基于網絡的視頻監控平臺設計與實現

楊陽

【摘要】針對傳統的視頻監控系統在實際應用中的不足，本論文結合工業以太網詳細探討了基于網絡的視頻監控平臺的設計與實現，首先分析了系統的設計原則，對系統進行了功能需求分析，在此基礎上重點給出了基于網絡的視頻監控平臺系統的設計方案，從網絡結構設計、系統層次設計和系統軟件配置三個角度詳細論述了系統的實現方案，對于進一步提高基于工業以太網的遠程視頻監控系統的應用管理具有較好的指導和借鑒意義。

【關鍵詞】網絡平臺視頻監控遠程監控

一、引言

隨著網絡通信技術的發展，自動化控制系統的要求也越來越高，從過去的集散式自動化控制發展到分布式自動化控制，再發展到目前流行的現場總線自動化控制，以及逐步成為趨勢的工業以太網自動化控制，目前基于網絡實現的遠程無人值守自動化控制逐步得到了廣泛的關注、研究和應用。由于網絡帶寬的擴充，使得基于網絡的遠程無人值守成為了可能，但是這也對監控平臺提出了更高的要求，除了傳統的依靠傳感器監測機電設備的生產狀態、工作狀態之外，還必須要對整個環境實施全方位的監控，因而視頻監控也要實現基于網絡化的遠程控制。

過去傳統的視頻監控都是就近接線實現就近監控，隨著數字化管控、一體化管控概念的提出，遠程視頻監控也逐漸成為了當前安全監控、自動化監控的必然需求，因此，如何基于以太網構建遠程視頻監控系統，是當前遠程監控系統必須要解決的技術問題之一。本論文主要結合工業以太網的實際功能，對基于網絡的視頻監控平臺展開系統的分析設計與研究，以期能夠從中找到面向網絡的遠程視頻監控系統的設計應用方法，并以此和廣大同行分享。

二、基于網絡的視頻監控平臺的總體分析

2.1設計原則

基于網絡實現的遠程視頻監控平臺，在設計時除了要滿足其基本的視頻監控功能外，還必須結合實際的應用需求進行設計，確保功能滿足的同時實現最佳的經濟效益，為此，需要確立以下幾個設計原則：（1）先進性。基于網絡的視頻監控系統必須要足夠先進，要能夠滿足當前網絡系統、視頻監控設備的接口類型，整體采用性能優良的監控裝備，確保整個系統在相當一段時間內能夠保持領先的水平。（2）可靠性。從系統設計、部件選型、系統裝配、軟硬件配置等各個角度入手，都要確保系統的高可靠性，在任何惡劣環境以及網絡資源有限的情況下，監控系統都能夠穩定可靠工作。（3）方便性。整個監控管理界面應當具有良好的人機交互性，即使不具備計算機操作知識的人員依然能夠方便的實現遠程視頻監控和相關數據記錄的查閱、調取和管理，同時從系統的后期維護保養的角度來說，也要方便整個系統的維護和維修。（4）擴展性。系統除了要滿足當前的監控功能外，還必須設計一定的功能冗余，一方面要能夠實現將來新監控設備的補充，以實現新的監控功能；另一方面還要設計適當的擴容接口，以滿足系統日后的升級，包括更換更新的設備、網絡擴容以及增加其他必要的控制模塊等。

2.2功能需求分析

（1）圖像視頻監控功能。基于網絡的遠程視頻監控平臺，首要功能自然是圖像視頻監控功能，該平臺系統應當能夠提供24小時不間斷的視頻監控功能，同時自動存儲圖像視頻資料，以供后期查閱和調用管理。（2）數據管理功能。對于存儲的圖像視頻數據，應當按照時間節點自動存儲管理，通過所設計的數據庫管理軟件能夠對龐大的視頻圖像數據方便的進行直接管理，按照用戶的管理需求進行數據管理。（3）用戶安全管理功能。由于視頻監控系統實現了網絡化和遠程化，因此系統的網絡安全性必須要著重設計，確保整個網絡系統的安全，對于用戶登錄的權限，也必須加強管理，確保實現不同權限等級的用戶擁有不同的數據管理功能。

三、基于網絡的視頻監控平臺的實現

3.1系統網絡結構設計

（1）網絡介質的選擇。現在網絡鋪設的介質主要有雙絞線、同軸電纜和光纖。目前雙絞線應用的已經比較少了，同軸電纜在遠距離傳輸方面并沒有突出的優勢，而光纖目前是主流的網絡傳輸介質，一方面因為光纖傳輸速率快，失真少，更重要的是光纖傳輸尤其適合應用于遠程監控，況且視頻圖像監控所形成的視頻數據都是大流量數據，極易造成網絡的擁塞，而采用光纖作為傳輸介質，極大的避免了網絡擁塞的發生。（2）網絡拓撲結構的選擇。網絡拓撲結構一般有星型結構、樹型結構、網狀結構、環型結構以及總線型結構等。各種類型的網絡物理拓撲結構的性能對比見下表1。從表1可見，環型網絡拓撲結構適宜應用于遠程視頻監控系統，而且環形網絡由于具有鏈路冗余功能，因此能夠確保遠程視頻監控系統的穩定可靠運行。

