供电局现场层次式网络视频监控系统设计与实现

刘一凡

摘 要：随着数字图像压缩技术的不断发展，数字监控系统已经广泛的应用到各行各业中，并不断发挥着应有的作用，文章针对现场层次式网络视频监控系统的设计进行研究，并以供电局为例进行讲述，从而设计出一个能够接入三个市区局和一个变电站的视频监控主机至平台，对供电局和变电站实现层次式网络视频监控系统的设计，对供电局和变电站内的情况进行实时动态监控。

关键词：供电局；现场层次式；网络视频监控系统

中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）27-0063-03

1 分层式网络视频监控系统的关键技术

在分层式的网络视频监控系统中需要将前端的监控设备中所采取的音频和视频的信号以及报警信号进行压缩，然后将压缩的信号进行编码转换为网络标准的数据包，并通过以太网或者是光纤网络的信号传输功能传送到网络上，这样管理人员就可以从网络上远程监视供电局和市区局的现场画面，下文主要介绍本次设计中主要应用到几项关键技术。

1.1 TCP/IP协议

在网络中不管是数据流的传输还是数据流的控制都是建立在TCP/IP协议的基础之上的，可以说TCP/IP协议是整个网络视频控制系统数据传输的基石。

但是如果在设计的过程中采用了IP网络进行数据的传输，势必会造成数据的外流，存在很大的安全隐患，比如说一些图像或者是视频被盗取，这样就会造成重要信息的泄露，在进行设计时除了采用必要的用户口令验证之外还需要对相应的IP地址进行保护，本次系统设计中为了充分的考虑到数据的安全性，将视频监控主机和前端摄像头均连接至视频专用交换机，设置局内网IP地址。并将视频监控专用接入层交换机之间采用级联方式建立视频专网，汇聚后通过光纤或六类千兆网线连接至办公大楼核心交换机相应端口。

1.2 视频编码及解码技术

视频在网络上进行传输之前需要对数据进行压缩，这样才能够在一定程度上降低视频数据所占的内存，就目前来说所采用的视频数据压缩算法主要包括两种：MPEG编码标准和H.26x编码标准。

其中MPEG-7编码标准在进行编码的过程中能够满足实时或非实时应用的需求，H.26x编码标准则是比MPEG编码标准更为先进的一种编码标准，该标准能够在保证相同的视频图像质量的前提下，还能够有效的提高转换的效率，在视频图像的压缩过程中能够具有更好的压缩比和IP网络的适应性。

H.26x在进行编码的过程中加入了帧内的预测编码，能够利用周围数据之间的差分对数据所描述的画面进行重构，保证画面的清晰图和真实度。

同时H.26x编码标准在进行解码时还能够有效的解决在IP网络视频中视频数据所占比例较大的问题，从而在保证视频质量的基础上，减少数据量。

1.3 数据存储管理技术

随着科学技术的不断发展，人们对监控系统的图像和视频的质量要求越来越高，同时对数据的存储要求也日益增多，因此在网络监控系统中数据存储管理技术也成为一项重要的技术。视频监控系统对所传输的数据保存在本地视频监控主机的硬盘中，这样当发生事故时运维管理人员就可以调取视频进行查看，找到事故发生的前因后果，因此在进行视频数据储存管理的过程中除了要对视频和图像信息进行保存之外，还需要注明视频采集的时间、地点和采集的状况，这样才能够保证数据信息的完整性。

就目前而言，对数据信息的存储主要有两种方式，一种是数据库存储，另一种是文件系统存储。其中数据库存储能够方便在以后使用中的信息查询和检索，但是一旦完成存储就很难对存储的信息进行扩充，而且存储效率较为低下。

文件系统在存储的过程中具有较快的存储效率，但是在数据查询和检索时运行效率低下。因此在供电局的数据存储的过程中可以将这两种存储方式进行结合使用，这样既可以保证检索的效率还能够保证较高的存储效率。

