基于無線網橋的監控方案

李玉桃

摘 要：在目前的網絡監控設備連接中，有線網絡存在諸多缺點，例如有限的網絡接入點限制了網絡的靈活性和便捷性，網線、光纜的維護成本高而不便于網絡擴展，3G費用昂貴且帶寬有限，臨時建筑重復布線等。為了實現系統的移動自由、布線容易、組網靈活，將無線網橋應用到監控系統中實現無線監控已經成為一種新趨勢。

關鍵字：無線監控系統 無線網橋

中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）05（C）-0000-00

一、緒論

隨著監控系統的分布范圍越來越廣，有線網絡的覆蓋能力及傳輸能力已不能滿足，無線監控應運而生。以廠區無線監控為例，高清攝像機作為前端、無線網橋作為傳輸，可以避免到處布線的問題，即高清攝像頭的安裝不受布線的限制，這樣就大大減少了布線的工作量和布線錯誤的危險，同時也可以擺脫線纜長度和信號衰減的限制。本文將重點研究無線網橋的實際應用，進而延伸至以無線網橋為傳輸的無線監控。

二、監控系統

典型的電視監控系統主要由前端監視設備、傳輸設備、后端控制顯示設備組成。前、后端設備有多種構成方式，它們之間的傳輸可通過有線網絡（電纜、光纜）或無線網絡等多種方式實現（圖1），即形成了有線監控系統和無線監控系統。

2.1無線監控系統的優勢

與傳統的有線監控系統相比，無線監控系統具有如下優勢：

（1）增加或變更監控點，無需布監控線且安裝簡單，擴展性好；

（2）跨馬路，無需挖溝埋管，釘槽架線，節省安裝成本，特別適合大范圍、遠距離監控，例如煤礦、鋼鐵冶煉等惡劣環境；

（3）全數字錄像方便于回放和檢索，用戶可對錄像進行播放、定位及快放、慢放等操作；

（4）除保安監控外，電腦、手機可以進行遠程監看，并且可以設置用戶權限和查看范圍；

（5）清晰度高，傳統監控通常采用CIF分辨率，無線監控可采用D1、高清720P或1080P。

2.2無線監控系統結構

（1）模擬攝像機+硬盤錄像機+無線網絡

模擬攝像機組建的視頻監控系統的視頻信號傳輸，一般都需用硬盤錄像機對信號進行處理傳輸（圖2）。

通過圖像傳感器，對圖像信號進行采集并數字化，在專用的DSP芯片里進行一些圖像處理后，編碼成CVBS模擬信號進行傳輸，CVBS即復合視頻信號，通過同軸電纜進行傳輸，后端的DVR（硬盤錄像機）產品通過視頻解碼器，對模擬視頻進行模數轉換，編碼成數字信號進行處理并輸出（圖3）。

這種數字到模擬，從模擬到數字的來回轉換，帶來了諸多的問題，目前安防工程中的一些缺陷即來自于這個模型，主要的問題有：圖像進行模數、數模轉換后，圖像質量受損；圖像分辨率固定為PAL或NTSC，無法滿足更高清晰度、更高分辨率的監控要求；視頻信號動態范圍較小，難以滿足各種特定要求的需求，比如低噪聲、寬動態、高幀率等需求；無法實現分發、共享等需求。而且即使模擬信號能通過無線網絡實現長距離傳輸，信號也會由于衰減嚴重而受干擾，圖像質量不佳。

（2）網絡攝像機+無線網絡

網絡攝像機的CMOS感光器內置了AD轉換，光信號進入，數字信號輸出，即從信號采集、處理、傳輸、存儲等環節，采用全數字化的處理技術（圖4），這樣就不會因模擬和數字之間來回轉換帶來圖像質量的損耗。

網絡攝像機是一種結合傳統攝像機和網絡技術所產生的新一代攝像機，他可以將影像通過網絡傳至另一端，且遠端的瀏覽者不需用任何專業軟件，只要標準的網絡瀏覽器即可監視其影像。網絡攝像機內置一個嵌入式芯片，采用嵌入式實時操作系統。攝像機傳送來的視頻信號數字化后由高效壓縮芯片壓縮，通過局域網、internet、無線網絡傳送到Web服務器。網絡上用戶可以直接用瀏覽器觀看Web瀏覽器上的攝像機圖像，授權用戶還可以控制攝像機云臺鏡頭的動作或對系統配置進行操作。

