无线4G网络传输在洪泽湖视频监控中的应用

刘新泉

（江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225217）

无线4G网络传输在洪泽湖视频监控中的应用

刘新泉

（江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225217）

以洪泽湖视频监控系统为实例，提出利用无线 4G 网络进行传输的视频监控系统设计方案，介绍系统组网方式、远程监控原理和系统功能要求，分析无线传输应用特点，实现有线传输无法部署的特殊场合的视频监控，为今后功能更加可靠、完备的无线视频传输系统的开发提供一个设计平台和参考。

无线 4G 网络；视频监控；系统组网；无线传输

0 引言

洪泽湖地处淮河流域中下游结合处苏北平原中部偏西，是中国五大淡水湖之一，淮河上、中游来水和南水北调东线工程重要的调蓄湖泊，是苏北地区主要的水源地，具有防洪、水资源供给、生态保护、航运等功能。江苏省境内洪泽湖保护范围面积为 3 704 km2，保护范围线长1 006 km。

随着社会经济的发展，洪泽湖的开发力度不断加大，非法圈圩养殖、建设开采等渉湖违法行为在洪泽湖也时有发生。目前，洪泽湖环湖监管手段主要靠人工定期进行巡视检查，无法有效、及时发现和制止非法圈圩等渉湖违法行为。通过建立洪泽湖视频监控系统，可以节约湖泊管理人员的投入，减少巡视检查工作量，将非法圈圩、建设等违法行为消灭在萌芽状态，进一步提高水资源利用和保护的水平。

1 设计思路

视频监控系统一般由前端、传输、控制和显示等 4 部分设备组成，前端设备采用高清网络摄像机，其采集的图像信号通过屏蔽线缆或光纤进行传输，控制设备采用网络硬盘录像机，负责完成前端设备和图像的控制、切换、处理和记录等功能，图像通过监视器等设备进行显示。这是传统的有线传输视频监控系统的设计模式，适用于有线网络能够覆盖的区域。而洪泽湖水域宽广、湖岸线长、湖滩面积大、湖心岛屿多，湖泊管理工作面广，前端监控点分布零散且距离远，涉及到湖面岛屿和岸边滩地，如果视频监控系统采用有线方式传输，布线施工将非常困难，投资巨大且维护管理不便。随着网络技术、通信技术和多媒体技术的飞速发展，传统的视频监控系统也不断向着新的方向发展，利用无线 4G 网络传输视频图像无疑是本案的一个最佳解决方案。

4G 是第四代移动通信技术的简称[1]。随着移动通信技术的发展和 4G 时代的到来，移动通信数据网络为监控视频数据的传输提供了更快、更清晰的传输条件。无线网络视频监控技术是在有线视频监控技术的基础上发展起来的，现在已迅速成为视频监控应用领域的一个重要分支。在一些特殊的应用环境，有线监控部署的成本很高甚至根本无法部署，这种环境下4G 无线视频监控就有了很大的用武之地，目前无线视频监控在公安、交通、电力、消防、油田、森林防火等行业领域有着广泛的应用需求[2]。

4G 无线视频监控传输系统融合了 4G 技术、视音频编解码、数字加解密、网络传等输技术，凭借无线性、移动性、便携性、高带宽、高清晰、双向性等优点，对数字图像和声音通过多路 4G 无线链路进行高清晰处理和流畅传输，能够广泛应用于有线视频监控难以部署的领域[3]。4G 网络是移动、联通、电信等几大运营商所建设的覆盖全社会的巨型网络，利用运营商建设的无线网络传输视频图像和声音，具有以下优势：

1）地理位置广，只要在手机信号能覆盖的位置就能传输音视频。

2）初始投资低，省去基站建设和维护费用，充分利用社会资源。

3）通信资费低，通过参加套餐、包月、包流量等方式降低运营费。

4）综合成本低，性能更稳定，只需一次性投资，无须挖沟埋管。

5）组网更灵活，可扩展性好，设备无需更新，即插即用。

由于具有以上有线视频监控无法比拟的优势，从而使无线视频监控纳入日常工作业务范畴成为一种发展方向。

2 无线视频传输方式

视频监控系统要求具有高稳定性和高清晰度，因此视频信号传输必须稳定可靠。与有线视频传输方式相比，无线视频传输最大的制约因素是稳定性。由于洪泽湖水域面积非常大，监控点分布零散，运营商的基站大都建在陆地，电磁波在传播过程中会受到地形、地貌、气候、高楼等各种环境因素的影响，磁场信号减弱，一定程度上影响了无线传输的稳定性。经现场实际测试，当监控点布设在湖中心区域或偏远水道地区时仅能接收到 3G 网络信号（个别点为 2G 信号，且不属于同一家运营商），这时需要通过多路无线链路进行集群和传输。通过多条 4G 链路捆绑（即 4G 无线链路集群）[4]，系统能够汇总捆绑多条链路的带宽，从而实现单条链路无法实现的高稳定性、高清晰度的视频传输。无线4G 网络传输方式示意如图1所示。