2 分层网络视频监控系统的模型设计

2.1 系统的设计要求

由于各安防系统中视频监控所占有的网络流量宽带最大，需要对视频监控系统、视频主机和前端摄像头作如下规定。

2.1.1 一级场所的设计要求

一级场所（局大院大楼、输变电管理所、新大楼）的设计要求为：

①视频监控主机和前端摄像头均连接至视频专用交换机，设置局内网IP地址。

②视频监控专用接入层交换机之间采用级联方式建立视频专网，汇聚后通过光纤或六类千兆网线连接至办公大楼核心交换机相应端口。

③视频监控数据保存于本地视频监控主机硬盘中，运维管理人员通过监控平台远程查看。

2.1.2 二级场所的设计要求

二级场所（各区局办公大楼、变电站、供电所和营业厅）设计要求为：

①视频监控主机和前端摄像头均连接至视频专用交换机，设置局内网IP地址。

②视频监控专用接入层交换机通过光纤或六类千兆网线连接至办公大楼楼层交换机相应端口。

③视频监控数据保存于本地视频监控主机硬盘中，运维管理人员通过监控平台远程查看。

2.2 网络流量规划

①统计各市区局视频监控摄像头数量，对流量带宽进行分析，上报给设备部和信息中心，设备管理部将评估流量带宽，信息中心统一分配IP地址。

②视频监控数据保存于本地视频监控主机硬盘中，运维管理人员通过监控平台远程调用进行查看。

③制定运维管理制度，规定运维管理人员通过视频监控平台只允许最多查看各办公和生产场所的五路视频监控，流量控制在5～10 M之内。

④在运维管理中心汇聚层交换机网络端口上限制宽带为10 M。

2.3 全局视频监控系统IP规划

视频监控系统软硬件主要为宇视和大华等品牌，共有新旧视频监控主机86套，采用模拟信号/数字信号方式采集数据，B/S架构，无视频监控平台软件。

旧款视频监控系统采用模拟信号采集数据，未设置IP地址，录像为本地存储，为标清视频；

新款视频监控系统采用数据信号采集数据，视频监控主机和前端摄像头均设置私有IP地址，录像为本地存储，为高清视频。

本次设计的主要内容是改造三个市区局和一个变电站接入市局运维管理中心，需要为视频监控主机和摄像头预留IP地址90个。

2.4 系统总的设计方案

为了更好的满足本次设计的要求，本文选用的是层次式网络视频监控系统，该系统在结构上主要包括三个内容：监控中心、远程监控终端和传输网络。其中分层式网络视频监控系统的结构示意图，如图1所示。

其中网络可以采取IP网络模式，也可以采用局域网，在分层式网络视频监控系统中的基本单元就是监控中心，监控中心在结构上可以分为监控服务器、监控前端、监控终端、报警器和局域网组成。每一个监控服务区在自己所管辖的范围内对所有的数据资源进行监控，从而为以下各级的用户提供控制服务。在监控的前端可以通过局域网的形式与监控服务器相连，对监控前端的摄像头以及报警装置的状态进行监控，并采集相对应的视频数据，然后将该数据进行压缩传送到IP网络中。

3 监控前端的设计与实现

监控前端主要包括采集视频数据的摄像头和进行报警装置的报警器，在监控前端的设计中采用了多媒体技术、数字图像处理技术以及远程网络传输技术等。监控前端采用了嵌入式系统，大大提高了前端对数据处理的能力，这样在低质量要求的状况下，嵌入式系统能够直接对图像进行编码，这样省去了专用编解码的装置的作用，从而有效的提高了数据转换效率。因此监控前端能够进行图像视频传输、远程控制、现场数据采集等一些最为常见的视频监控功能。

在本次的设计中监控前端主要采用的Linux嵌入式的系统，该系统是基于ARM处理器进行设计，能够在监控的过程中提供较高质量的视频监控数据。监控前端在采集到视频数据后会利用H.264编码芯片对数据进行编码压缩，其中监控前端的主要的硬件模型设计，如图2所示。

从上图中我们可以看出，监控前端的硬件部分主要是ARM处理器的CPU，系统的内存，以太网的接口、编码模块、Flash存储模块、视频信号的数模转换模块等。且相互之间都存在一定的关联系，该模块的主要工作流程是：