3.2系統層次分析

基于網絡的遠程視頻監控平臺系統，從前端攝像頭到后臺控制中心，其網絡架構層次設計如下：（1）網絡攝像頭層。作為遠程視頻監控平臺的最前端，采用網絡攝像頭的最大好處是避免了因接口轉換而帶來的成本上升的問題，直接采用RJ45接口將攝像頭拍攝到的視頻圖像畫面以通用的TCP/IP網絡傳輸協議進行傳輸，簡化了網絡層次和結構。（2）網絡傳輸層。采用光纖構建的千兆工業以太網是整個遠程視頻監控平臺系統的關鍵部分，承擔著視頻圖像數據的網絡傳輸。在網絡傳輸層，網絡傳輸平臺通過環形拓撲實現控制網絡冗余連接，即控制網上任何一點的單一鏈路連接意外斷開，系統都能通過環網的反方向提供后備鏈路，保證系統可用性的同時兼顧經濟性，環網主干鏈路全部采用單模光纖，保證故障切換時間均<300ms，以提高網絡傳輸的可靠性和可用性。（3）網絡管理服務器層。網絡管理服務層主要是由各種網絡中間設備和服務管理設備構成，如路由器，視頻采集設備、服務器等，該網絡層的主要目的是實現對視頻圖像的采集和還原，同時依靠服務器對視頻圖像數據進行管理，以滿足用戶終端顯示層對視頻圖像數據的調用和管理。（4）終端顯示層。終端顯示層采用專用的視頻監控管理軟件，對經過網絡傳輸過來的遠程視頻畫面實施監視和畫面切換功能。根據用戶的需要，對不同監視點進行實時監視和切換；同時，還能夠實現對遠程攝像頭進行遙控功能，即對各監視點攝像設備的光圈、焦距以及云臺進行控制。此外，一些輔助控制操作也是必須的，包括燈光的開停，告警裝置的設防、撤防與解除等。

3.3系統軟件配置

（1）終端顯示層程序。作為遠程視頻監控平臺系統的終端，其顯示程序采用了人機交互性友好的組態軟件進行開發，能夠借助于三維圖形逼真的還原監控現場的場景；另一方面，該顯示程序除了要能夠實現不同視頻攝像頭監測畫面之間的切換，還必須要能夠對畫面進行存儲管理。下面重點分析視頻采集程序的實現。（2）視頻采集軟件子程序。視頻采集模塊主要是通過相關函數接收來自攝像頭傳輸過來的視頻信息。在程序設計中調用ReadStreamData（HANDLE hChannelHandle，void* DataBuf， DWORD*Length，int* FrameType）函數來讀取參數hChannelHandle對應的視頻通道的音視頻數據流，并按照參數Length指定的緩沖區大小，將數據流讀取到數組DataBuf中，同時返回當前讀取的數據流的幀長度。這樣系統就可以對數組中的數據流信息進行后續的處理，如本地音視頻的預覽等。

四、結語

由于圖形視頻監控具有直觀、醒目的特點，因此在現代化的自動化控制系統中逐漸凸顯出特殊的監控作用，對于確保整個生產環境的安全具有至關重要的作用。基于工業以太網實現的遠程視頻監控平臺，是將遠程測控技術和計算機網絡通信結合的又一個典型應用，本論文重點針對遠程視頻監控平臺的結構與實現，給出系統的設計和實現方案，對于其他技術領域內應用遠程視頻監控技術提供了很好的范本，是值得推廣應用的。

參考文獻

[1]王海洋.高速公路無線視頻監控淺析.中國交通信息產業，2009，（11）：88

[2]吳寧，羅安，雷震.基于流媒體技術的智能視頻監視系統.自動化儀表，2007，28（7）：35-38

[3]張宗念.圖像、視頻壓縮編碼方法以及網絡實時視頻監控的研究.廣州：華南理工大學博士學位論文，2000

[4]李彬，麥崇裔，梁杰申.工業控制網絡應用系統集成的設計與開發.計算機應用，2004，24（6）： 392-393

[5] Tieshan Zhao， Zengzhi Li， Zemin Wang， et al. High Safety Gas-supplying Control System Development Based on Ring-redundant Industrial Ethernet[C]. Intelligent Systems Design and Applications， ISDA 06. Sixth International Conference， 2006， （2）： 78 -81.

[6]康軍，戴冠中.工業以太網遠程監控系統設計.計算機工程與設計，2005，26（6）：1633-1636