基于無線傳輸的水庫視頻監控系統

傅 川，劉金峰，白萍萍

（山東省膠東調水局，山東 濟南 250100）

棘洪灘水庫是引黃濟青工程的唯一調蓄水庫，位于膠州市、即墨市和城陽區交界處，庫區面積達14.422 km2，圍壩長 14.277 km，設計水位 14.2 m，總庫容1.46億m3，日供水30萬m3，為青島地區經濟社會發展提供了可持續的水資源保證。庫區范圍較廣，周邊環境較復雜，做好庫區安防尤顯重要。

1 系統的總體結構

1.1 視頻信號的采集、處理和傳輸

1）視頻信號的采集。該系統有1個中心點、11個遠端點。遠端點距中心點最遠距離7 km，且地理位置分布在240度區內，11個遠端點與監控中心均可視。每個遠端點需要架設一套監控設備，傳輸1路視頻圖像和1路報警信號。每路圖像經1臺編碼器采集圖像信息后通過無線遠端設備傳輸。在局域網范圍內的任意位置經過授權后都可看到視頻圖像和報警信息。其中遠端站點需要在傳輸視頻流媒體的同時傳輸計算機數據信號。

2）視頻信號的處理和傳輸。由于攝像頭拍攝的視頻信號是連續的模擬信號，無法直接用網絡協議進行傳輸，因此要通過視頻壓縮設備對模擬信號進行編碼調制成數字信號，再由無線網橋進行發送。每個無線遠端網橋設備最大無線帶寬為54 Mbps，各個遠端點通過無線遠端網橋設備實現網絡互聯,共享中心54 Mbps的帶寬。在理想環境下無線遠端網橋設備實際總帶寬可達35 Mbps左右，實際各遠端點可達的速率與現場信噪比及無線網橋設備的型號有關。

1.2 數字云臺的控制

為了能更加全面地對水庫實現監控，攝像機加裝了可控云臺，中控室可根據自己的要求對攝像方位進行調整。控制信號由無線網絡傳送至配線箱內的雙碼流視頻編碼器，信號經第一步解析后由該設備上的485總線傳送給控制云臺的解碼器，從而實現對云臺、雨刷的控制。

1.3 服務器及客戶機

視頻圖像及監控數據通過無線接入點傳至服務器，由服務器接收并存儲于視頻監控數據庫；同時服務器還將建立Web服務器，在局域網內發布歷史視頻監控數據。服務器端的Web服務器還應能夠鏈接到各無線網絡攝像機上，以方便監控人員察看實時監控信息。 客戶機只要安裝Web瀏覽器嵌入的Media player視頻播放插件，就能播放視頻監控圖像。

2 關鍵技術

2.1 視頻壓縮標準的選擇

目前對視頻流進行數字壓縮的標準主要有：MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4 以及 H.263。 H.263 是國際電信聯盟為64 K窄帶信道制定的極低碼率編碼標準，對帶寬要求低、圖像質量較低。MPEG-1、2、4標準是MPEG組織制定的移動圖像編碼標準，其中，MPEG-1能達到VCD圖像效果，在352×288的分辨率下的位速率一般1.5 Mb/s；MPEG-2是MPEG-1的超集，能達到DVD圖像質量，在720×576的分辨率下，位速率需3.5 Mb/s以上。MPEG-4標準傳輸速率要求較低，在4800～64 kbits/sec之間，分辨率為176×144。與 MPEG-1和 MPEG-2相比，MPEG-4為多媒體數據壓縮提供了一個更為廣闊的平臺。它可以將各種各樣的多媒體技術充分用進來，包括壓縮本工具、算法，也包括圖像合成、語音合成等技術。而且MPEG4標準的占用帶寬可調，占用帶寬與圖像的清晰度成正比。采用MPEG-4視頻壓縮技術，可以從根本上很好地解決圖像數字化和帶寬之間的突出矛盾，算法的特點在于它實現了高質量視頻圖像的極高壓縮比。

由于MPEG-4視頻壓縮標準具有壓縮比高、圖像質量好的優點，本系統將采用這一標準對原始視頻圖像進行壓縮，可以大大的減小在WLAN中需傳送的數據量；完全可以達到實際應用的要求。

