基于視頻監(jiān)控系統(tǒng)搭建遠(yuǎn)程教育平臺(tái)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

強(qiáng)發(fā)軍 周榮娟 韓冷 苗南南 馮騰 高子龍

摘要：在有限的經(jīng)費(fèi)支持下，以視頻會(huì)議的模式，依托當(dāng)前在用的視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備方便快捷建立起一套簡(jiǎn)單適用的遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)，滿(mǎn)足我單位教育學(xué)習(xí)由中心向邊遠(yuǎn)小單位同步擴(kuò)展的需要，達(dá)到面對(duì)面互動(dòng)的效果。同時(shí)對(duì)該視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行管理配置，優(yōu)化網(wǎng)路傳輸質(zhì)量，確保網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的可靠性。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng);遠(yuǎn)程教育;平臺(tái)搭建;網(wǎng)絡(luò)配置

中圖分類(lèi)號(hào)：TN948.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）05-0154-04

0引言

會(huì)議，是人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活中不可或缺的一部分，研究表明，通信的有效性約55%依賴(lài)于面對(duì)面（face-to face）的視覺(jué)效果，38%依賴(lài)于說(shuō)話(huà)語(yǔ)音，試聽(tīng)是人們獲取信息的最重要的形式，而面對(duì)面（face to face）的討論是人類(lèi)表達(dá)思想最豐富的形式。科技的發(fā)達(dá)使得通信技術(shù)有了突破性的進(jìn)展，電話(huà)和電視的發(fā)明，使遠(yuǎn)地的人們可以立即傳送聲音和文檔。然而，除了言語(yǔ)的溝通外，人類(lèi)更注重的表睛和肢體的表達(dá)，僅僅是聲音的傳送已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代人交流的需求，即時(shí)并且互動(dòng)的影像更能真實(shí)自然的傳送信息。

視頻會(huì)議系統(tǒng)正是在這種迫切需要的推動(dòng)下產(chǎn)生的，通過(guò)各種電氣通訊傳輸媒體，將人物的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)圖像、語(yǔ)音、文字、圖片等多種信息分送到各個(gè)用戶(hù)的終端設(shè)備上，使得在地理上分散的用戶(hù)可以共聚一處，通過(guò)圖形、聲音等多種方式交流信息，增加雙方對(duì)內(nèi)容的理解能力，使人們猶如身臨其境在同一會(huì)場(chǎng)中參加會(huì)議一樣。

我單位下屬小單位多并且距離遠(yuǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)，很難在同一個(gè)會(huì)場(chǎng)組織會(huì)議、理論學(xué)習(xí)和學(xué)術(shù)討論交流，采取一種相對(duì)簡(jiǎn)單但相對(duì)有效的措施即利用現(xiàn)有專(zhuān)用調(diào)度設(shè)備聆聽(tīng)聲音，適時(shí)展開(kāi)討論交流，如圖1所示。這種形式的缺陷在于看不到對(duì)方是誰(shuí)，不能領(lǐng)會(huì)對(duì)方肢體語(yǔ)言，沒(méi)有面對(duì)面的效果，讓會(huì)議本該應(yīng)有的一些精彩也變?yōu)榱丝菰锓ξ丁榇耍瑢?duì)以視頻會(huì)議的形式搭建遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行了探索設(shè)計(jì)。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

最初設(shè)想方案是采購(gòu)電視電話(huà)會(huì)議專(zhuān)用設(shè)備的方式搭建教育平臺(tái)，經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研，設(shè)備及系統(tǒng)價(jià)格高昂，成本過(guò)高，不具備可行性。依托我單位現(xiàn)有視頻監(jiān)控局域網(wǎng)，利用現(xiàn)有裝備，采購(gòu)部分設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)搭建遠(yuǎn)程教育平臺(tái)，也可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，且此方案經(jīng)濟(jì)高效，具有良好的可實(shí)施性。

