基于電力載波與云計(jì)算的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)不斷升級(jí)改造存在的布線工作量大、布線成本高、無(wú)法存儲(chǔ)及計(jì)算海量視頻文件的問(wèn)題，該文提出基于電力載波技術(shù)和云計(jì)算框架的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)調(diào)制解調(diào)、振蕩、放大、耦合等過(guò)程，利用電力線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁鞣挚攸c(diǎn)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳送到云端，利用云端強(qiáng)大的存儲(chǔ)、計(jì)算能對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理。設(shè)計(jì)中硬件部分的ARM11微處理器主要負(fù)責(zé)視頻數(shù)據(jù)的采集、編碼并封包傳送到PLC調(diào)制解調(diào)模塊，完成數(shù)據(jù)收發(fā)控制和系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度。軟件部分主要包括開(kāi)發(fā)系統(tǒng)搭建、USB攝像頭驅(qū)動(dòng)、視頻數(shù)據(jù)采集、LCD實(shí)時(shí)顯示、網(wǎng)絡(luò)傳輸和雙核數(shù)據(jù)處理等。該文的設(shè)計(jì)充分結(jié)合電力載波和云計(jì)算的特點(diǎn)，在視頻監(jiān)控領(lǐng)域中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電力載波;云計(jì)算;視頻監(jiān)控；數(shù)據(jù)收發(fā)控制；系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）31-0126-04

Abstract： Aiming at the problems of heavy wiring workload， high wiring cost， and inability to store and calculate massive video files due to the continuous upgrading and transformation of video surveillance systems， this paper proposes a video surveillance system based on power carrier technology and cloud computing framework. Video data goes through processes such as modulation， demodulation， oscillation， amplification， and coupling， and is transmitted to each branch control point using the power line network and transmitted to the cloud through the Internet. The powerful storage and computing capabilities of the cloud are used to perform various processing of video data. The ARM11 microprocessor in the hardware part of the design is mainly responsible for collecting， encoding and transmitting video data in packets to the PLC modulation and demodulation module to complete data transceiver control and system task scheduling. The software part mainly includes development system construction， USB camera driving， video data collection， LCD roeQY8TSBTq3ihlI2PQm/2w==eal-time display， network transmission， dual-core data processing， etc. The design in this paper fully combines the characteristics of power carrier and cloud computing， and has high application value in the field of video surveillance.

Keywords： power carrier; cloud computing; video surveillance; data transceiver control; system task scheduling

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們的安全防范意識(shí)不斷加強(qiáng)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，在小區(qū)、校園、煤礦生產(chǎn)、賓館和交通等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。視頻數(shù)據(jù)的傳輸可以采取2種方式：無(wú)線和有線，無(wú)線傳輸由于在傳輸路徑上有墻體等各種障礙物的阻隔，數(shù)據(jù)傳輸不可靠；目前市面上的視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要以以太網(wǎng)作為傳輸媒介，需要單獨(dú)的傳輸線路，而且后期的擴(kuò)容、改造需要重新布線，成本高、工程量大。采用電力載波技術(shù)，利用電力線作為視頻信號(hào)傳輸線路，可以大大減少網(wǎng)絡(luò)的投資，降低成本，在小范圍內(nèi)具有較大優(yōu)勢(shì)。

隨著視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，視頻監(jiān)控正朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、高清化、高速化和智能化方向高速前進(jìn)[1]，在此前提下，大量的運(yùn)算需要處理，海量的監(jiān)控錄像需要記錄和存儲(chǔ)，傳統(tǒng)的VCR模擬存儲(chǔ)和DVR數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)由于其不可靠性、擴(kuò)展能力弱及共享性差等特點(diǎn)已不能適應(yīng)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，在此情形下云存儲(chǔ)應(yīng)運(yùn)而生[2]?；谠朴?jì)算的監(jiān)控儲(chǔ)備具有虛擬化、高計(jì)算、高可靠、高擴(kuò)展及低成本的特點(diǎn)，已成為當(dāng)下時(shí)代最為合適的監(jiān)控儲(chǔ)備[1]。

本文提出了一種基于電力載波技術(shù)和云計(jì)算的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)前端為視頻采集端，采集上來(lái)的視頻信號(hào)通過(guò)電力線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控節(jié)點(diǎn)，然后利用互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)皆贫斯┍O(jiān)控中心使用。

1 研究現(xiàn)狀

基于電力載波和云計(jì)算的視頻監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)代智能監(jiān)控領(lǐng)域的一個(gè)重要方向，結(jié)合了電力線通信（PLC， Power Line Communication）技術(shù)和先進(jìn)的云計(jì)算能力，旨在提升監(jiān)控系統(tǒng)的靈活性、覆蓋范圍以及數(shù)據(jù)分析能力。

