徐飛明 ，費(fèi)章君 ，楊仕友 ，吳 磊

（1.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；2.南京南自信息技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210012）

0 引言

變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)是變電站安全運(yùn)行的重要保障，負(fù)責(zé)視頻監(jiān)控、設(shè)備控制、報(bào)警信息處理等功能，實(shí)現(xiàn)變電站安全防護(hù)［1］。為了集中管理現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控設(shè)備，監(jiān)控系統(tǒng)一般設(shè)置有數(shù)字視頻錄像機(jī)DVR（Digital Video Recorder），但是此類系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，無(wú)法實(shí)現(xiàn)信息共享，設(shè)備維護(hù)、系統(tǒng)升級(jí)都比較麻煩［2］。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步，DVR逐步發(fā)展成為具有網(wǎng)絡(luò)功能的網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)NVR（Network Video Recorder）。

1 NVR介紹

NVR是一個(gè)包含基本存儲(chǔ)硬件和集中管理軟件的網(wǎng)絡(luò)錄像子系統(tǒng)，其最大限度地繼承了DVR的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了接入管理、解碼顯示及錄像文件的分布式存儲(chǔ)等一體化功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的靈活部署［3］。然而，變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)控設(shè)備品種繁多，攝像機(jī)采用不同編碼格式和通信協(xié)議，使其難以快速接入監(jiān)控中心。目前多個(gè)省電力公司已經(jīng)建設(shè)了變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并為NVR設(shè)計(jì)了不同的通信協(xié)議，而實(shí)現(xiàn)這些協(xié)議既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。因此，基于標(biāo)準(zhǔn)化的開放設(shè)備將是必然趨勢(shì)，而這些標(biāo)準(zhǔn)化包括：標(biāo)準(zhǔn)化的控制協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)化的流媒體協(xié)議、統(tǒng)一的編碼格式、可靠的存儲(chǔ)技術(shù)。近年來(lái)，陸續(xù)有多家致力于標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)工作的組織成立，如開放型網(wǎng)絡(luò)視頻接口論壇（ONVIF）［4］和 PSIA［5］。

鑒于此，為提高NVR的可移植性和開放性，降低后期維護(hù)和升級(jí)成本，本文應(yīng)用ONVIF框架設(shè)計(jì)、開發(fā)了一種基于通用硬件的NVR軟件平臺(tái)。該平臺(tái)應(yīng)用多種跨平臺(tái)技術(shù)，模塊間獨(dú)立性強(qiáng)，以滿足不同的監(jiān)控系統(tǒng)，如基于PC服務(wù)器的NVR適用于大型電力視頻監(jiān)控系統(tǒng)；基于SOC的嵌入式NVR可滿足某個(gè)變電站的視頻監(jiān)控。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)以電力通信網(wǎng)為載體，實(shí)現(xiàn)分層、分區(qū)的分布式監(jiān)控［6-7］，廣東電網(wǎng)變電站視頻及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)為三級(jí)結(jié)構(gòu)，即省級(jí)主站—地區(qū)級(jí)主站—站端系統(tǒng)。NVR是站端系統(tǒng)的主要設(shè)備，一方面負(fù)責(zé)對(duì)變電站內(nèi)所有監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理；另一方面負(fù)責(zé)與地區(qū)級(jí)或省級(jí)監(jiān)控中心的信息交互，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。

根據(jù)NVR的功能需求，本文軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)成客戶/服務(wù)器模式。在NVR端，主要負(fù)責(zé)變電站監(jiān)控設(shè)備的管理、接收并處理來(lái)自監(jiān)控中心的請(qǐng)求；在監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)基于瀏覽器的遠(yuǎn)程配置、客戶端軟件的視頻顯示。圖1介紹了本文NVR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理。根據(jù)前端攝像機(jī)的不同類型，本文NVR實(shí)現(xiàn)3種視頻流接入方式，即：支持標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采用ONVIF協(xié)議接入，其他網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采用SDK方式接入，而對(duì)已有的模擬攝像機(jī)經(jīng)DSP編碼后以網(wǎng)絡(luò)方式接入。為使NVR和監(jiān)控中心之間實(shí)現(xiàn)基于ONVIF協(xié)議的通信，本文NVR對(duì)前端攝像機(jī)的音視頻流經(jīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)、轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)信息交互。

圖1 NVR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理Fig.1 Principle of NVR system design

