遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中時間同步的實現(xiàn)

趙棟棟，馮永浩，張 斌

(空軍工程大學 信息與導(dǎo)航學院，陜西 西安710077)

責任編輯:任健男

對于導(dǎo)航設(shè)備的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過安裝在導(dǎo)航臺站內(nèi)的攝像機對導(dǎo)航設(shè)備及臺站內(nèi)的人員活動情況進行監(jiān)視，再通過連接的網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，將監(jiān)控信息通過Internet實時的傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的控制主機[1]。在信息傳輸?shù)倪^程中，如果信息的發(fā)送方和接收方的時間不同步將使得監(jiān)控中心不能夠準確地了解導(dǎo)航臺站的實際情況，極大地削弱了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的性能，為了實現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)各個節(jié)點之間的時間同步，筆者利用現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)資源，結(jié)合當前網(wǎng)絡(luò)上常用的對時協(xié)議設(shè)計了針對視頻監(jiān)控系統(tǒng)的時間同步方案，該方案能夠順利解決監(jiān)控系統(tǒng)每個節(jié)點之間時間不同步的問題。

目前，因特網(wǎng)上使用的NTP3.0協(xié)議的同步精度已達到了毫秒級，足以滿足導(dǎo)航設(shè)備的視頻監(jiān)控系統(tǒng)對于時間精度的要求，而正在測試的NTP4.0的同步精度還將達到微秒級。同時，NTP的應(yīng)用創(chuàng)新也不斷涌現(xiàn)，文獻[2]和文獻[3]探討了如何將NTP應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。文獻[4]探討了NTP協(xié)議在變電站中的應(yīng)用，而本文則將NTP協(xié)議引入了網(wǎng)絡(luò)化遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

1 監(jiān)控系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

導(dǎo)航設(shè)備的視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過設(shè)置網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器使得信息能通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由3個部分構(gòu)成，包括采集現(xiàn)場、通信線路、監(jiān)控中心[5]。采集前端將被監(jiān)控的所有實時視頻模擬信號經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器壓縮編碼后通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，在監(jiān)控中心放置有大量的服務(wù)器，可以完成對視頻圖像信號的處理以及監(jiān)控錄像的存儲，經(jīng)過處理后的視頻信息在監(jiān)控屏幕上顯示，供監(jiān)控人員查看。此外，系統(tǒng)采用H.264高壓縮技術(shù)，提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸效果，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)傳輸速度，提高播放畫質(zhì)，減少了網(wǎng)路延時。在監(jiān)控系統(tǒng)中，還含有導(dǎo)航臺站的基本信息，當監(jiān)視到某個臺站出現(xiàn)問題時，可以很快地聯(lián)系到該臺站的負責人，在很大程度上縮短了解決故障的時間，該視頻監(jiān)控系統(tǒng)還具有一定的可擴容性，若需要將新的導(dǎo)航臺站納入監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)，則在服務(wù)器端添加相應(yīng)的導(dǎo)航臺站的信息以及使用的監(jiān)控設(shè)備的信息即可。

1.1 采集前端

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

采集前端安裝在導(dǎo)航臺站內(nèi)，主要由攝像頭、云臺、網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器、錄像服務(wù)器、電話線以及雙絞線構(gòu)成，還可以配備報警設(shè)備。負責對設(shè)備現(xiàn)場的視頻信息采集、數(shù)模轉(zhuǎn)換、編碼以及傳輸?shù)裙ぷ鳎W(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器運用嵌入式技術(shù)，包含嵌入式操作系統(tǒng)和以太網(wǎng)口，將攝像頭的視頻控制線接入網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器便可通過以太網(wǎng)口接入以太網(wǎng)，原始視頻信號傳到網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，經(jīng)過編碼之后，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。在采集前端還利用錄像服務(wù)器保存一定時間段內(nèi)的本地視頻監(jiān)控錄像資料，能夠方便地查詢、取證，為事后調(diào)查提供依據(jù)。