首先，電力載波技術(shù)作為一種新型的通信方式，在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)電力線傳輸視頻數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)需額外布線、低成本、易部署等特點(diǎn)，特別適用于一些布線困難或成本敏感的場(chǎng)景。然而，電力載波技術(shù)也面臨著一些挑戰(zhàn)，如信號(hào)衰減、干擾等問(wèn)題，需要通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和算法優(yōu)化來(lái)解決。

其次，云計(jì)算技術(shù)的引入為視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)能力。通過(guò)云計(jì)算平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)、分析和處理，提高系統(tǒng)的可靠性和擴(kuò)展性。同時(shí)，云計(jì)算還可以提供彈性的資源調(diào)度和按需服務(wù)，滿足視頻監(jiān)控系統(tǒng)的不同需求。

在基于電力載波和云計(jì)算的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，研究者們正在積極探索如何將這2種技術(shù)有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更高效、更智能的視頻監(jiān)控。他們致力于解決電力載波通信的穩(wěn)定性問(wèn)題，提高視頻數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量；同時(shí)，也在研究如何利用云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的處理和分析，提取有用信息，為監(jiān)控和管理提供決策支持。

此外，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，基于電力載波和云計(jì)算的視頻監(jiān)控系統(tǒng)也在不斷向智能化、自動(dòng)化方向發(fā)展。通過(guò)引入智能分析和識(shí)別算法，系統(tǒng)可以自動(dòng)檢測(cè)異常事件、識(shí)別目標(biāo)對(duì)象，提高監(jiān)控的準(zhǔn)確性和效率。

2 關(guān)鍵技術(shù)概述

2.1 電力線載波

電力線載波技術(shù)是一種特殊的通信方式，它利用電力線作為信息傳輸媒介進(jìn)行語(yǔ)音或數(shù)據(jù)傳輸。在電力載波領(lǐng)域，電力線一般分為高中低三類(lèi)：高壓電力線指35 kV及以上電壓等級(jí)，中壓電力線指10 kV電壓等級(jí)，低壓配電線指380/220 V用戶線。

電力線載波通信的原理是將高頻載f2b0c09d0ab79f9ca67be2e3fb66298043c32aaf86c12fdddd219ad872a0da04波信號(hào)通過(guò)耦合器注入到電力線上，然后通過(guò)電力線傳輸?shù)侥繕?biāo)位置，最后通過(guò)相應(yīng)的接收設(shè)備進(jìn)行解調(diào)和處理。這種通信方式最大的特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

電力線載波技術(shù)在電力系統(tǒng)通信中得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)歷了從分立到集成，從功能單一到微機(jī)自動(dòng)控制，從模擬到數(shù)字的發(fā)展歷程。它利用高壓輸電線路作為高頻信號(hào)傳輸通道，具有一定的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。然而，電力線載波通信也存在一些缺點(diǎn)，例如配電變壓器對(duì)電力載波信號(hào)有阻隔作用，電力載波信號(hào)只能在一個(gè)配電變壓器管轄范圍內(nèi)傳播；同時(shí)，三相電力線間有很大信號(hào)損失（10～30 dB），一般電力載波信號(hào)只能在單相電力線上傳輸；電力線對(duì)載波信號(hào)造成高削減，當(dāng)電力線上負(fù)荷很重時(shí)，線路阻抗可達(dá)1 Ω以下，造成對(duì)載波信號(hào)的高削減。

盡管如此，隨著數(shù)字電力線載波和電力線載波自身技術(shù)的新突破，以及一些新通信技術(shù)在其上的應(yīng)用，電力線載波技術(shù)依然呈現(xiàn)出誘人的前景。近年來(lái)，電力載波技術(shù)在穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸速率及抗干擾能力方面有了顯著提升，使得其在視頻監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用更加可行。

電力線載波傳輸原理框圖如圖1所示[3]。

圖1 電力線載波傳輸原理框圖

2.2 云計(jì)算

云計(jì)算是一種基于網(wǎng)絡(luò)的新型計(jì)算方式，它通過(guò)網(wǎng)絡(luò)“云”將巨大的數(shù)據(jù)計(jì)算處理程序分解成無(wú)數(shù)個(gè)小程序，并通過(guò)多部服務(wù)器組成的系統(tǒng)進(jìn)行處理和分析，最終將結(jié)果返回給用戶。云計(jì)算技術(shù)不僅僅是簡(jiǎn)單的分布式計(jì)算，而是分布式計(jì)算、效用計(jì)算、負(fù)載均衡、并行計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)、熱備份冗雜和虛擬化等計(jì)算機(jī)技術(shù)混合演進(jìn)并躍升的結(jié)果。通常涉及通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)提供動(dòng)態(tài)易擴(kuò)展且經(jīng)常是虛擬化的資源，是一種基于因特網(wǎng)的超級(jí)計(jì)算模式，在遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)中心里，成千上萬(wàn)臺(tái)電腦和服務(wù)器連接成一片電腦云。

