基于電力線通信的戶外視頻監控網絡改造

母金文

(河北遠東通信系統工程有限公司，河北 石家莊 050081)

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基于電力線通信的戶外視頻監控網絡改造

母金文

(河北遠東通信系統工程有限公司，河北 石家莊 050081)

摘要：簡要介紹了寬帶電力線通信技術的特點和典型應用，分析了當前平安城市建設的大背景下傳統老舊戶外視頻監控網絡改造的必要性。針對常見電力線調制解調器產品使用中存在的問題和視頻監控的戶外使用特點，提出了一種低成本但有效的解決方案，不僅解決了低溫環境條件下電力線調制解調器產品無法正常工作的缺點，而且簡化了操作，提升了用戶體驗。

關鍵詞：電力線通信；視頻監控網絡；加熱控制

0引言

伴隨著計算機多媒體技術、編解碼技術、網絡傳輸技術、存儲技術與視頻監控應用的不斷融合，視頻監控的發展經歷了模擬視頻監控、數字視頻監控和網絡視頻監控幾個階段。

模擬視頻監控階段主要利用模擬攝像機采集視頻信號，通過同軸電纜傳輸給矩陣主機和磁帶式錄像機等記錄設備[1]。

數字視頻監控階段的特點是利用視頻壓縮板卡把模擬攝像機采集到的視頻信號進行AD轉換并編碼壓縮后在本地計算機硬盤中存儲[2]。

網絡視頻監控主要是利用嵌入式網絡硬盤錄像機(DVR)或者嵌入式視頻服務器(DVS)把經過編碼壓縮后的視頻信號IP化，接入網絡，實現視頻監控聯網[3]。

隨著平安城市建設的廣泛開展，交通、金融、商場和物業等行業視頻監控規模不斷擴大，視頻監控的聯網需求日趨顯著，現有的模擬視頻監控系統和數字視頻監控系統急需升級改造。為最大限度地保護用戶前期投資，節約成本，寬帶電力線通信技術是一個不錯的選擇[4]。

1寬帶電力線通信技術簡介

電力線通信技術(Power Line Communication，PLC)是利用電力線傳輸數據和語音信號的一種通信方式。發送時利用OFDM調制技術將用戶數據調制，在電力線上進行傳輸，接收端經過濾波解調得到原信號[5]。

早期PLC主要利用高壓輸電線路作為高頻信號的傳輸通道，局限于傳輸話音、遠程控制信號等，應用范圍窄，傳輸速率低。近年來PLC快速發展，傳輸速率大幅提高，被稱為寬帶電力線通信(Broadband over Power Line，BPL)，同時轉向采用低壓配電網進行載波通信，可以實現計算機聯網、Internet接入、小區安全監控、自動抄表和組建家庭局域網絡等。電力線通信技術利用現有電力線傳輸信號，無需布線，組網快速簡單便捷，成本低廉，同時數據可以加密，保障信息安全[6]。

2PLC視頻監控系統與問題

傳統的模擬視頻監控系統和數字視頻監控系統設備陳舊，技術落后，急需升級改造。攝像頭可直接更換成市場主流使用的網絡攝像頭，監控中心設備更換成高性能計算機，按照實際需求存儲設備可選用磁盤陣列或者網絡存儲(NAS)。PLC主要解決的是傳輸問題，使用的設備是電力線調制解調器(俗稱電力貓)，前期鋪設的供電電源線路可以繼續使用?，F在主流電力貓產品傳輸速率可達500 Mbps，配合千兆以太網網絡設備，傳輸高分辨率監控視頻信號毫無壓力。各個網絡攝像頭通過電力貓與電源線路連接，監控中心也使用一個電力貓把信號轉換成網絡接口信號，通過以太網交換機或者路由器等網絡設備與監控中心計算機連接。整個系統連接示意如圖1所示。

圖1　視頻監控系統連接示意

經過升級改造的視頻監控系統完全網絡化，數字化，便于對采集到的監控視頻做進一步分析處理，完成更多應用功能，提高系統的整體性能[7]。

視頻監控系統本身的應用特性決定了必然有部分監控點布置在戶外，環境條件惡劣，在北方冬季氣溫達到-20℃以下并不罕見，這個數值已經超出了商業級產品芯片的正常工作溫度范圍，很有可能導致設備無法正常啟動工作。同時，普通電力貓產品入網、退網，產生隨機密鑰等操作都是使用一個按鍵，通過按鍵按下的時間不同來區分，使用起來頗為不便。

3解決方案

針對上述問題，對普通電力貓產品進行改造，加入溫度監測電路和加熱電路，在低溫時對芯片進行預加熱，芯片溫度上升至正常范圍后停止加熱，從而實現設備低溫條件下正常工作[8]。

