基于以太網(wǎng)的分布式視頻設(shè)備環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉洋+張?zhí)?冉偉仡

摘要：重慶市南岸區(qū)背街小巷視頻建設(shè)工程，在全區(qū)范圍內(nèi)部署了1萬余個(gè)視頻監(jiān)控點(diǎn)位。工程采用了視頻監(jiān)控文件前端存儲(chǔ)方式，將監(jiān)控鏡頭配套的NVR、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、供電設(shè)備集成在一個(gè)室外機(jī)柜內(nèi)，機(jī)柜與監(jiān)控鏡頭就近部署。由于室外環(huán)境較為惡劣，且機(jī)柜內(nèi)設(shè)備對(duì)溫濕度較為敏感，因此需要對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控調(diào)節(jié)。本文介紹了一種基于STM32的分布式環(huán)境監(jiān)控設(shè)備，可對(duì)各點(diǎn)位的室外機(jī)柜內(nèi)溫濕度情況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控調(diào)節(jié)，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，使用該系統(tǒng)管理的監(jiān)控點(diǎn)位機(jī)柜內(nèi)溫度保持在25℃±3℃范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；分布式視頻設(shè)備；環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)；STM32微控器

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）06-0169-03

重慶市南岸區(qū)建設(shè)的背街小巷視頻建設(shè)工程，旨在以有限的資金建設(shè)盡可能多的視頻監(jiān)控?cái)z像頭以覆蓋全區(qū)偏僻區(qū)域和案事件高發(fā)區(qū)域。工程在設(shè)計(jì)時(shí)拋棄了租用光纖實(shí)時(shí)傳輸視頻文件至數(shù)據(jù)中心進(jìn)行集中存儲(chǔ)方案，采用了了視頻文件就近存儲(chǔ)的分布式存儲(chǔ)方案，在需要調(diào)取視頻監(jiān)控時(shí)通過各監(jiān)控鏡頭的NVR建立的ADSL-VPDN通道傳輸視頻數(shù)據(jù)，使用低帶寬網(wǎng)絡(luò)按需傳輸視頻文件，節(jié)省了大量通信費(fèi)用。由于室外機(jī)柜所處環(huán)境情況復(fù)雜，為了監(jiān)控眾多分散的前端存儲(chǔ)設(shè)備內(nèi)工作環(huán)境溫濕度、提高設(shè)備在線率和可用時(shí)間，本文設(shè)計(jì)了一種分布式設(shè)備環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，通過利用現(xiàn)有視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，在監(jiān)控設(shè)備分散和大量部署的情況下，與傳統(tǒng)分布式環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采用的移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)相比，在使用本方案可以提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性并節(jié)省非常可觀的通信費(fèi)[1]。

1 總體方案設(shè)計(jì)

視頻監(jiān)控設(shè)備機(jī)柜內(nèi)配備環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)通過分布在遠(yuǎn)端的室外設(shè)備箱內(nèi)的STM32微控器對(duì)機(jī)柜內(nèi)外溫度、濕度、機(jī)柜門開閉狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并將狀態(tài)數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)控制器經(jīng)由NVR連接的VDPN視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心[2]。監(jiān)控中心通過遠(yuǎn)程設(shè)置溫度和濕度門限，由單片機(jī)系統(tǒng)自主控制半導(dǎo)體制冷設(shè)備和風(fēng)機(jī)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)溫濕度調(diào)節(jié)。對(duì)于自主調(diào)節(jié)無效的情況將報(bào)警由人工到現(xiàn)場進(jìn)行處理，總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)以STM32F103微控器為核心，通過SPI 接口與以太網(wǎng)控制芯片W5500和存儲(chǔ)芯片W25X64連接，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。通過IO輸入接口與數(shù)字溫濕度傳感器DHT22和門磁感應(yīng)模塊連接實(shí)現(xiàn)內(nèi)部溫濕度檢測(cè)和門開閉狀體檢測(cè)功能。通過IO輸出接口控制半導(dǎo)體制冷模塊和風(fēng)機(jī)開關(guān)模塊，實(shí)現(xiàn)溫濕度控制功能。系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。

2.2 STM32F103微控器

系統(tǒng)核心為ST公司基于ARM Cortex M3內(nèi)核推出的32位微控器STM32F103RBT6，該微控器工作頻率可達(dá)72MHz，并具有豐富的外設(shè)，且ST公司提供了外設(shè)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)庫，極大簡化了開發(fā)過程。系統(tǒng)同時(shí)使用了微控器的兩個(gè)SPI接口控制存儲(chǔ)芯片和以太網(wǎng)控制器。通過微控器的IO接口輸入連接機(jī)柜門磁感應(yīng)信號(hào)和DHT22溫濕度傳感器接入，IO輸出開關(guān)量控制風(fēng)機(jī)和半導(dǎo)體制冷模塊開關(guān)?？紤]到系統(tǒng)量產(chǎn)后需要進(jìn)行現(xiàn)場配置，還用到了微控器的USART接口作為串口通信，計(jì)算機(jī)使用PL2303或FT232 USB串口轉(zhuǎn)換模塊連接微控器USART接口即可進(jìn)行系統(tǒng)初始參數(shù)配置[3]。

