基于ONVIF协议的NVR在变电站视频监控中的应用

徐飞明 ，费章君 ，杨仕友 ，吴 磊

（1.浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027；2.南京南自信息技术有限公司，江苏 南京 210012）

0 引言

变电站视频监控系统是变电站安全运行的重要保障，负责视频监控、设备控制、报警信息处理等功能，实现变电站安全防护［1］。为了集中管理现场的监控设备，监控系统一般设置有数字视频录像机DVR（Digital Video Recorder），但是此类系统之间相互独立，无法实现信息共享，设备维护、系统升级都比较麻烦［2］。随着网络技术的不断进步，DVR逐步发展成为具有网络功能的网络视频录像机NVR（Network Video Recorder）。

1 NVR介绍

NVR是一个包含基本存储硬件和集中管理软件的网络录像子系统，其最大限度地继承了DVR的优势，实现了接入管理、解码显示及录像文件的分布式存储等一体化功能，实现设备的灵活部署［3］。然而，变电站视频监控系统中监控设备品种繁多，摄像机采用不同编码格式和通信协议，使其难以快速接入监控中心。目前多个省电力公司已经建设了变电站视频监控系统，并为NVR设计了不同的通信协议，而实现这些协议既费时又费力。因此，基于标准化的开放设备将是必然趋势，而这些标准化包括：标准化的控制协议、标准化的流媒体协议、统一的编码格式、可靠的存储技术。近年来，陆续有多家致力于标准化建设工作的组织成立，如开放型网络视频接口论坛（ONVIF）［4］和 PSIA［5］。

鉴于此，为提高NVR的可移植性和开放性，降低后期维护和升级成本，本文应用ONVIF框架设计、开发了一种基于通用硬件的NVR软件平台。该平台应用多种跨平台技术，模块间独立性强，以满足不同的监控系统，如基于PC服务器的NVR适用于大型电力视频监控系统；基于SOC的嵌入式NVR可满足某个变电站的视频监控。

2 系统方案设计

变电站视频监控系统以电力通信网为载体，实现分层、分区的分布式监控［6-7］，广东电网变电站视频及环境监控系统为三级结构，即省级主站—地区级主站—站端系统。NVR是站端系统的主要设备，一方面负责对变电站内所有监控设备进行统一管理；另一方面负责与地区级或省级监控中心的信息交互，实现联网监控。

根据NVR的功能需求，本文软件平台设计成客户/服务器模式。在NVR端，主要负责变电站监控设备的管理、接收并处理来自监控中心的请求；在监控中心，实现基于浏览器的远程配置、客户端软件的视频显示。图1介绍了本文NVR系统的设计原理。根据前端摄像机的不同类型，本文NVR实现3种视频流接入方式，即：支持标准协议的网络摄像机采用ONVIF协议接入，其他网络摄像机采用SDK方式接入，而对已有的模拟摄像机经DSP编码后以网络方式接入。为使NVR和监控中心之间实现基于ONVIF协议的通信，本文NVR对前端摄像机的音视频流经进行转发，并对网络协议进行转发、转换，实现信息交互。

图1 NVR系统的设计原理Fig.1 Principle of NVR system design

2.1 ONVIF协议设计

2.1.1 协议介绍

ONVIF为监控系统的硬件和软件平台定义了一种标准化的接口，使基于IP网络的不同安防系统具有更好的兼容性。鉴于此，本文软件平台采用ONVIF协议进行主体框架设计。

ONVIF协议的框架以Web服务标准为基础。其定义的所有配置服务都表示为Web服务的操作，描述成 WSDL（Web Service Description Language）格式，并以HTTP作为底层的传输协议。该协议采用的Web服务集成了多个基于IP网络的开放式独立标准，如 XML、SOAP（Simple Object Access Protocol）、WSDL。XML提供了数据的描述方式，SOAP用于传送信息，而WSDL描述这些服务［4］。ONVIF协议通过以上机制有效实现了会话与资源实体分离，将物理设备接口抽象为资源服务，实现了良好的扩展性与开放性。

本文的Web服务采用gSOAP工具开发［8］。gSOAP可将ONVIF协议定义的WSDL文档编译成符合C/C++风格的头文件，并根据这些头文件生成调用SOAP服务的框架代码，使编写Web服务的工作最小化［9-10］。其内置的Web服务器提供了基于WSDL描述的服务，接收并处理监控中心的请求。

2.1.2 协议设计

由图1所示的NVR系统可见，相对于变电站监控设备而言，NVR作为ONVIF协议的客户端，获取设备相关信息；相对于监控中心而言，NVR作为ONVIF协议的服务端，负责数据的转发。为实现监控中心获取变电站的实时运行状况，本文NVR需实现设备搜索、设备信息和视频流获取，其基本流程如图2所示。因此，本软件平台设计如下。

