基于4G移動通信的電源視頻監控系統

曲鳴飛，馬冬寶

(北京電子科技職業學院機電工程學院，北京100176)

電力系統的正常運轉關系到國家的社會生產能否正常進行，人民的日常生活是否受到影響。電源是整個電力系統的核心，保障電源的正常工作至關重要。隨著物聯網技術、嵌入式技術和移動通信技術的快速發展，基于4G網絡的電源監控系統的可視化成為可能。4G網絡能夠快速傳輸數據，從而有效應對視頻監控中大流量數據的傳輸[1]，系統的異常信息能夠通過4G網絡快速傳輸到控制端，保障系統的安全性和穩定性。

當前視頻監控系統的控制邏輯主要通過控制端完成，控制端大多采用分布式監控系統，每一個分布式節點都獨立負責當前站點的數據監控，每個分布式節點只需要采集當前站點的溫度和濕度等、機房的空調狀況、機房的氣壓情況等諸如此類的系統參數，各個分布式節點將獲取到的系統參數傳輸到控制端，控制端根據各個分布式節點的運作情況進行人工、半人工或者自動化管理，這種通過集中式方式進行電源監控的機制能夠快速有效地檢測各個站點的系統運行情況，并針對具體站點的不同狀況進行快速響應，從而保障電源系統的穩定性以及通信設備的正常運行。本文主要介紹了電源視頻監控系統的組成部分，并運用4G移動通信技術構建一套完整的視頻監控系統。

1 4G通信組網算法設計

4G移動通信是相對于3G移動通信而言，作為第四代移動通信技術，4G網絡能夠實現高清圖像的快速傳輸，圖像傳輸的清晰度和圖像質量基本沒有明顯損失，并且具有超過2 MB/s的非對稱數據傳輸能力，對全速移動用戶能提供150 MB/s的高質量影像服務，并首次實現三維圖像的高質量傳輸，無線用戶之間可以進行三維虛擬現實通信。4G能夠連接來自不同終端、不同頻帶和不同無線平臺的網絡，在提供無線服務的同時，能在任何時刻任何地點快速接入到互聯網中，作為支撐多功能集成移動通信的先驅技術，在實現寬帶接入IP系統的同時提供定時定位、數據采集和遠程控制等綜合功能[2]，是囊括了正交頻分復用(OFDM)技術、軟件無線電(SDR)技術、智能天線技術(SA)、多輸入多輸出(MIMO)技術、基于IP的核心網為一體的綜合通信技術[3]。

電源監控系統的數據通信層采用4G作為通信載體，數據通信層作為連接上層控制層和底層數據采集層的中間層，一方面需要均衡整體系統的通信負載，另一方面需要對異常情況實時監測，因此本文設計了一種高效的4G通信組網算法。根據地理位置將通信層劃分為多個通信簇，通信簇由多個通信節點構成，通信節點直接與底層的數據采集節點連接，每個通信簇選擇一個通信主體，通信主體的選取原則以最小通信距離為依據，如公式(1)所示。

式中：d為通信簇的通信距離；nt為選取的通信主體；ni為通信簇中通信節點；M為通信簇中通信節點的數目。

通信主體的選取算法設計如下。

輸入：通信簇C和通信節點集合n=(n1,n2,…,nM)；

輸出：通信主體n(t=i)。

算法流程：

(1)對節點 ni=(1≤i≤M)，計算通信距離 di，將 di存入集合D中；

(2)對集合D中所有通信距離di排序，選取t=min{di}，記第i個節點為通信主體。

通信簇中通信主體負責與應用層和通信簇中其他節點進行數據交互，由于通信簇中只設置一個通信主體，因此增加數據緩沖區負責簇中其他節點的數據緩存，數據緩沖區的大小設置如公式(2)所示。式中：s為數據緩沖區的大小；πt為通信節點兩次通信的時間間隔；πb為通信的平均數據量大小。數據緩沖區采用先寫入先消費的設計原則，即通信節點根據時間序將數據寫入數據緩沖區，通信主體從數據緩沖區消費數據。

數據通信層采用分布式設計，根據地理位置劃分通信簇后，通信簇中通信主體定期與應用層交互節點的工作狀態和數據狀態，通信主體會實時匯報異常節點以供上層反饋。當通信主體出現異常后，通信簇中節點會重現選擇新的通信主體。基于4G通信的組網算法設計如下。

輸入：應用層App，通信節點集合n=(n1,n2,…,ns)，底層數據采集層Z；

輸出：通信簇Cj選取的通信主體nt。

算法流程：

(1)根據地理位置劃分多個通信簇Cj(1≤j≤k)，k為地理位置數目，在Cj中根據上述通信主體選取算法選擇通信主體nt；

(2)通信簇Cj中通信主體nt向應用層App匯報，App存入nt到id的映射紀錄；

(3)通信節點實時與Z和nt進行數據交互，nt識別通信節點的交互數據為正常數據或異常數據，異常數據則實時上報，正常數據則定期上報；

(4)通信簇實時監測通信主體狀態，若異常則重新選擇新主體并向App層匯報，App層更新新主體到id的映射紀錄。

2 視頻監控系統組成部分

完整的視頻監控系統包括數據信號采集層、數據通信層和上層應用控制層三個主體部分，數據信號采集層主要通過底層傳感器對原始的信號進行提取，數據通信層作為連接數據信號采集層和上層應用控制層的紐帶，主要負責數據的傳輸和通信，將底層傳感器采集的信號發送給控制層，同時將控制層的命令下發到底層。