設計3個獨立按鍵分別完成3種不同操作，如表1所示，而且無需默數按鍵時間，只要按一下對應按鍵即可完成相應操作[9]。

表1　電力貓常用功能按鍵操作

經過改造的電力貓不僅在低溫條件下可以正常工作，而且大大提高了用戶使用的便利性。

4硬件設計

按鍵的設計很實用，但實現并不復雜，不做贅述。常見加熱方式有功率電阻加熱、印制板敷銅加熱等，電阻加熱功率較小且導熱不便，印制板敷銅導熱良好，但加熱功率更小。這里采用一種特殊的方法，場效應管(MOSFET)加熱。通常情況下MOSFET用于小信號的開關控制，或者電源信號的開關控制，對應有不同的封裝，比如SOT23、TO252等。為了獲得較大的發熱功率和較好的導熱效果，選用TO252封裝的大功率MOSFET。一般MOSFET的用法是利用它的開關特性，用柵極Gate(G)和源極Source(S)間的電壓控制源極S和漏極Drain(D)的通斷，源極S和漏極D導通時，導通電阻很小，一般為幾十mΩ，這樣消耗在場效應管上的功耗基本可以忽略。而這里恰恰相反，是為了讓場效應管產生盡可能多的熱量，所以要設法讓場效應管工作在非開關特性區域。這個區域的特性曲線在場效應管的數據手冊中是沒有的，只能實驗測試得出[10]。

選取內置溫度傳感器、模數轉換(ADC)和數模轉換(DAC)的處理器C8051F330，加熱用MOS管選擇N溝道場效應管FQD5N15。利用DAC在一個電阻上產生電壓可以變化的信號，把這個信號加到場效應管的柵極G和源極S之間，通過調整電壓大小，可以控制源極S和漏極D的導通程度，通過大小變化的電流，從而得到加熱需要的功率。采用這種方法加熱，優點是可以獲得較大的發熱功率和較好的導熱效果，而且發熱功率連續可調，不是突變的。DAC精度為10 bit，檔位選擇1 mA，電阻選擇2.49 kΩ，那么控制電壓調整精度為：

2.49 kΩ*1 mA/1010=2.4 mV

通過實測，這個精度可以滿足設計需要。

加熱電路原理如圖2所示。

圖2　加熱電路原理

圖2中，51 mΩ的電阻可以用來檢測電流大小。實測結果顯示，常溫條件下柵極G和源極S之間電壓Vgs=1.9 V時，流過漏極D和源極S的電流Id大約為160 mA，加熱電源電壓為12 V的話，加熱功率為2 W。

5軟件設計

加熱時間是一個很重要的參數，設備必須能在較短的時間內完成預加熱，然后啟動開始工作。該設計中加熱電路的控制采用模糊控制技術，把用戶設定的芯片能正常工作的溫度下限值與電力貓芯片溫度的檢測值相減得到一個偏差值，將這個差值按照百分比分成5個范圍，定義成5個模糊量，對應大小不同的5種加熱功率。溫度低于設定值越多，加熱功率越大，使加熱時間盡量縮短[11]。

需要注意的是開始加熱后，隨著MOS管本身溫度的升高，流過同樣大小的電流需要的控制電壓Vgs減小，為此，引入加熱電流檢測值作為反饋控制Vgs電壓，使當前加熱功率盡量保持穩定可控。軟件的主要工作是這個部分的程序設計[12]。

主要流程如圖3所示。

圖3　主要程序流程

6熱傳導設計

另外熱傳導設計也不容忽略，通過安裝導熱膠墊，并配合緊固螺柱，使加熱器件(場效應管)、測溫器件(內置溫度傳感器的處理器)和受熱器件(電力貓模塊上的芯片)緊密接觸，盡量減小熱阻[13]，如圖4所示。

圖4　熱傳導設計示意

需要注意的是緊固螺柱的尺寸應盡量精確，避免電路板和模塊變形。

7結束語

該設計用較低的成本解決了常規電力貓產品低溫無法正常啟動的問題，并創造性地改善了電力貓用戶使用體驗。改進后的電力貓產品已成功應用于某社區的模擬視頻監控系統升級改造，工作穩定，性能良好，取得了較好的經濟效益和社會效益。

參考文獻

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Improvement of Outdoor Video Surveillance Network Based on Power
Line Communication Technology

MU Jin-wen

(Hebei Far-east Communication System Engineering Co.,Ltd,ShijiazhuangHebei 050081,China)

Abstract：The specifications and typical application of broadband power line communication technology is introduced briefly,and the improvement of the old outdoor video surveillance network is necessary under the background of safe city construction.As the usual PLC modem has some inconveniences in configuration,and the video surveillance equipments are often installed outside the building,a low-cost but effective solution is proposed in this paper.This solution not only solves the problem that the PLC modem can’t operate normally in low temperature condition,but also simplifies the operation and promotes user’s experience.

Key words：power line communication;video surveillance network;heating controlling

作者簡介：母金文(1981—)，男，工程師，主要研究方向：嵌入式系統開發。

收稿日期：2015-09-21

中圖分類號：TP311

文獻標識碼：A

文章編號：1003-3114(2016)01-28-4

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.01.07 book=73,ebook=510．3969/j．issn．1003-3114．2016．01．19

引用格式：母金文.基于電力線通信的戶外視頻監控網絡改造[J].無線電通信技術,2016,42(1):28-30,72.