遠(yuǎn)程教育平臺(tái)由控制中心、局域網(wǎng)、分會(huì)場(chǎng)三個(gè)模塊組成。

控制中心建設(shè)在中心站點(diǎn)，包含視頻服務(wù)、調(diào)度語(yǔ)音服務(wù)、園區(qū)廣播服務(wù)三個(gè)服務(wù)平臺(tái)和主會(huì)場(chǎng)授課平臺(tái)。視頻服務(wù)采集處理圖像信息，為遠(yuǎn)端站點(diǎn)提供視頻服務(wù);調(diào)度語(yǔ)音服務(wù)為主會(huì)場(chǎng)及各站點(diǎn)保障語(yǔ)音同步;園區(qū)廣播服務(wù)實(shí)現(xiàn)中心站點(diǎn)與各遠(yuǎn)端站點(diǎn)的園區(qū)廣播聲音共享。遠(yuǎn)程教育平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

局域網(wǎng)依托現(xiàn)有的視頻監(jiān)控網(wǎng)，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃配置。局域網(wǎng)具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單，傳輸速率高等特點(diǎn)，其上運(yùn)行的視頻會(huì)議系統(tǒng)也較容易實(shí)現(xiàn)好的運(yùn)行效果。

分會(huì)場(chǎng)布設(shè)在各遠(yuǎn)端站點(diǎn)，監(jiān)控?cái)z像頭負(fù)責(zé)采集會(huì)場(chǎng)圖像回傳到主會(huì)場(chǎng)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)為分會(huì)場(chǎng)提供主會(huì)場(chǎng)畫(huà)面。

2系統(tǒng)的搭建

2.1服務(wù)平臺(tái)的搭建

服務(wù)平臺(tái)均在中心站點(diǎn)搭建，為中心站點(diǎn)和遠(yuǎn)端用戶(hù)提供有效服務(wù)。

2.1.1視頻服務(wù)平臺(tái)搭建

視頻監(jiān)控服務(wù)器是視頻監(jiān)控局域網(wǎng)的核心，采集、處理、存儲(chǔ)遠(yuǎn)端備備信息。中心站點(diǎn)現(xiàn)有大華視頻監(jiān)控服務(wù)器1臺(tái)，支持Tcp/Ip、組播等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，支持Onvif網(wǎng)絡(luò)視頻標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，可通過(guò)Web瀏覽器對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程配置和管理，如圖3所示。可常年運(yùn)行，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。在線(xiàn)用戶(hù)可使用監(jiān)控客戶(hù)端，根據(jù)權(quán)限級(jí)別查看需要的實(shí)時(shí)圖像和回放圖像，客戶(hù)端界面如圖4所示。在邊遠(yuǎn)站點(diǎn)學(xué)習(xí)室安裝1只攝像頭和1臺(tái)計(jì)算機(jī)。通過(guò)攝像頭可采集會(huì)議室視頻和音頻信號(hào)，上傳服務(wù)器，計(jì)算機(jī)可通過(guò)客戶(hù)端訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器，觀看所需圖像源，通過(guò)FTP訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器下載上傳所需資料。

2.1.2園區(qū)廣播服務(wù)器的搭建

在中心站點(diǎn)增加1臺(tái)IP網(wǎng)絡(luò)園區(qū)廣播系統(tǒng)音頻采集主機(jī)，采集音頻信號(hào)，將其編碼為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳送至遠(yuǎn)端終端，突破距離限制，實(shí)現(xiàn)園區(qū)廣播信號(hào)的共享。在遠(yuǎn)端單位廣播室安裝園區(qū)廣播終端，由音頻線(xiàn)可連接至室外音響，收聽(tīng)服務(wù)器端廣播聲音。

2.1.3調(diào)度系統(tǒng)搭建

將一臺(tái)淘汰閑置的某型號(hào)調(diào)度主機(jī)接入該視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)會(huì)議調(diào)度與專(zhuān)用調(diào)度業(yè)務(wù)剝離，互不影響。邊遠(yuǎn)單位學(xué)習(xí)室的調(diào)度單機(jī)也由專(zhuān)用數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)接入改為視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)接入，降低網(wǎng)絡(luò)相互交叉的概率。

視頻監(jiān)控局域網(wǎng)為內(nèi)部獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)，與互聯(lián)網(wǎng)等其它數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)物理隔離，已延伸至各個(gè)邊遠(yuǎn)站點(diǎn)，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5所示。