2.2 無線傳輸技術以及頻率的優化

本系統采用MIMO（多入多出）+OFDM（正交頻分復用）的方式進行無線信號的傳輸。MIMO是指信號系統發射端和接收端，分別使用了多個發射天線和接收天線，因而該技術被稱為多發送天線和多接收天線(簡稱多入多出)技術，它可看成是分集技術的一種衍生。MIMO技術的實質是為系統提供了空間復用增益和空間分集增益。空間復用就是使用多天線系統，使每副發射天線發送的信號都與其它發射天線發送的信號有微小區別，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一信道中，同時傳輸多路信號，從而使得系統容量大為提高。在接收端可用單一天線，也可用多個天線進行接收，當然每個接收天線接收到的是所有發送信號與干擾信號的疊加，MIMO的空時解碼系統利用數學算法拆開和恢復糾纏在一起的傳輸信號并將它們正確地識別出來。

MIMO具有抗多徑衰落的能力，但對于頻率選擇性衰落，MIMO技術卻是無能為力的。目前解決MIMO技術中頻率選擇性衰落的方案是結合OFDM技術，將頻率選擇性衰落轉換為載波上的平坦衰落。該技術實際上是MCM（多載波調制）中的一種。

因此，將MIMO技術與OFDM技術相結合而產生出的MIMO-OFDM技術，則能取長補短，相得益彰。其信號的處理過程是：在發射端將信號進行空時編碼，然后經OFDM調制后將信號同時從多個天線發射出去；在接收端利用多個接收天線接收信號，信號除作OFDM的解調外，還進行相應的空時解碼以還原信號。由于OFDM本身利用了信道的頻率分集，MIMO采用了空間分集和時間分集，因而MIMOOFDM技術同時具有了時間、頻率和空間3種分集技術，從而使系統抗干擾能力大大增強。利用MIMO-OFDM技術，不僅可大幅提升整個網絡的信息吞吐量，增大傳輸距離，而且提高了信號質量，使WLAN在性能上發生質的飛躍。

由于設備運行的環境復雜，我們對11個外圍點運用了不同的信號增益設備，經過反復試驗和現場調試，對外圍點距中心站小于3 km的設備加DB的增益天線；對外圍點距中心站大于3 km而小于5 km的設備加DB的增益天線；對外圍點距中心站大于5 km的設備加DB的增益天線。由于無線網絡信號穿越水面，根據時間的不同水面上空的水蒸氣密度差別也比較大，對信號傳輸的影響也比較大，因此，在早、中、晚等多時對中心站的頻率進行反復的調試設置，最終確定最優頻率使各點的視頻信號均能及時、清晰的傳輸到中心站。

2.3 避雷措施

由于棘洪灘水庫地處平原，周圍沒有高建筑群，所以戶外設備的避雷措施顯得尤為重要。首先，對設備所安裝的線桿頂端加上避雷針，防止雷直接落到配線箱上；其次，對配線箱內部做了3層避雷措施。電源線和由無線網橋傳輸下來的網絡線進入三合一避雷模塊，經過第一層隔離后，電源線再接入1∶1的隔離變壓器，最后接入避雷插排，供其他設備使用。

2.4 低照度攝像頭在微光下的效果調試

為了保證水庫的夜間安全，本系統所用的攝像機均為低照度攝像機，在白天或光源充足時為彩色攝像機，當夜晚降臨或光源不足時 （一般在1LUX～3LUX）即利用數位電路將彩色信號消除掉，成為黑白影像，且為之搭配了紅外線，亦拿掉了彩色攝像機不可或缺的紅外線濾除器，使它在微光下也能較為清晰的進行拍攝。通過實地的調試，對攝像頭的光圈不斷調整，使它能發現300 m以外的活動物體。若同時和管理房上的遙控探照燈配合使用，即能清晰觀測到500 m范圍的地域。

2.5 監控系統與其他安防設備的對接

無線監控系統作為整個水庫安防的核心，起到了至關重要的作用。水庫的安防還包括一個電子圍欄系統，上面帶有6 000 V高壓和1 000 V低壓的電脈沖。它不僅能對入侵者起到警示擊退作用，被觸發后還能由防區主機發出一個開關量信號，接入到監控配線箱內的解碼器上。此信號可通過無線網絡傳輸到中心站的服務器上，實現遠程的預警機制。