摄像头对三个市区局和一个变电站内的各项数据进行实时动态的采集，采集到的信号经过数模转换之后会得到视频图像帧的数字信号，该数字信号会在编码模块中进暂存，存放在编码模块中的缓冲区内，处理器的CPU会从缓冲区内读取到该信号，并发布压缩指令，将数字信号压缩打包成为IP包，然后将该压缩包在以太网中进行传输，传输到供电中心的监控电脑上进行储存。

除此之外，在监控前端还串联着一些外围的设备，比如说报警装置等，这些设备能够利用电平的高低实现报警功能的控制，一旦监控点出现异常的状况，报警装置能够快速的反应，在供电中心的屏幕上进行异常状况显示，并采取相对应的应急措施。

4 监控服务器的设计与实现

层次式监控服务器既能够为本层次的监控终端服务，还能够为上一级的监控终端服务，因此每个服务终端的管理员都需要有自己专有的用户名和密码，这样用户就可以在监控终端上进行资源的管理。监控服务器在结构上又可以分为：网络接口模块和消息处理模块。

其中网络接口模块主要就是接收网络传来的数据，然后对这些数据进行分析，并将数据上传到网络中。

信息处理模块又可以根据模块间功能的不同继续进行分层式划分，分为四个模块：用户管理模块、设备管理模块、服务器管理模块、图像数据转发模块。在这四个模块中用户管理模块的主要功能是对用户的信息进行记录，当用户进行操作指令时，该模块能够识别用户的信息并对指令进行响应。

一般来说用户的指令包括用户的注册、登录、注销、删除、信息修改等一些基本的操作指令。设备管理模块主要是对整个系统配置的设备进行管理，比如说在供电局和变电站中的监控前端的摄像头、报警器、供电中心的监控终端等进行管理，并提供相对应的数据接口服务。服务器管理模块的主要功能就是对服务器的管理能力和属性的配置进行监控，确保服务器能够正常的工作。图像数据转发模块主要是在用户和存储模块之间进行数据的传输，当用户发出自己的需求指令之后，监控频道上的图像数据就会通过图像数据转发模块进行传输，传输到用户终端。

5 监控客户端的设计与实现

监控终端的设计实际上就是控制软件的设计。监控的软件是在基于Windows操作系统的PC机上进行运行的，通过较大的宽带连接，连接到监控的网络中实施动态监控。其中监控终端的模型，如图3所示。

从上图中我们可以看出，在监控终端中主要包括五部分即：系统管理、网络接口、管理人员和用户。其中系统管理主要是对市区局和变电站中各个设备进行访问和属性的设置。视频监控/警报提示主要是将系统中的数据进行传输，在供电中心中进行显示，并根据显示的状况采取相对应的报警处理功能。管理人员就是对用户的各种信息比如说注册、登录、修改信息、账户注销等进行操作。

6 结 语

在供电局中采用层次式的网络监控系统能够保证每个监控系统独立的进行监控工作，这样当一项监控功能出现异常时，其他的监控系统还能够独立的工作，从而有效的提高系统在使用过程中的有效性。

层次式网络视频监控系统在供电局中的使用能够大大的提高供电局管理人员的工作效率，但是由于系统在研究过程尚浅，还需要进一步的研究与优化，比如说随着网络技术的发展，对视频解码的要求也越来越高，如何在现有的基础上继续完善编码模块，或者是当出现报警装置时，监控界面需要及时的出现报警现场的视频信息，但是图像在传输的过程中经常存在延时现象，如果层次越多延时越严重，在供电局管理中如何选择最优的层次等等，这些都是需要进一步研究的内容。

参考文献：

[1] 杨茂林.层次式网络视频监控系统的设计和实现[D].北京：中国科学院 研究生院（软件研究所），2005.

[2] 翁健勇，朱兵章，刘竹松.多级别分层次智能网络视频监控系统设计及 实现[J].现代计算机：专业版，2013（14）：56-59.

[3] 刘苗苗，王茱.用于工业现场的网络视频监控系统的设计与实现[J].信 息与电脑：理论版，2014（2）.

[4] 齐毅.工程建设施工现场中3G视频监控系统的研究与实现[J].价值工 程，2015（18）：53-55.