2.1 ONVIF協(xié)議設(shè)計(jì)

2.1.1 協(xié)議介紹

ONVIF為監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件平臺(tái)定義了一種標(biāo)準(zhǔn)化的接口，使基于IP網(wǎng)絡(luò)的不同安防系統(tǒng)具有更好的兼容性。鑒于此，本文軟件平臺(tái)采用ONVIF協(xié)議進(jìn)行主體框架設(shè)計(jì)。

ONVIF協(xié)議的框架以Web服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)。其定義的所有配置服務(wù)都表示為Web服務(wù)的操作，描述成 WSDL（Web Service Description Language）格式，并以HTTP作為底層的傳輸協(xié)議。該協(xié)議采用的Web服務(wù)集成了多個(gè)基于IP網(wǎng)絡(luò)的開放式獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)，如 XML、SOAP（Simple Object Access Protocol）、WSDL。XML提供了數(shù)據(jù)的描述方式，SOAP用于傳送信息，而WSDL描述這些服務(wù)［4］。ONVIF協(xié)議通過(guò)以上機(jī)制有效實(shí)現(xiàn)了會(huì)話與資源實(shí)體分離，將物理設(shè)備接口抽象為資源服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了良好的擴(kuò)展性與開放性。

本文的Web服務(wù)采用gSOAP工具開發(fā)［8］。gSOAP可將ONVIF協(xié)議定義的WSDL文檔編譯成符合C/C++風(fēng)格的頭文件，并根據(jù)這些頭文件生成調(diào)用SOAP服務(wù)的框架代碼，使編寫Web服務(wù)的工作最小化［9-10］。其內(nèi)置的Web服務(wù)器提供了基于WSDL描述的服務(wù)，接收并處理監(jiān)控中心的請(qǐng)求。

2.1.2 協(xié)議設(shè)計(jì)

由圖1所示的NVR系統(tǒng)可見，相對(duì)于變電站監(jiān)控設(shè)備而言，NVR作為ONVIF協(xié)議的客戶端，獲取設(shè)備相關(guān)信息；相對(duì)于監(jiān)控中心而言，NVR作為ONVIF協(xié)議的服務(wù)端，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。為實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心獲取變電站的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，本文NVR需實(shí)現(xiàn)設(shè)備搜索、設(shè)備信息和視頻流獲取，其基本流程如圖2所示。因此，本軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)如下。

步驟1設(shè)備搜索。設(shè)備搜索的主要任務(wù)是變電站內(nèi)的攝像機(jī)接入NVR。NVR發(fā)送一個(gè)Probe廣播，當(dāng)設(shè)備收到該廣播包后，返回該設(shè)備的IP地址，完成設(shè)備接入。在以往的攝像機(jī)接入中，不同廠家采用不同的搜索協(xié)議，往往是接入幾個(gè)廠家的攝像機(jī)就需要幾個(gè)廠家的設(shè)備搜索工具。本文NVR采用統(tǒng)一的設(shè)備搜索協(xié)議，可快速接入不同品牌的攝像機(jī)，降低了操作的復(fù)雜度。

圖2 ONVIF協(xié)議的流程圖Fig.2 Flowchart of ONVIF protocol

步驟2設(shè)備信息獲取。當(dāng)監(jiān)控中心需要獲取變電站內(nèi)某一攝像機(jī)的工作狀態(tài)時(shí)，往NVR發(fā)送Get-Profiles指令。NVR根據(jù)接收到的設(shè)備ID，向該設(shè)備發(fā)送GetProfiles指令，并直接轉(zhuǎn)發(fā)得到的設(shè)備信息。

步驟3站內(nèi)實(shí)時(shí)視頻獲取。當(dāng)監(jiān)控中心需要獲取變電站內(nèi)某一設(shè)備區(qū)域的監(jiān)控錄像時(shí)，首先向NVR發(fā)送GetStreamUrl指令，NVR根據(jù)反饋的設(shè)備ID，轉(zhuǎn)發(fā)該區(qū)域的視頻流。

2.1.3 非ONVIF協(xié)議設(shè)備的支持

對(duì)于支持ONVIF標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，本文的NVR可以通過(guò)ONVIF協(xié)議直接接入；而對(duì)于非ONVIF標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，本文的NVR需要通過(guò)相關(guān)設(shè)備提供的API接口實(shí)現(xiàn)，即廠商提供的SDK二次開發(fā)包，運(yùn)用工廠設(shè)計(jì)模式［11］，將不同設(shè)備的基本操作封裝成符合ONVIF協(xié)議的操作。由此，本文的NVR向下實(shí)現(xiàn)了不同廠家設(shè)備的接入，而向上通過(guò)ONVIF協(xié)議直接接入監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。