云計(jì)算技術(shù)具有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)。

大規(guī)模：云計(jì)算系統(tǒng)通常具有相當(dāng)大的規(guī)模，企業(yè)私有云一般擁有數(shù)百上千臺(tái)服務(wù)器，能夠?yàn)橛脩籼峁┣八从械挠?jì)算能力。

虛擬化：云計(jì)算支持用戶在任意位置、使用各種終端獲取應(yīng)用服務(wù)，這種虛擬化特性使得用戶可以隨時(shí)隨地訪問(wèn)數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序。

高可靠性：云計(jì)算系統(tǒng)使用了數(shù)據(jù)多副本容錯(cuò)、計(jì)算節(jié)點(diǎn)同構(gòu)可互換等措施來(lái)保障服務(wù)的高可靠性，使用云計(jì)算比使用本地計(jì)算機(jī)更為可靠。

通用性：云計(jì)算不針對(duì)特定的應(yīng)用，同一個(gè)“云”可以同時(shí)支撐不同的應(yīng)用運(yùn)行。

高可擴(kuò)展性：云計(jì)算系統(tǒng)的規(guī)?？梢詣?dòng)態(tài)伸縮，滿足應(yīng)用和用戶規(guī)模增長(zhǎng)的需要。

按需服務(wù)：云計(jì)算系統(tǒng)就像一個(gè)龐大的資源池，用戶可以根據(jù)需求購(gòu)買(mǎi)相應(yīng)的服務(wù)。

極其廉價(jià)：由于云計(jì)算的特殊容錯(cuò)措施可以采用極其廉價(jià)的節(jié)點(diǎn)來(lái)構(gòu)成云，同時(shí)“云”的自動(dòng)化集中式管理使得大量企業(yè)無(wú)需負(fù)擔(dān)高昂的數(shù)據(jù)中心管理成本。

云計(jì)算技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如金融、制造、教育和醫(yī)療等。在視頻監(jiān)控領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，云計(jì)算框架視頻監(jiān)控原理如圖2所示。

圖2 云計(jì)算框架視頻監(jiān)控原理圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架如圖3所示，前端為各種形式的視頻采集攝像頭，采集上來(lái)的視頻信號(hào)通過(guò)電力線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁鞣直O(jiān)控點(diǎn)，然后利用互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)皆贫擞涗?、存?chǔ)，供監(jiān)控中心隨時(shí)使用。

根據(jù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的要求及實(shí)際情況，系統(tǒng)可以選擇是否采用分控點(diǎn)，如果視頻采集點(diǎn)少且整個(gè)監(jiān)控區(qū)域較小，則可以不用分控點(diǎn)或者只用一個(gè)分控點(diǎn)。在系統(tǒng)中，攝像頭采集到視頻信號(hào)后，利用圖1所示的電力線載波傳輸原理傳送到各分控點(diǎn)，各分控點(diǎn)可以就各自對(duì)應(yīng)的視頻信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)管理及短時(shí)存儲(chǔ)，由于視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，前段集合了眾多的視頻采集設(shè)備，同時(shí)需要存儲(chǔ)的視頻數(shù)據(jù)巨大，并且需要對(duì)大量的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化的分析和搜索等繁多的計(jì)算，各分控點(diǎn)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)把視頻信號(hào)傳送到云端記錄、存儲(chǔ)，監(jiān)控中心根據(jù)自身需要調(diào)用云端的服務(wù)（視頻處理軟件、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)挖掘、設(shè)備管理及數(shù)據(jù)分析等）和資源（物理資源、虛擬資源），用戶只需要交付少量費(fèi)用即可，不必另外布線、增加存儲(chǔ)設(shè)備及軟件。這樣就構(gòu)成了一個(gè)完整的應(yīng)用系統(tǒng)[4-9]。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件部分設(shè)計(jì)主要包括視頻采集模塊、ARM11微處理器模塊、PLC調(diào)制解調(diào)模塊、USB控制器、攝像頭和網(wǎng)路傳輸。其中作為核心的ARM11微處理器模塊采用Samsung公司的s3c6410，主要負(fù)責(zé)視頻數(shù)據(jù)的采集、對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行H.264格式編碼并封包傳送到PLC調(diào)制解調(diào)模塊，同時(shí)還完成數(shù)據(jù)收發(fā)控制和系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度工作。PLC調(diào)制解調(diào)模塊由Intellon公司的INT6400和INT1400芯片組成，INT6400通過(guò)RJ45接口接收微處理器傳遞過(guò)來(lái)的視頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換，然后對(duì)其進(jìn)行調(diào)制，之后經(jīng)過(guò)INT1400放大處理后經(jīng)過(guò)耦合電路傳送到電力線上傳輸，這是一次發(fā)送過(guò)程。接收過(guò)程相反。