2.2主會(huì)場(chǎng)授課平臺(tái)搭建

主會(huì)場(chǎng)原有LED屏1塊、計(jì)算機(jī)多臺(tái)以及附屬音響設(shè)備1套，在此基礎(chǔ)上搭建授課平臺(tái)。在主會(huì)場(chǎng)使用2臺(tái)計(jì)算機(jī)分別作為授課計(jì)算機(jī)和圖像點(diǎn)播計(jì)算機(jī)。將授課計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)一分為二，其中一路送徂.ED屏顯示，另一路送往HDMI信號(hào)編碼器，經(jīng)過(guò)編碼后送入大華監(jiān)控服務(wù)器。圖像點(diǎn)播計(jì)算機(jī)可通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器實(shí)時(shí)觀看分會(huì)場(chǎng)以及授課計(jì)算機(jī)圖像，可多畫(huà)面顯示。將監(jiān)控計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)一分為二，一路送往LED屏顯示，另一路送入編碼器經(jīng)過(guò)編碼后入大華監(jiān)控服務(wù)器。向LED屏投送信號(hào)源時(shí)可自主切換選擇授課主畫(huà)面或監(jiān)控畫(huà)面。設(shè)備連接示意圖見(jiàn)圖6所示。

2.3網(wǎng)絡(luò)配置管理

網(wǎng)絡(luò)配置管理屬于網(wǎng)絡(luò)管理中很重要的一項(xiàng)內(nèi)容，目的在于改善網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)某個(gè)特定功能或使網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到最優(yōu)。

2.3.1網(wǎng)絡(luò)地址規(guī)劃

視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)為連接4個(gè)片區(qū)的小型內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和主機(jī)數(shù)量都較小。根據(jù)IP地址和子網(wǎng)掩碼編址規(guī)范，在確保網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部IP地址不沖突的情況下，充分利用地址資源，同時(shí)兼顧管理員對(duì)終端和地址管理的便利性，對(duì)IP地址不間斷劃分。

（1）有4個(gè)片區(qū)，地址段分別使用192.168.1.X- 192.168.4.x。

（2）有3種業(yè)務(wù)，即可將每段地址劃分不同的子網(wǎng)。監(jiān)控終端主機(jī)數(shù)量在120以?xún)?nèi)，使用25位子網(wǎng)掩碼，即192.168.x.0/25，調(diào)度業(yè)務(wù)和廣播業(yè)務(wù)主機(jī)數(shù)量在個(gè)位數(shù)，使用27位子網(wǎng)掩碼，即192.168.x.128/27和192.168.X.160/27。

（3）每段未劃分子網(wǎng)部分可作為后續(xù)擴(kuò)展業(yè)務(wù)需要。

具體劃分如表1所示。

2.3.2基于端口劃分VLAN

VLAN即Virtual Local Area Network，虛擬局域網(wǎng)，是將—個(gè)物理LAN邏輯上劃分成多個(gè)虛擬LAN的以太網(wǎng)技術(shù)，可以達(dá)到實(shí)現(xiàn)縮小廣播域的目的。VLAN是對(duì)連接到第二層交換機(jī)端口的網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)的邏輯分段，是不受網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)物理位置的限制而根據(jù)用戶(hù)需求進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)分段。劃分不同的VLAN，在信息交換過(guò)程中，廣播信息只能在同一個(gè)VLAN中復(fù)制，無(wú)法跨越不同的VIJAN，能夠更方便、有效地阻隔廣播，使交換機(jī)的性能得以提高。使用VLAN技術(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的交換設(shè)備可搭建安全可靠的網(wǎng)絡(luò)。

基于交換式以太網(wǎng)劃分VLAN主要有3種方法：基于端口、基于MAc地址和基于IP地址。基于端口的VIAN劃分方法是以交換機(jī)端口為單位，一個(gè)VLAN對(duì)應(yīng)于交換機(jī)的一組端口，VLAN內(nèi)的通信在這組指定端口范圍內(nèi)進(jìn)行，并限制與其它端口的連通，其優(yōu)點(diǎn)是配置簡(jiǎn)單。故該網(wǎng)絡(luò)使用基于端口的VLAN劃分方式，如圖7所示。

2.3.3IP地址和MAC地址綁定

在網(wǎng)絡(luò)使用過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)生個(gè)別人隨意修改自己主機(jī)IP地址的現(xiàn)象，修改后的IP地址雖然仍屬于規(guī)劃的網(wǎng)段，可能連接成功不影響網(wǎng)絡(luò)使用，但也有可能出現(xiàn)占用他人地址的情況影響網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，進(jìn)而出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信故障。