成熟的網絡視頻監控系統有網絡硬盤錄像系統、局域網傳輸硬盤錄像系統、廣域網傳輸硬盤錄像系統。如果各個分支網絡距離較遠且布線困難，則可以采用無線鏈路實現。

（3）無線網絡攝像機

隨著無線網絡技術的成熟，無線網絡攝像機也開始在安防監控系統中開始逐漸使用。

無線網絡攝像機即通過無線傳輸的網絡攝像機，與普通網絡攝像機的區別在于傳輸方式。其中無線網絡攝像機有兩種，一種是應用于局域網的無線wifi網絡攝像機，一種是通過3G網絡傳輸的無線3G網絡攝像機。

無線網絡攝像機一般由鏡頭、圖像傳感器、聲音傳感器、A/D轉換器、編碼器、圖像聲音控制器、網絡服務器、外部報警、控制接口等部分組成。其工作原理是：圖像信號經過圖像傳感器（CMOS或CCD）及聲音經過聲音傳感器（拾音器或麥克風），A/D轉換器將模擬信號轉換為數字信號，通過編碼器按一定的格式或者標準進行編碼壓縮，在控制器的管理、控制下，由網絡服務器按照RTP/RTCP、UDP、HTTP、TCP/IP等相關網絡協議送上局域網或INTERNET，同時控制器還可以接收報警信號及向外發送報警信號，且按要求發出控制信號。

以3G網絡為傳輸方式，直接為前端設備加無線模塊的監控方式，其最大劣勢是需向運營商支付傳輸運營費用，而且這種費用即便采用包月方式，長期算下來，資費也是相對高的。以wifi為傳輸方式的無線網絡攝像頭在使用中性價比更好，但是傳輸距離有限。如果要求遠距離傳輸，無線網絡攝像頭并不是最佳選擇。

三、基于無線網橋的無線傳輸系統所

無線網橋即無線網絡的橋接，可在兩個或多個網絡之間搭起通信的橋梁。它可以用于連接兩個或多個獨立的網段，這些網段通常位于不同建筑內或較大廠區。無線網橋除了具備上述特點外，無線網橋工作在2.4G或5.8G的免申請無線執照頻段，比其它有線網絡設備更方便部署。無線網橋從通信機制上分為電路型網橋和數據型網橋。其中數據型網橋采用IP傳輸機制，接口協議采用橋接原理實現，組網靈活且成本低廉，多用于網絡數據傳輸和監控類圖像傳輸。無線網橋在無線監控系統中最常見的應用方案有點對點方式、中繼方式、點對多點方式。

3.1點對點方式

可用來連接兩個分別位于不同地點的網絡，一般由一對無線網橋組成。該對網橋應設置成相同的頻道，無線網橋支持同步信道的功能，只需改變一方的頻道，另一方便會自動改變到相應的頻道。在相距較遠的兩點間，為了取得更好的傳輸效果，則需內置增強型雙極化自適應技術，這將擴大無線網橋的傳輸距離和在相同環境下多個設備之間的相互干擾，具體地可以在樓頂分別放置一臺無線網橋和定向天線，兩地的無線網橋分別通過饋線與本地天線連接后，兩點的無線通訊就可迅速搭建起來。其中一樓頂通過網絡硬盤錄像機回傳網絡攝像機在該樓的視頻信號（圖5）。

3.2中繼方式

當需要連接的兩個局域網之間有障礙物遮擋而不可視時，可以考慮使用無線中繼的方法繞開障礙物，來完成兩點之間的無線橋接。無線中繼點的位置應選擇在可以同時看到左面監控中心的位置與右面監控點的位置，中繼無線網橋連接的兩個定向天線分別對準兩邊的定向天線，無線網橋的通訊通過中繼無線網橋來完成。構建中繼網橋可以有兩種方式：

（1）單個無線網橋作為中繼器和兩個無線網橋背靠背組成中繼點。單個無線網橋可以分別通過功分器連接兩個定向天線或者一個全向天線。由于雙向通訊共享帶寬的原因，對于對帶寬要求不是很敏感的用戶來說，此方式是非常簡單實用的；