視頻監控系統的底層通過傳感器節點構建，傳感器能夠直接獲取環境的各項參數，環境參數作為上層應用控制層的重要命令指標。傳感器環境參數底層通信時絕大多數采用ZigBee和WiFi等底層組網協議進行數據傳輸，相對于上層的GPRS和4G移動通信，底層數據通信協議能夠支撐的傳輸距離有限，主要兼容能耗和傳輸成本等問題。數據信號采集層將底層的環境參數傳輸給上層控制層進行決策，同時控制層的決策命令通過數據通信層回返給底層進行實時處理。因此，從實現的功能上看，一個完整的視頻安防監控系統通常由前端采集、信號傳輸、控制和顯示四個主要部分組成。

2.1 前端采集和傳輸

底層的數據采集是整個視頻監控系統的數據來源，視頻監控系統不局限于簡單的視頻圖像，還包括溫度、濕度、氣壓、聲音等多種類型的混合數據，在配備紅外攝像頭的同時，還需要配備溫度傳感器、濕度傳感器和氣壓傳感器等，圖像信息在某些狀態下無法準確反映環境信息，前端采集到的圖像信息、溫度氣壓信息、聲音信息等通過數字信號處理技術轉換為模擬/數字信息，在經過編碼器編碼后進行后向傳輸，如圖1所示。

圖1 前端數據采集和編碼

數據采集器有一定的采集范圍，同時底層組網的ZigBee節點也有一定的通信范圍，ZigBee能夠覆蓋的面積為：

式中：R1為數據采集器的采集半徑，R2為ZigBee節點的通信半徑，因此可根據實際監控范圍設置ZigBee節點數目。ZigBee節點采集到數據后，采用16位的Huffman編碼進行數據壓縮，壓縮后數據與通信節點進行數據交互。

2.2 控制顯示單元

控制顯示單元是整個視頻監控系統的核心，所有的控制命令都來自控制單元。控制單元一方面需要對上報的數字信號解碼分析，另一方面要根據終端的環境參數做出合理的反饋。控制端采用C/S框架，在網關的設計上采用Cortex-A8處理器，Cortex-A8具有較低的功率消耗，相對于ARM其他系列的處理器，Cortex-A8只需要一半的功率就能夠達到高出幾倍的處理效率。Cortex-A8也能夠應用于復雜的處理環境，ARM Cortex-A8、IVA2＋、POWERVR SGX Graphics Core、Image SignalProcessor(ISP)這四個核心部件都能夠獨立負責一部分功能。將Linux內核重新編譯之后移植到嵌入式系統中。在終端可通過LED顯示方式進行圖形操作，如圖2所示。

3 實驗與仿真

仿真平臺采用Matlab，實驗模擬100個ZigBee節點進行數據采集，ZigBee節點單次數據傳輸大小為10 bit，單次數據傳輸時間間隔為10 s。設定10個地域一共構成10個通信簇，每個通信簇中均等分為10個通信節點。實驗主要對3G通信、4G通信和GPRS通信三種通信方式在平均通信時延、平均通信丟失率兩個數據指標上進行對比。平均通信時延和平均通信丟失率計算為：

圖2 控制顯示單元

式中：pd和pl分別為平均通信時延和平均通信丟失率；costd(nt)和costl(nt)分別為通信簇中通信節點的通信時延和通信丟失率取平均值。

表1為平均通信時延和平均通信丟失率在3G、4G和GPRS三種指標對比。實驗分別按10倍比例調整傳輸數據量。3G通信在通信時延和通信丟失率上表現較差，在數據量較小時性能差別并不明顯，當數據量增大時通信時延和通信丟失率明顯增加。相對而言，GPRS通信的效率在數據量較小時優于4G通信，當數據量增大時，4G通信的影響較小，GPRS則出現較為明顯的性能差異，這也說明了4G在傳輸大流量數據時具有先天的優勢。

表1 平均通信時延和平均通信丟失率在3G、4G和GPRS三種指標對比

4 總結

基于4G的移動通信技術能夠在任何時刻、任何地點無縫接入網絡，因此4G網絡能夠在眾多應用中嶄露頭角，數據的實時傳輸和處理一直是應用系統需要關注的核心點，本文論述了4G網絡的關鍵技術點并將其應用于電源視頻監控系統中，極大地提高了監控系統的穩定性和實時性。

[1]胡圣堯，楊子立，關靜，等.基于GPRS或4G的通信基站電源監控系統設計[J].電源技術，2016(9)：1865-1866，1892.

[2]余嘉文，魏慶衛，張楊光.基于無線通信技術的變電站移動視頻監控系統[J].通信電源技術，2015(6)：220-222.

[3]丁若婷，孫越，汪毅雄，等.基于4G移動通信的實時車輛監控管理系統[J].信息通信技術，2015(5)：27-32，65.