使用IP與MAC綁定的好處在于：（1）只有綁定的設(shè)備才可以接入網(wǎng)絡(luò)，有效的防止私接設(shè)備。（2）實(shí)現(xiàn)有效的上網(wǎng)記錄和上網(wǎng)統(tǒng)計(jì)。（3）節(jié)省IP資源，防止IP盜用。（4）減少ARP攻擊，杜絕IP地址沖突。

為了確保局域網(wǎng)內(nèi)各計(jì)算機(jī)通信順暢，有必要對(duì)局域網(wǎng)內(nèi)的計(jì)算機(jī)IP地址NMAc地址進(jìn)行綁定，對(duì)隨意修改IP地址和企圖非法接人局域網(wǎng)的用戶(hù)進(jìn)行限制。

2.3.4組播配置

IP組播通信是將IP報(bào)文從一個(gè)源發(fā)出，被轉(zhuǎn)發(fā)到一組特定的接收者。相對(duì)于傳統(tǒng)的單播和廣播，IP組播可以有效地節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬、降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，特別是在某些帶寬受限的網(wǎng)絡(luò)上更能凸顯其作用。

在建設(shè)中，因光端機(jī)能力限制，某些網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)路帶寬比較小，圖5所示網(wǎng)絡(luò)連接中，光端機(jī)A至光端機(jī)B、c、D帶寬僅有20M，網(wǎng)絡(luò)中使用高清圖像源最高可達(dá)8M/路，假如在交換機(jī)SWE端接人一圖像源，在中心端接收者可能會(huì)有服務(wù)器、硬盤(pán)錄像機(jī)、普通計(jì)算機(jī)瀏覽器等以單播方式接收該圖像源，很容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)堵塞，因此，以組播方式傳送很有必要。

為實(shí)現(xiàn)組播傳輸，IP網(wǎng)中的組播源和接收者以及兩者之間的下層網(wǎng)絡(luò)都必須支持組播，主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）數(shù)據(jù)收發(fā)主機(jī)的TCP/IP實(shí)現(xiàn)支持發(fā)送和接收IP組播;

（2）數(shù)據(jù)收發(fā)主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口支持組播;

（3）數(shù)據(jù)收發(fā)主機(jī)上聯(lián)的交換機(jī)支持組管理協(xié)議;

（4）數(shù)據(jù)收發(fā)主機(jī)上聯(lián)的交換機(jī)支持組播IP地址分配策略，并能將第三層IP組播地址映射到第二層MAC地址;

（5）數(shù)據(jù)收發(fā)接口軟件具備IP組播能力。

服務(wù)器和攝像頭均支持IP組播，交換機(jī)為華為S5700-Ei系列交換機(jī)，支持IGMMPv3因特網(wǎng)組管理協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)中大流量為終端至中心服務(wù)器之間的圖像流，采用SSM（指定源組播）模型。

3結(jié)語(yǔ)

在該平臺(tái)下，在保持調(diào)度語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)確保語(yǔ)音質(zhì)量的基礎(chǔ)上，授課聲音同時(shí)送至HDMI編碼器，經(jīng)編碼后送入大華監(jiān)控服務(wù)器，在分會(huì)場(chǎng)可通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)收聽(tīng)主會(huì)場(chǎng)聲音，在調(diào)度系統(tǒng)故障的情況下，為收聽(tīng)語(yǔ)音提供了另一手段。

平臺(tái)搭建完畢后，對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行了調(diào)試，特別是在對(duì)遠(yuǎn)端攝像頭碼流選擇上。因當(dāng)前中心站點(diǎn)至邊遠(yuǎn)單位網(wǎng)路傳輸帶寬僅為10～20M，設(shè)置碼流越大所需帶寬越大，綜合考慮網(wǎng)絡(luò)帶寬和清晰度兩方面因素合理選擇了參數(shù)配置。進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，效果良好，主會(huì)場(chǎng)、分會(huì)場(chǎng)通過(guò)監(jiān)控客戶(hù)端收看各會(huì)場(chǎng)以及教育內(nèi)容的實(shí)時(shí)圖像流暢，收聽(tīng)實(shí)時(shí)聲音清晰，達(dá)到了預(yù)期目的。