（2）采用背靠背兩個處于不同頻段的無線網橋工作，這種模式對帶寬要求較高的用戶，可保證高速的無線鏈路通訊（圖6）。

3.3點對多點方式

點對多點的無線網橋能夠把多個離散的遠程網絡連成一體，結構相對于點對點無線網橋來說較復雜。點對多點無線網橋通常以一個網絡為中心點發送無線信號，其他接收點進行信號接收。中心點的天線在不同的項目中會采用不同的中心天線配置方案：

（1）全向天線： 全向天線將信號均勻分布在中心點周圍360度全方位區域，其最大增益無法做到很大，但是在安裝部署兩點之間位置時不需要考慮兩端天線安裝角度的問題，所以安裝起來比較方便，適用于鏈接點距離較近，分布角度范圍大，且數量較多的情況；

（2）扇面天線：扇面天線具有能量定向聚集功能，可以有效地進行水平180度、120度、90度、60度范圍內的覆蓋，因此如果遠程鏈接點在某一角度范圍內比較集中時，可以采用扇面天線；

（3）定向天線：定向天線的能量聚集能力最強，信號的方向指向性極好，可以將增益做到很高，一般方向性越尖銳的天線增益越高。因此當遠程鏈接點數量較少，或者角度方位相當集中時，采用定向天線是最為有效的方案。但是方向性過于尖銳的天線在安裝和調整的難度很大，必須對準特定角度才能保證信號的傳輸；

（4）組合天線：上述三種天線各具一定的特性，因此在實際項目中，經常會出現組合使用的情況，例如利用多幅扇面天線，或者扇面天線和定向天線相結合使用。

遠程鏈接點通常會使用定向天線，通過精確的天線角度定位和設備自帶的調試指示燈對準中心點天線，進行無線信號接收，完成無線橋接。

四、基于無線網橋的監控系統

以上基于無線網橋的監控系統均采用了二級架構系統，前端監控網點、集中監控總中心。該方案所有圖像都是通過無線網橋經由無線網絡傳輸，通過網絡監控服務器實現多臺客戶端機器同時監控。這種方式可以將所有遠端圖像集中至中心監控，徹底實現前端無人值守。

4.1監控前端

（1）攝像機將數字化視頻圖像數據進行錄像傳輸到監控中心；

（2）接收監控中心的遠程指令，根據指令要求切換視頻源或對云臺和鏡頭等監控設備或其它開關設備進行控制；

（3）在監控前端，操作員能手動選擇切換本地的任一攝像機作為監視視頻源；能控制該監控前端的所有云臺、鏡頭及燈光等設備；

（4）自動報警，監控前端無論處于何種狀態，當該前端的某一監控點有報警信號時，自動將視頻輸入切換到該報警點，并立即把報警信號及圖像傳送到監控中心，監控中心啟動錄像。

其中后面三項功能都是網絡存儲服務器（NVR）實現的，它集中了對影像資料的管理、存儲碼流的分配、對網絡攝像頭的管理與設置、報警聯動、用戶權限認證與管理、WEB流媒體視頻點播服務等多種功能，能夠保證系統中的高清視頻圖像進行實時安全穩定的存儲，并提供各種完善的網絡接口，提供強大的網絡遠程設置、配置、視頻點播、視頻回放服務。

4.2通訊網絡

（1）網絡結構

遠程監控前端的硬盤錄像機通過交換機連接在一起，所有監控前端需要傳輸到監控中心的數據，經過交換機后，通過無線網橋傳輸到監控中心。監控中心本地監控前端通過交換機，接入中心圖像監控局域網，不需任何其它協議轉換設備。

（2）網絡性能

無線網橋提供接入點（AP）、點對點、中繼、點對多點、無線客戶端、無線分布式客戶端、多VLAN支持等無線功能，同時無線應用，具有無線漫游、虛擬AP等無線功能。可以實現全方位自動掃頻，依周圍無線環境狀況，自動掃描選擇最佳信道，同時可以雙向自適應調制，自動調節無線鏈路質量，優化了頻譜利用率解決信號衰減。網絡結構具有良好的可擴展性，可以根據日后的需要靈活地增加配置。網絡提供多種方式的接口，可方便地與現有設備相連，避免資源浪費，可以使用遠距離POE供電，布線靈活。無線網橋一般是基于WEB遠程管理或SNMP管理，支持配置文件導入/導出及軟件升級。同時具有多項安全措施，支持WEP、WPA、AES、TKIP和802.1X等。