1.2 通信線路

通信線路指監(jiān)控信息傳輸?shù)耐ǖ溃瑫r，NTP協(xié)議也利用通信線路傳輸NTP數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)采集前端的網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器和監(jiān)控中心的服務(wù)器的時間同步，通信線路主要由電話線、雙絞線、視頻電纜等組成。為了保證傳輸?shù)男畔⒌陌踩裕谕ㄐ啪€路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)全部經(jīng)過加密。

1.3 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心負責整個視頻監(jiān)控系統(tǒng)的指揮和控制，是整個系統(tǒng)的核心所在[6]，硬件設(shè)備包括電視墻、監(jiān)控終端、控制計算機、路由器、交換機、打印機等，監(jiān)控終端包括固定監(jiān)控終端和移動監(jiān)控終端。在監(jiān)控中心內(nèi)，遠程視頻監(jiān)控人員可遠程任意調(diào)取導(dǎo)航臺站的服務(wù)器存儲的監(jiān)控圖像，并可遠程發(fā)出控制指令，對錄像資料進行檢索、回放，以及調(diào)整攝像機鏡頭的焦距、控制云臺進行巡視等操作，既可對整個臺站的內(nèi)部環(huán)境進行巡視，也可拉近鏡頭對設(shè)備的細節(jié)部分進行觀察。

2 NTP協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議是一種通過因特網(wǎng)服務(wù)于計算機時鐘的同步時間協(xié)議，它提供了一種同步時間機制，使用的是可返回時間設(shè)計方案，其特點是:時間服務(wù)器是一種分布式子網(wǎng)，能自我組織操作，分層管理配置，經(jīng)過有線或無線方式同步邏輯時鐘達到國家標準時間[7]。

2.1 NTP的拓撲圖

NTP的同步拓撲圖如圖2所示，每個時間服務(wù)器都有一個變量用于指示其在拓撲圖中的層次，其中，A1和A2為頂層時間服務(wù)器，通過廣播、衛(wèi)星等手段與UTC時間進行同步。B1和B2為第二層的時間服務(wù)器，可選擇某個頂層服務(wù)器作為時間源，并通過NTP協(xié)議與選定的時間源進行同步。其他則為客戶機，客戶機可選定一個或多個的上層服務(wù)器進行同步。NTP的可靠性就在于時間獲取路徑的多樣性。但是，隨著離頂層服務(wù)器距離的增加，同步精度也會隨之增大[8]。

圖2 NTP協(xié)議的拓撲結(jié)構(gòu)

2.2 NTP協(xié)議工作原理

NTP協(xié)議采用客戶、服務(wù)器模式，客戶機和服務(wù)器的通信采用UDP協(xié)議，端口為123，服務(wù)器A向客戶機B授時的原理如圖3所示。

圖3 NTP工作原理示意圖

時間同步過程包括以下5個步驟:

1)B生成一個NTP數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包發(fā)送至A，包中記錄了發(fā)送數(shù)據(jù)包的時刻T1;

2)A收到該數(shù)據(jù)包后，記錄當前收到包的時刻T2，其中θ是A和B的時間偏移

3)A產(chǎn)生一個回復(fù)的NTP包，包中包含有T1，T2，T3共3個時間戳，其中T3是服務(wù)器B產(chǎn)生并發(fā)送NTP包的時刻;

4)B接收到A返回的NTP包，記錄收到包的時刻T4

5)主機B計算NTP消息來回一個周期的時延M=(T4-T1)-(T3-T2)，M=M1+M2，M1即為請求信息在網(wǎng)上傳播的時間，M2為回復(fù)信息在網(wǎng)上傳播的時間，并計算NTP時間偏移θ=[(T2-T1)+(T3-T4)]/2，在經(jīng)過和多個服務(wù)器時間同步過程后，便可通過統(tǒng)計平均篩選出最合理的，并以這個最合理的時間偏移來修正客戶機的時間。

