基于網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊陽(yáng)

【摘要】針對(duì)傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的不足，本論文結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)詳細(xì)探討了基于網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，首先分析了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了功能需求分析，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)給出了基于網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)層次設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件配置三個(gè)角度詳細(xì)論述了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，對(duì)于進(jìn)一步提高基于工業(yè)以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用管理具有較好的指導(dǎo)和借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)視頻監(jiān)控遠(yuǎn)程監(jiān)控

一、引言

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化控制系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高，從過(guò)去的集散式自動(dòng)化控制發(fā)展到分布式自動(dòng)化控制，再發(fā)展到目前流行的現(xiàn)場(chǎng)總線自動(dòng)化控制，以及逐步成為趨勢(shì)的工業(yè)以太網(wǎng)自動(dòng)化控制，目前基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程無(wú)人值守自動(dòng)化控制逐步得到了廣泛的關(guān)注、研究和應(yīng)用。由于網(wǎng)絡(luò)帶寬的擴(kuò)充，使得基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程無(wú)人值守成為了可能，但是這也對(duì)監(jiān)控平臺(tái)提出了更高的要求，除了傳統(tǒng)的依靠傳感器監(jiān)測(cè)機(jī)電設(shè)備的生產(chǎn)狀態(tài)、工作狀態(tài)之外，還必須要對(duì)整個(gè)環(huán)境實(shí)施全方位的監(jiān)控，因而視頻監(jiān)控也要實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)化的遠(yuǎn)程控制。

過(guò)去傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控都是就近接線實(shí)現(xiàn)就近監(jiān)控，隨著數(shù)字化管控、一體化管控概念的提出，遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控也逐漸成為了當(dāng)前安全監(jiān)控、自動(dòng)化監(jiān)控的必然需求，因此，如何基于以太網(wǎng)構(gòu)建遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，是當(dāng)前遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)必須要解決的技術(shù)問(wèn)題之一。本論文主要結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)際功能，對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控平臺(tái)展開(kāi)系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)與研究，以期能夠從中找到面向網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用方法，并以此和廣大同行分享。

二、基于網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控平臺(tái)的總體分析

2.1設(shè)計(jì)原則

基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控平臺(tái)，在設(shè)計(jì)時(shí)除了要滿足其基本的視頻監(jiān)控功能外，還必須結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保功能滿足的同時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳的經(jīng)濟(jì)效益，為此，需要確立以下幾個(gè)設(shè)計(jì)原則：（1）先進(jìn)性。基于網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)必須要足夠先進(jìn)，要能夠滿足當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控設(shè)備的接口類(lèi)型，整體采用性能優(yōu)良的監(jiān)控裝備，確保整個(gè)系統(tǒng)在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)能夠保持領(lǐng)先的水平。（2）可靠性。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、部件選型、系統(tǒng)裝配、軟硬件配置等各個(gè)角度入手，都要確保系統(tǒng)的高可靠性，在任何惡劣環(huán)境以及網(wǎng)絡(luò)資源有限的情況下，監(jiān)控系統(tǒng)都能夠穩(wěn)定可靠工作。（3）方便性。整個(gè)監(jiān)控管理界面應(yīng)當(dāng)具有良好的人機(jī)交互性，即使不具備計(jì)算機(jī)操作知識(shí)的人員依然能夠方便的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控和相關(guān)數(shù)據(jù)記錄的查閱、調(diào)取和管理，同時(shí)從系統(tǒng)的后期維護(hù)保養(yǎng)的角度來(lái)說(shuō)，也要方便整個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)和維修。（4）擴(kuò)展性。系統(tǒng)除了要滿足當(dāng)前的監(jiān)控功能外，還必須設(shè)計(jì)一定的功能冗余，一方面要能夠?qū)崿F(xiàn)將來(lái)新監(jiān)控設(shè)備的補(bǔ)充，以實(shí)現(xiàn)新的監(jiān)控功能；另一方面還要設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臄U(kuò)容接口，以滿足系統(tǒng)日后的升級(jí)，包括更換更新的設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容以及增加其他必要的控制模塊等。

2.2功能需求分析

（1）圖像視頻監(jiān)控功能?；诰W(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控平臺(tái)，首要功能自然是圖像視頻監(jiān)控功能，該平臺(tái)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠提供24小時(shí)不間斷的視頻監(jiān)控功能，同時(shí)自動(dòng)存儲(chǔ)圖像視頻資料，以供后期查閱和調(diào)用管理。（2）數(shù)據(jù)管理功能。對(duì)于存儲(chǔ)的圖像視頻數(shù)據(jù)，應(yīng)當(dāng)按照時(shí)間節(jié)點(diǎn)自動(dòng)存儲(chǔ)管理，通過(guò)所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件能夠?qū)嫶蟮囊曨l圖像數(shù)據(jù)方便的進(jìn)行直接管理，按照用戶(hù)的管理需求進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。（3）用戶(hù)安全管理功能。由于視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)程化，因此系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全性必須要著重設(shè)計(jì)，確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全，對(duì)于用戶(hù)登錄的權(quán)限，也必須加強(qiáng)管理，確保實(shí)現(xiàn)不同權(quán)限等級(jí)的用戶(hù)擁有不同的數(shù)據(jù)管理功能。