2.2 網(wǎng)頁(yè)界面中的ONVIF協(xié)議設(shè)計(jì)

隨著變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)?；琋VR更多地作為前端設(shè)備的管理者，配合地區(qū)級(jí)或省級(jí)監(jiān)控中心，完成視頻流轉(zhuǎn)發(fā)、錄像存儲(chǔ)。這些轉(zhuǎn)變使DVR中關(guān)鍵的本地操作、顯示功能逐步削弱。因此，本文NVR內(nèi)置的Web服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)瀏覽器遠(yuǎn)程登入。為實(shí)現(xiàn)跨瀏覽器無(wú)插件的方式訪問(wèn)NVR，網(wǎng)頁(yè)界面采用 Google Web Toolkit（簡(jiǎn)稱 GWT）開發(fā)包，它是 Google推出的Ajax應(yīng)用開發(fā)包，用Java開發(fā)的Ajax應(yīng)用，部署時(shí)編譯成 JavaScript［12］。

由圖1所示的NVR系統(tǒng)可見，NVR和監(jiān)控中心之間采用ONVIF協(xié)議進(jìn)行通信，那么網(wǎng)頁(yè)界面的關(guān)鍵任務(wù)是如何在GWT框架下實(shí)現(xiàn)該協(xié)議。如圖3所示，首先通過(guò)WSDL編譯器將WSDL文檔轉(zhuǎn)換為POJO（Plain Old Java Objects，簡(jiǎn)單初始 Java 對(duì)象），以便在Java中調(diào)用并實(shí)現(xiàn)ONVIF協(xié)議定義的各種方法［13］。當(dāng)網(wǎng)頁(yè)界面有請(qǐng)求操作時(shí)，本文模塊調(diào)用XmlWriter類執(zhí)行序列化操作，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合ONVIF協(xié)議框架的XML流；當(dāng)網(wǎng)頁(yè)界面得到響應(yīng)操作時(shí)，調(diào)用XmlReader類執(zhí)行反序列化操作，解析接收到的XML流［14］。

圖3 Web服務(wù)中的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換Fig.3 Data format conversion in Web service

3 應(yīng)用實(shí)例

基于前述的設(shè)計(jì)原理和方法，本文設(shè)計(jì)、開發(fā)了NVR軟件平臺(tái)，以某變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。該系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、報(bào)警設(shè)備以及燈光等監(jiān)控設(shè)備組成［15］。其中，本文NVR以O(shè)NVIF協(xié)議方式接入SAMSUNG SNB-5000高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，以SDK方式接入MOBOTIX Q24高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。NVR客戶端登入NVR服務(wù)器后，通過(guò)RTSP協(xié)議請(qǐng)求實(shí)時(shí)的視頻流，可以實(shí)時(shí)顯示不同協(xié)議、不同監(jiān)控區(qū)域的視頻流，如圖4所示。由以上運(yùn)行結(jié)果可知，本文開發(fā)的NVR，由于運(yùn)用ONVIF協(xié)議，可以快速地接入不同廠家的攝像機(jī)。

圖4 NVR客戶端Fig.4 NVR client

傳統(tǒng)的NVR往往只支持特定廠家的攝像機(jī)，而且后期升級(jí)成本高，這些因素影響了NVR的市場(chǎng)普及。本文所開發(fā)的NVR平臺(tái)與傳統(tǒng)NVR的性能比較如表1所示。由表1可知，本文NVR可支持更多廠家的高清攝像機(jī)，后期維護(hù)成本低，設(shè)備接入能力強(qiáng)，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

表1 設(shè)備的性能指標(biāo)比較Tab.1 Comparison of performance among devices

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)、開發(fā)了一種高性能的網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)的軟件平臺(tái)。以開放性、標(biāo)準(zhǔn)化要求為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了基于ONVIF協(xié)議的NVR軟件平臺(tái)，可跨Linux、Windows等操作系統(tǒng)運(yùn)行。通過(guò)變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行表明，NVR可以接入不同廠家設(shè)備，實(shí)現(xiàn)音視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳輸，環(huán)境量信息的管理，瀏覽器遠(yuǎn)程訪問(wèn)。隨著視頻監(jiān)控系統(tǒng)的不斷發(fā)展，NVR作為分布式應(yīng)用管理平臺(tái)的作用將越來(lái)越明顯。同時(shí)，視頻監(jiān)控技術(shù)作為遙視功能的一部分，將逐步融入變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，完善電網(wǎng)集約化管理。