图1 无线 4G 网络传输示意图

4G 无线链路通道包含上行和下行 2个方向的传输通道，无线视频监控主要是在控制中心实时监控前端视频图像，需要前端监控点的图像持续不断的传送到控制中心，因此使用的是无线链路的上行通道。4G 网络理论下行链路速度为 100 Mbit/s，上行为 20 Mbit/s[5]，经过实际测试，现场信号源强的监控点移动网的上传速率达到 5 Mbit/s，信号源比较弱的监控点上传速率为 2 Mbit/s 左右，传输数字视频图像达到了 720 P（1 280 px×720 px）的标准高清效果，图像播放速度为 25 帧/s，在控制中心观看每一路监控画面都非常流畅、清晰。

3 系统设计

3.1 系统结构

洪泽湖视频监控系统总体框架为分层、分布、模块式体系结构，采用分层分布式实时监控、人机交互通讯、远距离编解码传输控制等技术，将前端图像记录、云台镜头遥控、无线传输、后端显示存储等多种功能融于一体，通过无线网络进行信息传输和资源共享，便于软硬件的维护、扩展和升级[6]。同时系统遵循公专结合原则，充分利用运营商和水利部门现有的通信网络及信息资源，避免重复建设。

洪泽湖视频监控系统结构如图2所示。

3.2 系统构成与功能

洪泽湖视频监控系统由前端视频采集及存储、无线 4G 网络传输、控制中心远程监控和风光供电4 部分组成，各部分主要功能如下：

3.2.1 前端视频采集及存储部分

前端设备由摄像机、硬盘录像机和路由器组成。在监控点安装红外高清网络摄像机，对重点监控区域的视频图像进行采集，多个摄像机公用 1个硬盘录像机和路由器。存储设备采用网络高清硬盘录像机，分为前端、后端和两端存储 3 种方式。本系统采用两端存储方式，前端硬盘录像机存储时间大于30 d，后端选用大容量硬盘录像机，存储时间大于6个月（根据监控点数量和压缩率确定硬盘容量）。平时视频图像直接存储于前端并保存一段时间，需要上传时与控制中心连线，将图像打包压缩传输[7]，控制中心对前端图像进行实时监控并存储，采用这种方式可以节省流量费用，降低设备运行负载。路由设备采用工业级 VPN 路由器，每个监控点由无线路由器组成一个独立的网络系统，通过无线 4G 网络传输到控制中心路由服务器，实现联网功能。

图2 洪泽湖视频监控系统结构图

3.2.2 无线 4G 网络传输部分

联网是通过系统的 IP 寻址功能建立控制中心服务器和前端路由器的握手实现的。利用无线 4G 网络进行远程多点视频监控应用时，如果控制中心及每一个前端监控点均为动态 IP 方式接入，前端监控点在每次联网后均需将其最新 IP 地址通知控制中心，控制中心才能对该监控点实施监控显然是不现实的，而为控制中心及每一个前端监控点申请静态 IP也是不经济的。本系统采用的方法是，控制中心为静态 IP 方式接入，每一个前端监控点为动态 IP 方式接入。控制中心路由服务器内置 IP 解析软件，前端监控点路由器运行前配置输入控制中心的静态 IP地址，接入公网激活后即会将分配的动态 IP 地址上传到控制中心。控制中心访问各前端监控点 IP 地址并读取相关数据，建立连接并实时进行监控。

通过前端无线 4G 路由器与控制中心固网路由服务器组成虚拟内网，在 4G 路由器连接到运营商公网的基础上建立 VPN 隧道方式传输视频图像，组网方式如下：1）控制中心。配置公网静态 IP 地址，建立 VPN 服务器，并把所有端口映射到 VPN 服务器上。2）前端无线 4G 路由器。配置动态 IP 地址，开通 GG 业务的UIM 卡，配置 VPN（PPTP 或 L2TP）及其它必要性功能。

3.2.3 控制中心远程监控部分

控制中心是整个系统的“大脑”，是实现整个系统功能的指挥中心，完成对所有设备的控制、管理、检测及权限的分配。在控制中心通过无线 4G网络对前端摄像机采集的视频图像及存储信号进行实时显示和远程回放，对重要图像进行记录存储，通过平台软件对图像进行对比，并对前端设备在线情况进行控制，以满足远程监视监控的需要。控制中心设备由工业级 VPN 路由服务器、以太网交换机、视频网关平台、硬盘录像机、视频工作站和大屏监视器组成。本文着重说明交换机选择注意要点和视频网关平台的一个重要功能。

高清视频图像传输时每路占用带宽为 4～6 Mbit/s，如果前端安装 20 台摄像机，则最大占用带宽为 120 Mbit/s。交换机接有视频工作站和大屏显示系统，如果每台设备需要同时多画面显示，则每台设备占用带宽不低于120 Mbit/s，交换机电口配置为百兆时数据传输容量不够，导致数据传输堵塞，造成整个交换机数据交换能力大幅下降，监控画面会出现卡滞和停顿现象，所以电口需配置为千兆。