三、基于網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

3.1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的選擇?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)的介質(zhì)主要有雙絞線、同軸電纜和光纖。目前雙絞線應(yīng)用的已經(jīng)比較少了，同軸電纜在遠(yuǎn)距離傳輸方面并沒(méi)有突出的優(yōu)勢(shì)，而光纖目前是主流的網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)，一方面因?yàn)楣饫w傳輸速率快，失真少，更重要的是光纖傳輸尤其適合應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)控，況且視頻圖像監(jiān)控所形成的視頻數(shù)據(jù)都是大流量數(shù)據(jù)，極易造成網(wǎng)絡(luò)的擁塞，而采用光纖作為傳輸介質(zhì)，極大的避免了網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生。（2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般有星型結(jié)構(gòu)、樹(shù)型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、環(huán)型結(jié)構(gòu)以及總線型結(jié)構(gòu)等。各種類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能對(duì)比見(jiàn)下表1。從表1可見(jiàn)，環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適宜應(yīng)用于遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，而且環(huán)形網(wǎng)絡(luò)由于具有鏈路冗余功能，因此能夠確保遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

3.2系統(tǒng)層次分析

基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)，從前端攝像頭到后臺(tái)控制中心，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層次設(shè)計(jì)如下：（1）網(wǎng)絡(luò)攝像頭層。作為遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控平臺(tái)的最前端，采用網(wǎng)絡(luò)攝像頭的最大好處是避免了因接口轉(zhuǎn)換而帶來(lái)的成本上升的問(wèn)題，直接采用RJ45接口將攝像頭拍攝到的視頻圖像畫(huà)面以通用的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議進(jìn)行傳輸，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)層次和結(jié)構(gòu)。（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層。采用光纖構(gòu)建的千兆工業(yè)以太網(wǎng)是整個(gè)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，承擔(dān)著視頻圖像數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。在網(wǎng)絡(luò)傳輸層，網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)通過(guò)環(huán)形拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)冗余連接，即控制網(wǎng)上任何一點(diǎn)的單一鏈路連接意外斷開(kāi)，系統(tǒng)都能通過(guò)環(huán)網(wǎng)的反方向提供后備鏈路，保證系統(tǒng)可用性的同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性，環(huán)網(wǎng)主干鏈路全部采用單模光纖，保證故障切換時(shí)間均<300ms，以提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃院涂捎眯?。?）網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器層。網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)層主要是由各種網(wǎng)絡(luò)中間設(shè)備和服務(wù)管理設(shè)備構(gòu)成，如路由器，視頻采集設(shè)備、服務(wù)器等，該網(wǎng)絡(luò)層的主要目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻圖像的采集和還原，同時(shí)依靠服務(wù)器對(duì)視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，以滿足用戶(hù)終端顯示層對(duì)視頻圖像數(shù)據(jù)的調(diào)用和管理。（4）終端顯示層。終端顯示層采用專(zhuān)用的視頻監(jiān)控管理軟件，對(duì)經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)來(lái)的遠(yuǎn)程視頻畫(huà)面實(shí)施監(jiān)視和畫(huà)面切換功能。根據(jù)用戶(hù)的需要，對(duì)不同監(jiān)視點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和切換；同時(shí)，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程攝像頭進(jìn)行遙控功能，即對(duì)各監(jiān)視點(diǎn)攝像設(shè)備的光圈、焦距以及云臺(tái)進(jìn)行控制。此外，一些輔助控制操作也是必須的，包括燈光的開(kāi)停，告警裝置的設(shè)防、撤防與解除等。

3.3系統(tǒng)軟件配置

（1）終端顯示層程序。作為遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)的終端，其顯示程序采用了人機(jī)交互性友好的組態(tài)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，能夠借助于三維圖形逼真的還原監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)景；另一方面，該顯示程序除了要能夠?qū)崿F(xiàn)不同視頻攝像頭監(jiān)測(cè)畫(huà)面之間的切換，還必須要能夠?qū)Ξ?huà)面進(jìn)行存儲(chǔ)管理。下面重點(diǎn)分析視頻采集程序的實(shí)現(xiàn)。（2）視頻采集軟件子程序。視頻采集模塊主要是通過(guò)相關(guān)函數(shù)接收來(lái)自攝像頭傳輸過(guò)來(lái)的視頻信息。在程序設(shè)計(jì)中調(diào)用ReadStreamData（HANDLE hChannelHandle，void* DataBuf， DWORD*Length，int* FrameType）函數(shù)來(lái)讀取參數(shù)hChannelHandle對(duì)應(yīng)的視頻通道的音視頻數(shù)據(jù)流，并按照參數(shù)Length指定的緩沖區(qū)大小，將數(shù)據(jù)流讀取到數(shù)組DataBuf中，同時(shí)返回當(dāng)前讀取的數(shù)據(jù)流的幀長(zhǎng)度。這樣系統(tǒng)就可以對(duì)數(shù)組中的數(shù)據(jù)流信息進(jìn)行后續(xù)的處理，如本地音視頻的預(yù)覽等。

四、結(jié)語(yǔ)

由于圖形視頻監(jiān)控具有直觀、醒目的特點(diǎn)，因此在現(xiàn)代化的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中逐漸凸顯出特殊的監(jiān)控作用，對(duì)于確保整個(gè)生產(chǎn)環(huán)境的安全具有至關(guān)重要的作用。基于工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控平臺(tái)，是將遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)合的又一個(gè)典型應(yīng)用，本論文重點(diǎn)針對(duì)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控平臺(tái)的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)，給出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案，對(duì)于其他技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控技術(shù)提供了很好的范本，是值得推廣應(yīng)用的。

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