2.3 NTP體系結(jié)構(gòu)

NTP的硬件實現(xiàn)過程見圖4，多個不同的時間服務(wù)器從不同路徑提供時間服務(wù)，鑒相器則對本機時間和來自時間服務(wù)器的時間進行比較，得出偏移數(shù)據(jù)，將其送入時間過濾算法，通過時間過濾算法選擇其中最優(yōu)的一組數(shù)據(jù)，之后，再由時間組合算法對選定的時間偏移數(shù)據(jù)進行加權(quán)平均，所得的結(jié)果可認為是本地時間與頂層服務(wù)器時間的偏移。而相位/頻率偏移則可計算出相位偏移和頻率偏移，并對時間和振蕩器的控制電壓進行調(diào)整。通過反復(fù)執(zhí)行上述過程，使得本地時間和選定的時間源達到同步[9]。

圖4 NTP協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)

2.4 NTP協(xié)議的應(yīng)用

當采集前端的網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器想要通過NTP協(xié)議與機場監(jiān)控中心的主服務(wù)器進行時間對準時，選擇以監(jiān)控中心的服務(wù)器作為時間源，監(jiān)控中心的時間既可通過衛(wèi)星授時得到國家標準時間，也可繼續(xù)向上層服務(wù)器進行時間同步。進行時間對準的時候要根據(jù)實際的應(yīng)用環(huán)境以及所要求的時間同步的精度等指標來確定進行時間對準的周期是多少，視頻監(jiān)控系統(tǒng)對于時間精度要求比較高[10]，可以每日進行一次時間對準。

3 實驗測試

筆者選用了Microsoft Visual C++6.0軟件運行C程序來對本設(shè)計中的NTP協(xié)議的實現(xiàn)過程進行實驗測試。實驗結(jié)果如圖5和圖6所示，圖5模擬的是作為請求同步的客戶機，圖6模擬的是作為時間源的服務(wù)器。

圖5中第一行“Sucessed sendto sock=132，data lenth=64”，表示客戶端已經(jīng)成功發(fā)送了申請時間同步的NTP數(shù)據(jù)包，并在該數(shù)據(jù)包中加上了當前發(fā)送數(shù)據(jù)包的時刻，而圖6的第一行顯示的是“接收到數(shù)據(jù)”，表示服務(wù)器已經(jīng)成功接收來自客戶機的數(shù)據(jù)包。服務(wù)器再對數(shù)據(jù)包進行處理，圖6中第三行“Sucessed sendto sock=132，data lenth=64”表示服務(wù)器已經(jīng)成功發(fā)送給客戶機一個經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)包，圖5中第二行“接收到數(shù)據(jù)”表示客戶機已經(jīng)成功接收到服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)包，客戶機對數(shù)據(jù)包上的時間戳進行計算處理后便可得出時間差，即時間偏移數(shù)據(jù)，在經(jīng)過多次的時間同步過程后，便可通過統(tǒng)計平均選出最優(yōu)的一組數(shù)據(jù)來對客戶機的當前時間進行修正。

4 結(jié)論

對于導(dǎo)航設(shè)備的遠程監(jiān)控系統(tǒng)彌補了單純的信號監(jiān)控的不足，能夠從外部對臺站的整體情況進行監(jiān)視，有利于在導(dǎo)航設(shè)備出現(xiàn)故障時，迅速全面地了解故障原因，將監(jiān)控系統(tǒng)連接Internet進行信息的傳輸，增加了信息傳輸?shù)木嚯x以及安全性。此外，在解決時間同步的問題時，還可利用網(wǎng)絡(luò)資源，結(jié)合NTP協(xié)議設(shè)計了時間同步方案，該方案經(jīng)濟有效，設(shè)計合理。實驗測試證明，現(xiàn)有NTP3.0的毫秒級的精度已滿足導(dǎo)航設(shè)備的視頻監(jiān)控系統(tǒng)對于時間精度的要求。

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