视频网关平台除了具有流媒体转发、电子地图、Web 客户端、参数配置、控制管理等功能外，还需具有主动注册的功能，在动态 IP 的应用中，通过使用 IP 域名解析模块可以解决无静态 IP 地址问题。当前端设备与控制中心连线出现掉线时，网关平台可以实现前端设备主动注册、后端平台实时在线监测的功能，从而真正实现了前端设备实时在线监测，保证视频信号传输稳定、流畅。

3.2.4 风光供电部分

由于监控点安装位置都很偏僻，无法取得稳定的供电电源，因此采用风光互补的供电方式为前端设备供电。供电部分由五叶片低风速风力发电机、单晶硅太阳能电池组件、蓄电池、逆变器、智能控制器等设备组成，2 种供电方式互为补充，夜间和阴雨天无阳光时由风能发电，晴天由太阳能发电，在既有风又有阳光的情况下两者同时发挥作用，实现全天候供电，可以保证前端设备连续 24 h 工作，即使在无风、无光情况下设备也能正常运行 3～5 d。

4 系统建设

系统建设分为设备安装和系统调试 2个阶段。摄像机、硬盘录像机、路由器和太阳能板等前端设备均安装在立杆上，立杆顶部安装风力发电机和避雷针，蓄电池组地埋安装。控制中心安装服务器、交换机、硬盘录像机和视频工作站等后台设备，由于利用无线网络传输省去了线缆敷设工作，设备安装比较简便。在系统调试阶段，大部分监控点属于同一家运营商的无线 4G 网络信号，个别监控点为另一家运营商信号，由于几大运营商已经开展网络建设领域的深度合作，共享 4G 网络资源，因此可以利用不同运营商的 4G 网络将视频图像传输到控制中心，系统调试得以顺利进行。

从监控系统运行情况看，系统已经实现了视频图像无线传输的功能，系统运行稳定、图像清晰、传输流畅，达到了高清监控效果。目前该系统正在进行深层次的挖掘工作，进一步完善系统功能，达到智能化监控要求[8]，如实现船舶入侵探测、非法滞留、物体追踪等分析功能，对视频中出现的可疑目标进行分析判断，过滤图像中无用和干扰信息，利用图像快照迅速锁定非法作业地点，生成快照发送给控制中心；同时开发手机 APP 软件，通过手机能方便、迅速地进行无线视频监控和设备管理。

5 结语

在洪泽湖建立视频监控系统，利用无线 4G 网络进行视频图像传输，通过 4G 无线链路集群技术捆绑多条链路的带宽，不仅解决了有线传输无法实现的难题，而且系统具有高稳定性、高清晰度的传输效果。无线网络传输具有灵活高效、快速建设、投资节省等优势，将成为视频监控应用领域的一个发展方向。目前，江苏省水利信息化进程正不断地向前推进，各地河湖资源管理信息系统在建设当中，其中河湖库巡查管理子系统涉及到现场取证记录等要求，很多场合会运用到无线网络视频传输技术，洪泽湖视频监控系统的成功应用将会为其开发和应用提供一定借鉴和参考。

[1] 谭永前，严峥晖，罗文兴，等. 移动通信技术发展研究[J].电子制作，2014 (2): 178-178.

[2] 黄尚科. 视频监控无线传输技术及市场应用[J]. 计算机光盘软件与应用，2013 (4): 247-248.

[3] 张海翔，张华熊，陆斌. 基于GM8128 的嵌入式 4G 无线音视频传输系统设计与实现[J]. 工业控制计算机，2015，28 (1): 67-69.

[4] 戴国光. 浅论链路捆绑技术在 IP 城域网中的应用[J]. 通讯世界，2014 (12): 6-8.

[5] 李文生. 对 4G 移动通信技术应用与发展的展望[J]. 通讯世界，2015 (12): 89-89.

[6] 栾学宣. 无线网络传输在视频监控中的应用[J]. 中国新通信，2013，15 (9): 57-57.

[7] 叶晓丽. 高清视频无线传输技术方案的研究[J]. 井冈山学院学报，2009，30 (10): 16-19.

[8] 汤志伟. 智能分析技术在网络视频监控领域的应用[J]. 中国安防，2011 (3): 47-49.

Application of Wireless 4G Network Transmission on Video Monitor of Hongze Lake

LIU Xinquan
（Jiangsu Surveying and Design Institute of Water Resources Co., Ltd, Yangzhou 225217, China）

On the basis of video monitor system of Hongze Lake, the article puts forward a video monitor system design based on the wireless 4G network transmission, introduces system grouping method, principle of long distance monitor and requirement of system function, analyzes the character of wireless transmission, and realizes the video monitor in the circumstance of wire transmission unrealized. It is referential for more reliable and perfect similar wireless video system transmission design in future.

wireless 4G network； video monitoring； system grouping； wireless transmission

P332.4

A

1674-9405(2016)06-0041-05

10.19364/j.1674-9405.2016.06.009

2016-06-01

刘新泉（1970-），男，江苏泰兴人，高级工程师，主要从事电气与自动化设计工作。