2.3 溫濕度傳感器

系統(tǒng)采用了DHT22數(shù)字式溫濕度傳感器用于內(nèi)部和外部溫濕度模塊的溫度測(cè)量范圍為-40-80℃，分辨率為0.1℃，誤差±0.5℃，濕度測(cè)量范圍為0-100%RH，分辨為0.1%RH，誤差±2%RH；該模塊使用微控器一個(gè)IO口即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸。

2.4 W5500以太網(wǎng)控制器

W5500是WIZnet推出的高性能以太網(wǎng)接口芯片，內(nèi)部集成全硬件TCP/IP協(xié)議棧+MAC+PHY。W5500集成硬件化TCP/IP協(xié)議棧支持TCP、UDP、IPV4等協(xié)議，內(nèi)部32K字節(jié)存儲(chǔ)器作為TX/RX數(shù)據(jù)緩存，支持10/100Mbps自適應(yīng)傳輸速率。系統(tǒng)通過微控器的SPI接口與W5500連接，并使用UDP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.5 SPI FLASH存儲(chǔ)器

W25Q64是華邦公司推出的大容量SPI FLASH產(chǎn)品，W25Q64的容量為64Mbit，擦寫周期多達(dá)10W次，具有20年的數(shù)據(jù)保存期限，且支持標(biāo)準(zhǔn)的SPI，系統(tǒng)使用W25Q64存儲(chǔ)事件日志、配置信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件運(yùn)行首先對(duì)STM32RBT6微控器的中斷、定時(shí)器、串口、SPI端口、IO接口外設(shè)進(jìn)行初始化，初始化完成后對(duì)W5500和溫濕度傳感器按照預(yù)設(shè)進(jìn)行配置。由于初次設(shè)置需要在施工現(xiàn)場與NVR提供網(wǎng)絡(luò)參數(shù)匹配，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了串口程序接收配置信息，通過串口接收W5500的初始化信息并存入W25Q64中的配置信息區(qū)，存儲(chǔ)完畢后會(huì)對(duì)系統(tǒng)設(shè)置進(jìn)行更新[4]。

由于工程采用視頻設(shè)備環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備眾多，如果同時(shí)向遠(yuǎn)程監(jiān)控端發(fā)送數(shù)據(jù)將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞甚至崩潰，要求在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮到各個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有自治能力。系統(tǒng)每30s采集一次機(jī)柜內(nèi)外的到的溫濕度，當(dāng)機(jī)柜內(nèi)溫度超過設(shè)定門限時(shí)，與機(jī)柜外溫度進(jìn)行對(duì)比，若機(jī)柜外溫度低于機(jī)柜內(nèi)溫度，打開風(fēng)機(jī)通風(fēng)即可進(jìn)行有效散熱。當(dāng)機(jī)柜外溫度高于機(jī)柜內(nèi)溫度，系統(tǒng)將開啟半導(dǎo)體制冷模塊，通過半導(dǎo)體制冷模塊冷端上的風(fēng)扇將冷風(fēng)在機(jī)柜內(nèi)循環(huán)，半導(dǎo)體制冷模塊熱端的熱量通過水循環(huán)將熱量帶到機(jī)柜外。降溫設(shè)備開啟后每分5鐘對(duì)降溫效果進(jìn)行評(píng)估，若溫度降低到門限值以下則只記錄事件，不報(bào)警，根據(jù)若溫度超出門限3-5度則報(bào)黃色警告，需關(guān)注后續(xù)降溫效果，超出門限5～10度則報(bào)紅色警告需立即安排人員前往現(xiàn)場處理。由于監(jiān)控設(shè)備的室外機(jī)柜內(nèi)裝有各種設(shè)備，為了防止人為故意破壞和盜竊設(shè)備，設(shè)備配備了機(jī)柜門磁感應(yīng)，機(jī)柜門被打開時(shí)系統(tǒng)將記錄機(jī)柜打開時(shí)間，發(fā)布告警信息，通知相關(guān)人員進(jìn)行處理，若機(jī)柜門為未授權(quán)打開，可以通過系統(tǒng)記錄的機(jī)柜門打開時(shí)間點(diǎn)調(diào)取附近監(jiān)控點(diǎn)位監(jiān)控，查看現(xiàn)場情況[5]。

系統(tǒng)的配置參數(shù)和事件日志記錄在SPI FLASH存儲(chǔ)芯片W25Q64中，W25Q64具有64Mbit（8Mbyte）存儲(chǔ)容量，系統(tǒng)中規(guī)劃前1Mbyte作為配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，用于存儲(chǔ)外設(shè)配置信息、系統(tǒng)各種運(yùn)行參數(shù)配置信息，后7Mbyte作為日志存儲(chǔ)區(qū)存儲(chǔ)日志信息。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)按照每日預(yù)訂計(jì)劃對(duì)設(shè)備進(jìn)行輪詢，收集狀態(tài)和日志信息[6]。系統(tǒng)的軟件流程如圖3所示。

4 結(jié)語

經(jīng)過前期布置10套樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，配備分布式視頻設(shè)備環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的機(jī)柜內(nèi)溫度能夠長期保持在25℃±3℃范圍內(nèi)，因?yàn)榄h(huán)境溫濕度因素導(dǎo)致線率故障率有明顯的下降，提高了監(jiān)控的在線時(shí)間和使用壽命。下一步工作將各分布設(shè)備的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)集成到GIS平臺(tái)中，通過GIS平臺(tái)更直觀展現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境情況。

參考文獻(xiàn)

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