步骤1设备搜索。设备搜索的主要任务是变电站内的摄像机接入NVR。NVR发送一个Probe广播，当设备收到该广播包后，返回该设备的IP地址，完成设备接入。在以往的摄像机接入中，不同厂家采用不同的搜索协议，往往是接入几个厂家的摄像机就需要几个厂家的设备搜索工具。本文NVR采用统一的设备搜索协议，可快速接入不同品牌的摄像机，降低了操作的复杂度。

图2 ONVIF协议的流程图Fig.2 Flowchart of ONVIF protocol

步骤2设备信息获取。当监控中心需要获取变电站内某一摄像机的工作状态时，往NVR发送Get-Profiles指令。NVR根据接收到的设备ID，向该设备发送GetProfiles指令，并直接转发得到的设备信息。

步骤3站内实时视频获取。当监控中心需要获取变电站内某一设备区域的监控录像时，首先向NVR发送GetStreamUrl指令，NVR根据反馈的设备ID，转发该区域的视频流。

2.1.3 非ONVIF协议设备的支持

对于支持ONVIF标准的设备，本文的NVR可以通过ONVIF协议直接接入；而对于非ONVIF标准的设备，本文的NVR需要通过相关设备提供的API接口实现，即厂商提供的SDK二次开发包，运用工厂设计模式［11］，将不同设备的基本操作封装成符合ONVIF协议的操作。由此，本文的NVR向下实现了不同厂家设备的接入，而向上通过ONVIF协议直接接入监控中心，实现联网监控。

2.2 网页界面中的ONVIF协议设计

随着变电站视频监控系统的规模化，NVR更多地作为前端设备的管理者，配合地区级或省级监控中心，完成视频流转发、录像存储。这些转变使DVR中关键的本地操作、显示功能逐步削弱。因此，本文NVR内置的Web服务器可实现浏览器远程登入。为实现跨浏览器无插件的方式访问NVR，网页界面采用 Google Web Toolkit（简称 GWT）开发包，它是 Google推出的Ajax应用开发包，用Java开发的Ajax应用，部署时编译成 JavaScript［12］。

由图1所示的NVR系统可见，NVR和监控中心之间采用ONVIF协议进行通信，那么网页界面的关键任务是如何在GWT框架下实现该协议。如图3所示，首先通过WSDL编译器将WSDL文档转换为POJO（Plain Old Java Objects，简单初始 Java 对象），以便在Java中调用并实现ONVIF协议定义的各种方法［13］。当网页界面有请求操作时，本文模块调用XmlWriter类执行序列化操作，将数据转换成符合ONVIF协议框架的XML流；当网页界面得到响应操作时，调用XmlReader类执行反序列化操作，解析接收到的XML流［14］。

图3 Web服务中的数据格式转换Fig.3 Data format conversion in Web service

3 应用实例

基于前述的设计原理和方法，本文设计、开发了NVR软件平台，以某变电站视频监控系统为例进行分析。该系统由网络摄像机、报警设备以及灯光等监控设备组成［15］。其中，本文NVR以ONVIF协议方式接入SAMSUNG SNB-5000高清网络摄像机，以SDK方式接入MOBOTIX Q24高清网络摄像机。NVR客户端登入NVR服务器后，通过RTSP协议请求实时的视频流，可以实时显示不同协议、不同监控区域的视频流，如图4所示。由以上运行结果可知，本文开发的NVR，由于运用ONVIF协议，可以快速地接入不同厂家的摄像机。

图4 NVR客户端Fig.4 NVR client

传统的NVR往往只支持特定厂家的摄像机，而且后期升级成本高，这些因素影响了NVR的市场普及。本文所开发的NVR平台与传统NVR的性能比较如表1所示。由表1可知，本文NVR可支持更多厂家的高清摄像机，后期维护成本低，设备接入能力强，达到预期的设计目的。

表1 设备的性能指标比较Tab.1 Comparison of performance among devices

4 结论

本文设计、开发了一种高性能的网络硬盘录像机的软件平台。以开放性、标准化要求为目标，实现了基于ONVIF协议的NVR软件平台，可跨Linux、Windows等操作系统运行。通过变电站视频监控系统运行表明，NVR可以接入不同厂家设备，实现音视频数据的存储、传输，环境量信息的管理，浏览器远程访问。随着视频监控系统的不断发展，NVR作为分布式应用管理平台的作用将越来越明显。同时，视频监控技术作为遥视功能的一部分，将逐步融入变电站综合自动化系统，完善电网集约化管理。