這種設備一般應用于有線線路難以布線的環境，臨時工作的大型場所，頻繁改動環境位置的場所，需要做冗余備份線路的場所等。

4.3監控中心

監控中心由建立在高性能控制系統和高性能網絡交換基礎上的綜合管理平臺系統，主要由控制服務單元和客戶端單元組成。其中控制服務器單元具有管理服務、目錄服務、轉發服務等功能；客戶端單元由瀏覽器、播放器、管理工具等組成。其功能如下：

（1）實時監控

在客戶端上可以進行1～36分割的多畫面顯示，每個畫面都可以任意切換系統中的圖像；可以依據地域、重點區、管理權限等原則將實時圖像進行分組，通過巡視組或手動的方式隨時進行實時圖像的調閱；可以實現圖像自動輪巡，即用事先設定的觸發序列和時間間隔對監控圖像進行輪流顯示。

（2）錄像查詢

基于本地錄像和網絡錄像的特點，可分為本地錄像回放及網絡錄像回放兩種錄像檢索方式；可以通過時間、地點、攝像機編號、事件（移動偵測、報警錄像）名稱等進行檢索。

（3）報警聯動

系統具有視頻信號丟失的報警功能，報警信號可調用系統和用戶自定義的宏指令，并啟動相應的處置流程；可以通過模塊接口實現聲光報警，對同一重復報警進行自動過濾或通過手動臨時屏蔽不需要的報警；可以顯示全網所有監控點的報警狀態，包括開關量報警、移動偵測報警、外部傳感器報警、設備運行狀態報警等多種報警信息；可對報警信息進行詳細記錄，包括警源、報警類型、報警等級等。

（4）設備管理

平臺系統支持各類具備通信接口并提供通信協議的設備接入，所有的圖像資源實行統一編號、統一配置、統一調度和統一管理。管理員可以對系統中任何一種設備進行遠程批量讀取和配置，并可分別或分批調整設備的各類參數；系統具有對設備定時巡檢和校對時鐘的功能，巡檢內容包括網絡連接狀態、系統運行狀態、連接客戶端的數量以及設備廠商提供的運行狀態參數，將取得的數據存貯在日志中。

（5）計劃管理

依據系統圖像的特殊性，需要把所有的前端圖像進行存儲，平臺應用中提供計劃管理，可以進行錄像計劃設定，可以根據管理人員對每個攝像機錄像時間和質量的不同進行相應的配置；可以設置錄像時間，用于調配效用管理時間；可以通過報警計劃的設定來對相關的報警輸入進行報警的設定，包括圖像、音頻、文字等報警警告綜合輸出。

（6）系統維護

系統具備自檢、巡檢、故障診斷及故障弱化功能。在出現故障時，用戶可通過平臺軟件及時、快速地進行維護。通過平臺，整個系統動態環境一致性維護可以輕松實現，減輕系統維護工作量；系統自帶的實時日志可以讓管理人員通過日志窗口實時檢測系統的運行情況。

（7）系統集成

良好的系統架構，支持第三方系統在開發，可實現無縫集成；可根據本地業務平臺的接口規范進行開發，可與現有的系統進行對接。

除此之外，一些監控中心還具有如下特色功能：多屏顯示功能、屏幕點觸云臺控制、電子地圖、圖像增強、數字放大（屏幕PTZ）、精細時間條視頻回放、窗口輪訓、數字全景鏡頭拼接、“時間切片”視頻檢索、虛擬矩陣等、

五、總結

無線網橋可將分布于不同地點和不同建筑物之間的局域網設備連接起來，應用范圍廣泛、抗干擾能力強，帶寬高采用全天候防風、防雨、防雷、防曬、防塵、防震以及散熱設計，擁有超強的免維護特性，基于以太網供電技術，易于在室外安裝使用；由于無需鋪設專用饋纜，可減少傳輸損耗、縮短施工周期，降低施工成本，為無線監控系統的實現提供了可靠的、性價比極高的解決方案。

該方案采用無線網絡傳輸，可通過POE供電任意放置攝像頭，與3G手機結合，簡單構建移動遠程監控系統，為遠端的各個監控點進行安全防范、智能檢測、實時視頻監查、控制、存儲，特別是可在各種環境、氣候條件下對各監控體的運行狀態、外部環境進行監控、實現與聲光報警、入侵巡檢等第三方系統進行聯動。

參考文獻

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