。

3 監控前端的設計與實現

監控前端主要包括采集視頻數據的攝像頭和進行報警裝置的報警器，在監控前端的設計中采用了多媒體技術、數字圖像處理技術以及遠程網絡傳輸技術等。監控前端采用了嵌入式系統，大大提高了前端對數據處理的能力，這樣在低質量要求的狀況下，嵌入式系統能夠直接對圖像進行編碼，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據轉換效率。因此監控前端能夠進行圖像視頻傳輸、遠程控制、現場數據采集等一些最為常見的視頻監控功能。

在本次的設計中監控前端主要采用的Linux嵌入式的系統，該系統是基于ARM處理器進行設計，能夠在監控的過程中提供較高質量的視頻監控數據。監控前端在采集到視頻數據后會利用H.264編碼芯片對數據進行編碼壓縮，其中監控前端的主要的硬件模型設計，如圖2所示。

從上圖中我們可以看出，監控前端的硬件部分主要是ARM處理器的CPU，系統的內存，以太網的接口、編碼模塊、Flash存儲模塊、視頻信號的數模轉換模塊等。且相互之間都存在一定的關聯系，該模塊的主要工作流程是：

攝像頭對三個市區局和一個變電站內的各項數據進行實時動態的采集，采集到的信號經過數模轉換之后會得到視頻圖像幀的數字信號，該數字信號會在編碼模塊中進暫存，存放在編碼模塊中的緩沖區內，處理器的CPU會從緩沖區內讀取到該信號，并發布壓縮指令，將數字信號壓縮打包成為IP包，然后將該壓縮包在以太網中進行傳輸，傳輸到供電中心的監控電腦上進行儲存。

除此之外，在監控前端還串聯著一些外圍的設備，比如說報警裝置等，這些設備能夠利用電平的高低實現報警功能的控制，一旦監控點出現異常的狀況，報警裝置能夠快速的反應，在供電中心的屏幕上進行異常狀況顯示，并采取相對應的應急措施。

4 監控服務器的設計與實現

層次式監控服務器既能夠為本層次的監控終端服務，還能夠為上一級的監控終端服務，因此每個服務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控終端上進行資源的管理。監控服務器在結構上又可以分為：網絡接口模塊和消息處理模塊。

其中網絡接口模塊主要就是接收網絡傳來的數據，然后對這些數據進行分析，并將數據上傳到網絡中。

信息處理模塊又可以根據模塊間功能的不同繼續進行分層式劃分，分為四個模塊：用戶管理模塊、設備管理模塊、服務器管理模塊、圖像數據轉發模塊。在這四個模塊中用戶管理模塊的主要功能是對用戶的信息進行記錄，當用戶進行操作指令時，該模塊能夠識別用戶的信息并對指令進行響應。

一般來說用戶的指令包括用戶的注冊、登錄、注銷、刪除、信息修改等一些基本的操作指令。設備管理模塊主要是對整個系統配置的設備進行管理，比如說在供電局和變電站中的監控前端的攝像頭、報警器、供電中心的監控終端等進行管理，并提供相對應的數據接口服務。服務器管理模塊的主要功能就是對服務器的管理能力和屬性的配置進行監控，確保服務器能夠正常的工作。圖像數據轉發模塊主要是在用戶和存儲模塊之間進行數據的傳輸，當用戶發出自己的需求指令之后，監控頻道上的圖像數據就會通過圖像數據轉發模塊進行傳輸，傳輸到用戶終端。

5 監控客戶端的設計與實現

監控終端的設計實際上就是控制軟件的設計。監控的軟件是在基于Windows操作系統的PC機上進行運行的，通過較大的寬帶連接，連接到監控的網絡中實施動態監控。其中監控終端的模型，如圖3所示。

從上圖中我們可以看出，在監控終端中主要包括五部分即：系統管理、網絡接口、管理人員和用戶。其中系統管理主要是對市區局和變電站中各個設備進行訪問和屬性的設置。視頻監控/警報提示主要是將系統中的數據進行傳輸，在供電中心中進行顯示，并根據顯示的狀況采取相對應的報警處理功能。管理人員就是對用戶的各種信息比如說注冊、登錄、修改信息、賬戶注銷等進行操作。

6 結 語

在供電局中采用層次式的網絡監控系統能夠保證每個監控系統獨立的進行監控工作，這樣當一項監控功能出現異常時，其他的監控系統還能夠獨立的工作，從而有效的提高系統在使用過程中的有效性。

層次式網絡視頻監控系統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，但是由于系統在研究過程尚淺，還需要進一步的研究與優化，比如說隨著網絡技術的發展，對視頻解碼的要求也越來越高，如何在現有的基礎上繼續完善編碼模塊，或者是當出現報警裝置時，監控界面需要及時的出現報警現場的視頻信息，但是圖像在傳輸的過程中經常存在延時現象，如果層次越多延時越嚴重，在供電局管理中如何選擇最優的層次等等，這些都是需要進一步研究的內容。

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