在云計(jì)算架構(gòu)下，視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理也是一個(gè)需要解決的重要問(wèn)題?？梢酝ㄟ^(guò)使用分布式存儲(chǔ)技術(shù)來(lái)解決，例如采用HDFS（Hadoop Distributed File System）等分布式文件系統(tǒng)來(lái)存儲(chǔ)和管理視頻數(shù)據(jù)。

軟件部分設(shè)計(jì)主要包括開(kāi)發(fā)系統(tǒng)搭建、USB攝像頭的驅(qū)動(dòng)、視頻數(shù)據(jù)的采集、LCD實(shí)時(shí)顯示、網(wǎng)絡(luò)傳輸和雙核數(shù)據(jù)處理等。

1）數(shù)據(jù)采集模塊。在監(jiān)控節(jié)點(diǎn)控制器上運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，并按照預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔或事件觸發(fā)機(jī)制，通過(guò)電力載波將數(shù)據(jù)發(fā)送給微處理器模塊。

2）通信模塊。①電力載波通信協(xié)議棧：實(shí)現(xiàn)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)與微處理器模塊之間的電力線數(shù)據(jù)傳輸，需支持信道編碼、調(diào)制解調(diào)、錯(cuò)誤檢測(cè)與糾正和數(shù)據(jù)分包與重組等功能。②PLC調(diào)制解調(diào)模塊通信接口：處理與前端節(jié)點(diǎn)的電力載波通信，以及與云端服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)通信?？赡馨▍f(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)打包、安全加密等環(huán)節(jié)。

3）云平臺(tái)接口與數(shù)據(jù)處理模塊。云平臺(tái)接入服務(wù)：設(shè)計(jì)API接口，實(shí)現(xiàn)PLC調(diào)制解調(diào)模塊與云平臺(tái)的無(wú)縫對(duì)接，確保數(shù)據(jù)安全、高效地上傳到云端存儲(chǔ)。

本設(shè)計(jì)中主要利用已開(kāi)發(fā)好的軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的二次開(kāi)發(fā)即可。監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

編寫(xiě)單元測(cè)試、集成測(cè)試、端到端測(cè)試用例，利用持續(xù)集成/持續(xù)部署（CI/CD）工具進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試與部署。利用設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，顯示的視頻如圖5所示，畫(huà)面細(xì)節(jié)豐富，能準(zhǔn)確再現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景的色彩信息，在低光照環(huán)境下畫(huà)面純凈度好，畫(huà)面主體的清晰度高。從效果上看，較好地滿足了監(jiān)控要求。

后期可以加入視頻分析模塊，可以對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，例如人臉識(shí)別、行為分析等。在云計(jì)算架構(gòu)下，可以使用云計(jì)算的并行計(jì)算和分布式計(jì)算能力來(lái)加速視頻分析過(guò)程。

圖5 監(jiān)控測(cè)試畫(huà)面

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，基于電力載波和云計(jì)算的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和用戶需求，充分利用電力線載波和云計(jì)算技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效、靈活、易用的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

文章提出了以云計(jì)算為視頻數(shù)據(jù)記錄、存儲(chǔ)、處理方式，以電力載波為視頻信號(hào)局部傳輸方式的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，較好地將云計(jì)算和電力載波結(jié)合起來(lái)。隨著視頻監(jiān)控系統(tǒng)高清化、智能化、高速化的進(jìn)展，電力線網(wǎng)絡(luò)的廣泛覆蓋、電力載波無(wú)需重新布線及安裝方便的顯著特點(diǎn)、云端強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理能力，使得使用該系統(tǒng)的用戶的建設(shè)成本大大降低，而且更方便快捷。隨著云計(jì)算和電力載波通信技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越成熟，該系統(tǒng)具有廣泛的市場(chǎng)前景。

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